建筑抗震與設防-減震隔震課件

然而，延性結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)，仍然是處于被動地抵御地震作用的地位。對于一般性建筑物，當遭遇相當基本烈度的地震襲擊時，結(jié)構(gòu)即可能進人非彈性破壞狀態(tài)，從而導致建筑物裝修與內(nèi)部設備的破壞，造成巨大的經(jīng)濟損失。對于某些生命線工程(如電力、通訊部門的核心建筑)，結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設備的破壞可以導致生命線網(wǎng)絡的癱瘓，所造成的損失更是難以估量。所以，隨著現(xiàn)代化社會的發(fā)展，各種昂貴設備在建筑物內(nèi)部配置的增加，延性結(jié)構(gòu)體系的應用也有了一定的局限性。面對新的社會要求，各國地震工程學家一直在尋求新的結(jié)構(gòu)抗震設計途徑。

隔震是通過某種隔離裝置，將地震動與結(jié)構(gòu)隔開，以達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。隔震方法主要有基底隔震和懸掛隔震等類型。減震是通過采用一定的耗能裝置或附加子結(jié)構(gòu)，吸收或消耗地震傳遞給主體結(jié)構(gòu)的能量，從而減輕結(jié)構(gòu)的振動。減震方法主要有耗能減震、吸振減震等類型。狹義的制振技術又稱結(jié)構(gòu)主動控制。它是通過自動控制系統(tǒng)主動地給結(jié)構(gòu)施加控制力，以期達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。目前，結(jié)構(gòu)隔震技術已基本進人實用階段，而對于減震與制振技術，則正處于研究、探索、部分應用于工程實踐的時期。第1頁/共28頁8.2.1隔震原理與分析模型

8.2.2常用隔震裝置8.2隔震原理與方法第2頁/共28頁8.2.1隔震原理與分析模型

基底隔震的基本思想是在結(jié)構(gòu)物地面以上部分的底部設置隔震層，使之與固結(jié)于地基中的基礎頂面分離開，從而限制地震動向結(jié)構(gòu)物的傳遞。大量試驗研究工作表明:合理的結(jié)構(gòu)隔震設計，一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應降低60%左右，從而可以有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震破壞，提高結(jié)構(gòu)物的地震安全性。

隔震層通常具有較大的阻尼，從而使結(jié)構(gòu)所受地震作用較非隔震結(jié)構(gòu)有較大的衰減。隔震層具有很小的側(cè)移剛度，從而大大延長了結(jié)構(gòu)物的周期，因而，結(jié)構(gòu)加速度反應得到進一步降低。與此同時，結(jié)構(gòu)位移反應在一定程度上有所增加。第3頁/共28頁第4頁/共28頁

在進行基底隔震結(jié)構(gòu)設計時應注意:

（1）在滿足必要的豎向承載力前提下，隔震裝置的水平剛度應盡可能小，以使結(jié)構(gòu)周期盡可能遠離地震動的優(yōu)勢周期范圍;(2)保證在風作用下結(jié)構(gòu)不致有太大的位移。為此，通常要求在隔震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)底部安裝風穩(wěn)定裝置或用阻尼器與隔震裝置聯(lián)合構(gòu)成基底隔震系統(tǒng)。

隔震建筑系統(tǒng)的動力分析模型可根據(jù)具體情況選用單質(zhì)點模型、多質(zhì)點模型，甚至空間分析模型。當上部結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度遠大于隔震層的水平剛度時，可以近似認為上部結(jié)構(gòu)是一個剛體，從而將隔震結(jié)構(gòu)簡化為單質(zhì)點模型進行分析。第5頁/共28頁

當要求分析上部結(jié)構(gòu)的細部地震反應時，可以采用多質(zhì)點模型或空間分析模型。這些模型可視為在常規(guī)結(jié)構(gòu)分析模型底部加人隔震層簡化模型的結(jié)果。例如，對于多質(zhì)點模型，隔震層可用一個水平剛度為Kh，阻尼系數(shù)為C的結(jié)構(gòu)層簡化為：隔震結(jié)構(gòu)計算簡圖

