隔震技術(shù)基本原理(全文)

精品文檔-下載后可編輯隔震技術(shù)基本原理(全文)引言

如今，由于地震頻發(fā)，人們對(duì)建筑物的防震能力越來(lái)越為關(guān)注。對(duì)于地震作用，在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上人們多以抗震設(shè)計(jì)為主，一種途徑是通過(guò)降低建筑物結(jié)構(gòu)底部剛度，減小地震對(duì)建筑物的作用效應(yīng)，達(dá)到抗震的目的；另一種途徑是加大構(gòu)件截面，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)底部剛度，提高建筑物自身的抵抗能力，達(dá)到抗震的目的。對(duì)于鋼筋砼結(jié)構(gòu)建筑，目前世界各國(guó)多是采用后一種途徑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，這種方法有其成功之處，但卻也有很多不足：（1）建筑物剛度越大，導(dǎo)致的工程總結(jié)也越高，但受地震作用的效應(yīng)卻更強(qiáng)；（2）建筑結(jié)構(gòu)自身剛度無(wú)論多大，當(dāng)受到強(qiáng)烈地震作用時(shí)，其抵抗能力仍是相當(dāng)有限，不能做到“大震不壞”。

近年來(lái)，各專家學(xué)者通過(guò)對(duì)地震作用特點(diǎn)的研究，提出了建筑物隔震設(shè)計(jì)的構(gòu)想，并付諸實(shí)施，證明了這種技術(shù)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。本人認(rèn)為，“隔震設(shè)計(jì)”代表了未來(lái)建筑抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

一、隔震技術(shù)及其基本原理

1.1隔震技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)主要利用結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件屈服后的塑性變形和耗能來(lái)耗散地震的能量，因此對(duì)這些區(qū)域的耗能性能要求特別重要。一旦由于某些因素而導(dǎo)致這些區(qū)域產(chǎn)生問(wèn)題，則就會(huì)嚴(yán)重的影響結(jié)構(gòu)的抗震性能，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。在以往的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)置多道抗震設(shè)防線、選用耗能構(gòu)件和對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、承載力、延性的合理匹配來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

隔震技術(shù)就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科，它能有效地吸收地震能量，減少結(jié)構(gòu)的水平地震作用，從而消除或減輕結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震損壞，增強(qiáng)建筑物及內(nèi)部設(shè)施和人員的地震安全性，提高建筑物的抗震能力。與以往的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，采用隔震技術(shù)的建筑物具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）、提高地震時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性；（2）、設(shè)計(jì)自由度增大；（3）、防止內(nèi)部物品的振動(dòng)移動(dòng)和翻到；（4）、防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞；（5）、抑制振動(dòng)的不適感；（6）、可以保證機(jī)械器具的使用功能；

近代的基礎(chǔ)隔震技術(shù)基本上可分為兩大類,即彈性隔震和基礎(chǔ)滑動(dòng)隔震。在彈性隔震中,疊層鋼板橡膠墊隔震技術(shù)應(yīng)用最多。這類隔震方案主要是在房屋底層與基礎(chǔ)頂面之間增設(shè)一個(gè)側(cè)向剛度很低的隔震層,使在地震過(guò)程中整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的周期變長(zhǎng),變形集中在底層,上部結(jié)構(gòu)基本上是剛性運(yùn)動(dòng)。但主要用于隔震水平地震動(dòng),對(duì)于豎向震動(dòng)則幾乎沒(méi)有隔離作用;另一方面,這種隔震體系實(shí)際上是在地震時(shí)對(duì)上部結(jié)構(gòu)起著低通濾波的作用,地震中的中高頻成分幾乎全部可以濾掉,但并不能完全避免結(jié)構(gòu)共振。

1.2隔震技術(shù)基本原理

隔震設(shè)計(jì)的基本原理就是通過(guò)在場(chǎng)地與主體之間或基礎(chǔ)與主體之間設(shè)置剛度較小、阻尼較大的阻尼隔震層，通過(guò)隔震層吸收地震力量，以減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸，從而有效的降低地震對(duì)建筑物的作用。其原理的核心是通過(guò)降低地震對(duì)建筑物的作用效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)減震、防震的目的。

隔震體系通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期能夠減少結(jié)構(gòu)的水平地震作用，已被國(guó)外強(qiáng)震記錄所證實(shí)。國(guó)內(nèi)外的大量試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)表明：隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60％左右，從而消除或有效地減輕結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震損壞，提高建筑物及其內(nèi)部設(shè)施和人員的地震安全性，增加了震后建筑物繼續(xù)使用的功能。

1.3隔震結(jié)構(gòu)的減震機(jī)理

圖1.1減震機(jī)理的計(jì)算模型

上圖1.1為一個(gè)單自由度體系模型，該體系在地面運(yùn)動(dòng)作用下的振動(dòng)方程

為：

my+cy+ky=cxg+kxg

式中,m、c、k分別為體系的質(zhì)量、阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)；y、xg分別為質(zhì)體的絕對(duì)位移和地面運(yùn)動(dòng)位移。

令=2ωnζ=ωn2,則上式變?yōu)椋?/p>

y+2ωnζy+ωn2y=2ωnζxg+ωn2xg（1）

令地面運(yùn)動(dòng)加速度為xg=eωt，式中，ω為場(chǎng)地的特征頻率，將xg=eωt帶入上式（1）中，可推導(dǎo)出體系的絕對(duì)加速度幅值與地面運(yùn)動(dòng)輸入加速度的幅值之比。用Ra表示該比值，由計(jì)算我們可知Ra是阻尼比ζ和頻率比ω/ωn的函數(shù)。下圖1.2為不同阻力比是的Ra――ω/ωn曲線。

圖1.2隔震結(jié)構(gòu)減震效果與頻率比的關(guān)系曲線

從上圖中我們可以看出：

（1）這組曲線在A點(diǎn)有一個(gè)交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的Ra=1、ω/ωn=，這說(shuō)明體系的絕對(duì)加速度與地面輸入的加速度幅值相等，且與阻尼無(wú)關(guān)。

(2)當(dāng)ω/ωn1,及體系的絕對(duì)加速度大于地面輸入的加速度，這就是絕大多數(shù)抗震結(jié)構(gòu)體系的反應(yīng)特點(diǎn)。

（3）當(dāng)ω/ωn時(shí)，Ra>>1，及體系與地面輸入發(fā)生共振，地震反應(yīng)明顯增大，很多抗震結(jié)構(gòu)很接近這種情況，地震中這類結(jié)構(gòu)的破壞比較嚴(yán)重。

（4）當(dāng)當(dāng)ω/ωn>，Ra

二、隔震建筑的形式

2.2基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)

所謂基礎(chǔ)隔震,就是在建筑物的基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間增設(shè)高度很矮,具有足夠可靠性的隔震層,控制地面運(yùn)動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)傳遞,地震時(shí)其能量可反饋到地面或由隔震層吸收,以大大減小結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的地震反應(yīng),確保建筑物的整體安全,其內(nèi)部設(shè)備不發(fā)生破壞或喪失使用功能,室內(nèi)人員不遭受傷害也不會(huì)有強(qiáng)烈震感。

基礎(chǔ)隔震方案有多種，其中疊層橡膠支座隔震技術(shù)是隔震技術(shù)中應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的，它具有減震機(jī)理明確、減震效果顯著、施工與安裝方便等特點(diǎn)。圖1為典型的疊層橡膠支座構(gòu)造，它主要包括三個(gè)部分:①疊層鋼板橡膠:它是由一層鋼板一層橡膠經(jīng)過(guò)特殊工藝交替疊合而成，具有較高的豎向承載能力和較小的水平剛度；②鉛芯:能提供較高的阻尼；③橡膠保護(hù)層:用來(lái)防止內(nèi)部鋼板的腐蝕。