這樣，就可以采用時程分析方法進行隔震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的地震反應分析。也可以采用反應譜方法進行隔震結(jié)構(gòu)的地震反應分析，但這時采用的反應譜應是經(jīng)過阻尼比調(diào)整后的反應譜曲線。第6頁/共28頁

采用隔震裝置的隔震結(jié)構(gòu)，可以有效減低隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平地震作用。我國抗震規(guī)范采用水平向減震系數(shù)的概念來反映這一特點，且規(guī)定水平地震作用沿高度采用矩形分布，水平向地震影響系數(shù)最大值采用非隔震結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)最大值與水平向減震系數(shù)的乘積。而水平向減震系數(shù)可根據(jù)結(jié)構(gòu)隔震與非隔震兩種情況下層間剪力的最大比值按表8-1確定。水平向減震系數(shù)不宜低于0.25，且隔震后結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設防時的總水平地震作用。

層間剪力最大比值與水平向減震系數(shù)的對應關系層間剪力最大比值0.530.350.260.18水平向減震系數(shù)0.750.500.380.25第7頁/共28頁8.2.2常用隔震裝置1.橡膠支座隔震橡膠支座是最常見的隔震裝置。常見的橡膠支座分為鋼板疊層橡膠支鉛芯橡膠支座、石墨橡膠支座等類型。鋼板疊層橡膠支座由橡膠片和薄鋼板疊合而成。疊層橡膠支座

鉛芯橡膠支座1一橡膠;2一鉛芯;3-鋼片

通常使用的橡膠支座，水平剛度是豎向剛度的1%左右，且具有顯著的非線性變形特征。當小變形時，其剛度很大，這對建筑結(jié)構(gòu)的抗風性能有利。當大變形時，橡膠的剪切剛度可下降至初始剛度的1/5一1/4，這就會進一步降低結(jié)構(gòu)頻率，減少結(jié)構(gòu)反應。當橡膠剪應變超過50%以后，剛度又逐漸有所回升，起到安全閥的作用，對防止建筑的過量位移有好處。第8頁/共28頁第9頁/共28頁橡膠支座隔震裝置設計的關鍵是合理確定隔震支座承受的應力。我國建筑抗震設計規(guī)范規(guī)定:隔震層各橡膠隔震支座，考慮永久荷載和可變荷載組合的豎向平均壓應力設計值不應超過表8-2的規(guī)定。在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應力。橡膠隔展支座平均壓應力限值建筑類別甲類建筑乙類建筑丙類建筑平均壓應力（MPa）101215注:1.對需驗算傾覆的結(jié)構(gòu)，平均壓應力設計值應包括水平地震作用效應;2.對需進行豎向地震作用計算的結(jié)構(gòu)，平均壓應力設計值應包括豎向地震作用效應;3.當橡膠支座的第二形狀系數(shù)小于5.0時，應降低平均壓應力限值;直徑小于300mm的支座，其平均壓應力限值對丙類建筑為12MPa。第10頁/共28頁

2.滾動隔震

滾動隔震主要有滾軸隔震和滾珠隔震兩種。雙排滾軸隔震裝置1一上部滾軸群;2一下部滾軸群;3一呈弧形溝槽的中間板;4-鋼制連接件;5-銷子;6一底盤;7一蓋板;8一蓋板向下突壁;9一散粒物在基礎與上部結(jié)構(gòu)之間設置上、下兩層彼此垂直的滾軸，滾軸在橢圓形的溝槽內(nèi)滾動，因而該裝置具有自己復位的能力。第11頁/共28頁滾珠隔震裝置在一個直徑為50的高光潔度的圓鋼盤內(nèi)，安放400為0.97cm的鋼珠。鋼珠用鋼箍圈住，不致散落，上面再覆蓋鋼盤。該裝置已用于墨西哥城內(nèi)一座五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的學校建筑中，安放在房屋底層柱腳和地下室柱頂之間。為保證不在風載下產(chǎn)生過大的水平位移，在地下室采用了交叉鋼拉桿風穩(wěn)定裝置。

一般說來，采用滾動隔震裝置時，應注意安裝有效的限位、復位機構(gòu)，以保證被隔震的結(jié)構(gòu)物不致在地震作用下出現(xiàn)永久性變形。第12頁/共28頁

3.滑動支座隔震這種隔震方法是在上部結(jié)構(gòu)與基礎之間設置可以相互滑動的滑板。風載或小地震時，靜摩擦力使結(jié)構(gòu)固結(jié)于基礎之上。大震時，結(jié)構(gòu)水平滑動，地震作用減小，滑板間摩擦阻尼同時消耗地震能量。為控制滑板間的摩擦力以滿足隔震要求，通常在滑板間加設滑層。常用的滑層材料有聚氯乙烯板、砂粒、鉛粒、滑石、石墨等。4.其他隔震裝置搖擺式隔震支座；不倒翁式隔震房屋等。第13頁/共28頁8.3減震原理與方法8.3.1耗能減震原理8.3.2耗能減震裝置8.3.3吸振減震原理8.3.4吸振減震裝置第14頁/共28頁8.3.1耗能減震原理

耗能減震是通過采用耗能構(gòu)件以消耗地震傳遞給結(jié)構(gòu)的能量為目的的減震手段。地震時，結(jié)構(gòu)在任意時刻的能量方程為式中Et—地震過程中輸人給結(jié)構(gòu)的能量;Es—結(jié)構(gòu)主體自身的耗能;Ef——附加耗能構(gòu)件的耗能。

從能量的觀點看，地震輸入給結(jié)構(gòu)的能量E，是一定的，因此，耗能裝置耗散的能量越多，則結(jié)構(gòu)本身需要消耗的能量就越小，這意味著結(jié)構(gòu)地震反應的降低。另一方面，從動力學的觀點看，耗能裝置的作用，相當于增大結(jié)構(gòu)的阻尼，而結(jié)構(gòu)阻尼的增大，必將使結(jié)構(gòu)地震反應減小。第15頁/共28頁

在風和小震作用下，耗能裝置應具有較大的剛度，以保證結(jié)構(gòu)的使用性能。在強烈地震作用時，耗能裝置應率先進人非彈性狀態(tài)，并大量消耗地震能量。試驗表明，耗能裝置可做到消耗地震總輸入能量的90%以上。耗能減震結(jié)構(gòu)的地震反應分析可以采用的時程反應分析方法。

耗能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比超過20%時，宜按20%計算。耗能減震結(jié)構(gòu)的剛度可以取為結(jié)構(gòu)剛度和耗能部件剛度之和。第16頁/共28頁8.3.2耗能減震裝置

1.阻尼器阻尼器通常安裝在支撐處、框架與剪力墻的連接處、梁柱連接處以及上部結(jié)構(gòu)與基礎連接處等有相對變形或相對位移的地方。在基底隔震系統(tǒng)中，阻尼器常與隔震裝置相配合使用。常用的阻尼器有以下幾種:活塞式阻尼器摩擦阻尼器第17頁/共28頁彈塑性阻尼器

低碳鋼具有優(yōu)良的塑性變形性能，可在超過屈服應變幾十倍的塑性應變下往復變形數(shù)百次而不斷裂。根據(jù)需要，可以將軟鋼板(棒)彎成各種形狀做成阻尼第18頁/共28頁2.耗能支撐耗能支撐實質(zhì)土是將各式阻尼器用在支撐系統(tǒng)上的耗能構(gòu)件。塑性耗能支撐在交叉支撐處彈塑性阻尼器的原理，可做成耗能交叉支撐，如圖8-12所示。在支撐交叉處，通過鋼框或鋼環(huán)的塑性變形消耗地震能量。摩擦耗能支撐節(jié)點將高強度螺栓塌板摩擦阻尼器用于支撐構(gòu)件，可做成摩擦耗能支撐。摩擦耗能支撐在風載或小震下不滑動，能像一般支撐一樣提供很大的剛度。而在大震下支撐滑動，降低結(jié)構(gòu)剛度，減小地震作用，同時通過支撐滑動摩擦消耗地震能量。第19頁/共28頁