圖1鉛芯橡膠隔震支座

采用基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)上應(yīng)注意:(1)在建筑物周邊,隔震層部分要比基礎(chǔ)大一圈,因此場(chǎng)地要寬裕;(2)隔震層的周圍設(shè)擋土墻,其上部有墻外狹道等,因此要確保地震時(shí)不因上部結(jié)構(gòu)的移動(dòng)而帶來(lái)其它問(wèn)題;(3)方便檢查和更換隔震裝置;(4)為使設(shè)備管線適應(yīng)隔震層的位移和變形,常采用柔性連接或球型接點(diǎn),但要考慮安放裝置及檢修的空間;(5)隔震建筑物與其它建筑物之間的聯(lián)系通道要適應(yīng)相對(duì)變形,確保暢通無(wú)阻。

2.2中間層隔震

在基礎(chǔ)以上的中間樓層設(shè)置隔震層,下部結(jié)構(gòu)同普通建筑物一樣直接與地基接觸,因此它不存在基礎(chǔ)隔震建筑的底部體積和墻體數(shù)量問(wèn)題,但隔震層以下的樓層需要做抗震處理。在市區(qū)場(chǎng)地不太寬裕時(shí),可把隔震層設(shè)計(jì)在地面以上,在空中變形有利于節(jié)約用地,同時(shí)也能有效減少地基的挖土量。

采用中間層隔震,設(shè)計(jì)上應(yīng)注意:(1)為適應(yīng)隔震層的移動(dòng)變形,該部分的建筑外墻應(yīng)設(shè)水平縫,要考慮防水、隔音、防火等,也要注意立面的協(xié)調(diào)美觀;(2)解決樓梯、電梯井、機(jī)器升降、設(shè)備管線等貫穿隔震層的問(wèn)題,并考慮防火區(qū)間的劃分;(3)便于檢查、更換隔震裝置及耐火材料等。隔震裝置布置和選取的一般原則為:(1)隔震層具有適當(dāng)?shù)乃絼偠?在強(qiáng)風(fēng)作用下,隔震層具有足夠的初始剛度,在較大地震作用時(shí),隔震層產(chǎn)生柔性變形,能大大減小水平地震作用;(2)隔震層的水平剛度中心宜與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心基本一致;(3)隔震裝置具有足夠的豎向承載力和水平變形能力,在發(fā)生大震時(shí),可安全穩(wěn)定地支撐建筑物,不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,能發(fā)揮隔震功能;(4)隔震裝置具有良好的自動(dòng)復(fù)位功能,在發(fā)生大震后,可基本復(fù)位到初始位置,當(dāng)發(fā)生余震時(shí),可繼續(xù)有效發(fā)揮隔震作用;(5)隔震裝置具有較大的豎向剛度,在設(shè)計(jì)豎向荷載作用下,豎向位移被控制在允許值以下;(6)隔震裝置的剛度和阻尼具有較好的穩(wěn)定性,在可能出現(xiàn)的荷載和溫度范圍以內(nèi),其變化較小;(7)具有良好的耐久性,具有良好的抗老化、抗疲勞、抗徐變等性能,在建筑物的使用期內(nèi)能有效發(fā)揮隔震作用。

三、隔震結(jié)構(gòu)控制理論

它是一種新的隔震設(shè)計(jì)理論―結(jié)構(gòu)控制和控制結(jié)構(gòu)理論。結(jié)構(gòu)控制主要研究結(jié)構(gòu)工程中控制裝置的設(shè)計(jì)理論、方法及其實(shí)施,控制結(jié)構(gòu)是根據(jù)給定的條件將結(jié)構(gòu)和控制裝置作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

主動(dòng)控制由于制約因素多、造價(jià)昂貴等原因,應(yīng)用研究尚處于開(kāi)創(chuàng)階段。被動(dòng)控制特別是其中基礎(chǔ)隔震技術(shù)的研究,已經(jīng)逐漸成熟,在工程應(yīng)用中日漸廣泛。所謂基礎(chǔ)隔震,就是在結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置隔震層,使上部結(jié)構(gòu)與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)分離,阻隔地震波向上部結(jié)構(gòu)的傳播,使得輸入結(jié)構(gòu)的能量或反饋入地基土