耗能隅撐是在耗能偏心支撐的基礎上發(fā)展出來的。隅撐兩端剛接在梁、柱或基礎上，普通支撐簡支在隅撐的中部。與耗能偏心支撐相比，耗能隅撐有兩個優(yōu)點:其一，隅撐截面小，不是結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，破壞后更換方便;其二，隅撐框架不限于梁柱剛接，梁柱可以鉸接或半鉸接偏心支撐結(jié)構(gòu)最早由美國Popov教授提出。其工作原理是通過支撐與梁段的塑性變形消耗地震能量。在風載或小震作用下，支撐不屈服，偏心支撐能提供很大的側(cè)向剛度。在大震下，支撐及部分梁段屈服耗能，衰減地震反應。

第20頁/共28頁3.耗能墻耗能墻實質(zhì)上是將阻尼器或耗能材料用于墻體所形成的耗能構(gòu)件或耗能子結(jié)構(gòu)。周邊耗能墻在墻與框架連接的周邊，可填粘性材料。強烈地震時，墻周邊出現(xiàn)非彈性縫并錯動，消耗地震能量。摩擦耗能墻預應力摩擦剪力墻以豎向預應力為手段，在墻頂面與梁底部接縫處做一條摩擦縫。地震作用時，通過摩擦縫的反復水平滑動消耗地震能量。在豎縫剪力墻的豎縫中填以摩擦材料，也可形成摩擦耗能墻體。第21頁/共28頁

吸振是通過附加子結(jié)構(gòu)使主結(jié)構(gòu)的能量向子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的減震方式。8.3.3吸振減震原理第22頁/共28頁8.3.4吸振減震裝置1.調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)

這種裝置通常做成可滑動的質(zhì)量塊，可以安裝在高聳結(jié)構(gòu)或高層建筑的頂部比較適合于阻尼比較小的鋼結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)的風振控制，對于阻尼比較大的混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的振動控制尤其是地震反應控制，效果往往不太明顯。2.調(diào)諧液體阻尼器(TLD)

將裝水的容器置于結(jié)構(gòu)物上，結(jié)構(gòu)振動時，水的蕩晃亦形成一個調(diào)頻質(zhì)量阻尼器，通常稱這類裝置為TLD。為了增大阻尼，可在水平處設置一層篩網(wǎng)。第23頁/共28頁8.4.1基本概念

8.4.2控制原理

8.4.3結(jié)構(gòu)主動控制裝置8.4結(jié)構(gòu)主動控制初步第24頁/共28頁

主動控制是借鑒現(xiàn)代控制論思想而提出的一類振動控制方法，其設想是利用外部能源，在結(jié)構(gòu)受地震激勵而運動的過程中，實時地施加控制力，改變結(jié)構(gòu)動力特性，以減小結(jié)構(gòu)地震反應。

主動控制體系一般由三部分組成:

(1)傳感器。安裝在結(jié)構(gòu)上，測量結(jié)構(gòu)所受外部激勵及結(jié)構(gòu)響應，將測得的信息傳送給控制系統(tǒng)中的處理器;

(2)處理器。一般為計算機。用于依據(jù)給定的控制算法，計算結(jié)構(gòu)所需的控制力，并將控制信息傳送給控制系統(tǒng)中的制動器;

(3)制動器。一般為加力裝置。用于根據(jù)控制信息由外部能源提供結(jié)構(gòu)所需的控制力。8.4.1基本概念

第25頁/共28頁8.4.2控制原理第26頁/共28頁8.4.3結(jié)構(gòu)主動控制裝置1.主動調(diào)頻質(zhì)量