9結(jié)構(gòu)隔振、減震設計與制振技術

6.結(jié)構(gòu)隔隔震、、消能能減震震設計計6.1概述述抗震震設設計計：：依靠靠結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的強強度度、、剛剛度度和和延延性性來來抵抵御御地地震震作作用用立足足于于““抗抗””，，是是一一種種消消極極設設計計方方法法傳統(tǒng)統(tǒng)抗抗震震方方法法存存在在的的問問題題：：（1）結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的安安全全性性難難以以保保證證傳統(tǒng)統(tǒng)抗抗震震方方法法以以既既定定的的““設設防防烈烈度度””作作為為設設計計依依據(jù)據(jù)，，由由于于地地震震的的隨隨機機性性，，建建筑筑結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的破破損損程程度度及及倒倒塌塌的的可可能能性性難難以以控控制制，，當當發(fā)發(fā)生生突突發(fā)發(fā)性性超超烈烈度度地地震震時時，，房房屋屋可可能能會會嚴嚴重重破破壞壞。。6.1概述述（2）建建筑筑費費用用和和成成本本大大幅幅度度增增加加傳統(tǒng)統(tǒng)方方法法是是在在設設計計時時提提高高材材料料強強度度、、加加大大構(gòu)構(gòu)件件（（結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)））剛剛度度，，其其結(jié)結(jié)果果是是斷斷面面越越大大，，剛剛度度越越大大，，使使用用面面積積減減少少，，建建筑筑物物自自重重增增大大，，地地震震作作用用亦亦隨隨之之增增大大。。（3）適適用用范范圍圍受受到到限限制制傳統(tǒng)統(tǒng)抗抗震震方方法法采采用用的的是是延延性性結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)體體系系，，允允許許結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)部部件件在在強強震震時時發(fā)發(fā)生生比比較較大大的的塑塑性性變變形形，，以以消消耗耗地地震震能能量量，，減減輕輕地地震震反反應應，，這這種種方方法法對對于于某某些些不不容容許許在在地地震震中中出出現(xiàn)現(xiàn)破破壞壞的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、、或或內(nèi)內(nèi)部部有有貴貴重重裝裝飾飾、、重重要要設設備備儀儀器器的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)是是不不適適用用的的。。6.1概述述（4）施施工工難難度度大大結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件件和和節(jié)節(jié)點點的的鋼鋼筋筋配配置置過過密密，，9度區(qū)甚甚至無無法排排布。。（5）建筑筑物的的高度度受到到限制制等。。為克服服傳統(tǒng)統(tǒng)抗震震方法法的缺缺陷，，結(jié)構(gòu)振振動控控制技技術（簡稱稱“結(jié)結(jié)構(gòu)控控制””）逐逐漸發(fā)發(fā)展起起來。。結(jié)構(gòu)控控制的的概念念：通過過對結(jié)結(jié)構(gòu)施施加控控制機機構(gòu)，，由控控制機機構(gòu)與與結(jié)構(gòu)構(gòu)共同同承受受振動動作用用，以以調(diào)諧諧和減減輕結(jié)結(jié)構(gòu)的的振動動反應應，使使它在在外界界干擾擾作用用下的的各項項反應應值被被控制制在允允許范范圍內(nèi)內(nèi)。6.1概述結(jié)構(gòu)控制的概念：在在工程結(jié)構(gòu)構(gòu)的特定部位裝設某種裝置（如隔震墊墊等）、或或某種機構(gòu)（如消能支支撐、消能能剪力墻、、消能節(jié)點點、消能器器等）、或或某種子結(jié)構(gòu)構(gòu)（如調(diào)頻質(zhì)質(zhì)量等）、、或施加外力（外部能量量輸入）、、或調(diào)整結(jié)結(jié)構(gòu)的動力力特性，使使工程結(jié)構(gòu)構(gòu)在地震（（或風）的的作用下，，其結(jié)構(gòu)的動力力反應（加速度、、速度、位位移）得到到合合理理的的控控制制，從從而而確確保保結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)本本身身及及結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)中中的的人人、、儀儀器器設設備備、、裝裝修修等等的的安安全全或或處處于于正正常常的的使使用用狀狀態(tài)態(tài)。。結(jié)構(gòu)構(gòu)控控制制技技術術按按控控制制措措施施實實施施的的方方式式不不同同，，一一般般分分為為被動控制（PassiveControl）、主動控制（ActiveControl）、半主動控制（Semi—ActiveControl）和混合控制（HybridControl）四類。6.1概述（1）被動控制（（PassiveControl）①隔震：在建筑物適當當部位設置隔隔震裝置，切切斷或削弱地地面運動向上上部結(jié)構(gòu)的傳傳遞，并提供供適當?shù)淖枘崮幔瑥亩股仙喜拷Y(jié)構(gòu)的地地震作用大大大降低，耗能能能力加強。。如疊疊層橡膠墊支支座、高阻尼尼橡膠墊支座座、滑移隔震震支座和混合合隔震裝置等等。6.1概述②結(jié)構(gòu)自控控：通過在結(jié)構(gòu)構(gòu)中優(yōu)選耗能能材料和耗能能桿件，設置置多道抗震防防線達到耗能能減振的目的的。常見的有：豎向通縫SW（剪力墻）、、周邊縫SW、雙功能連梁、、帶抗震連梁梁的SW、頂層為剛性連連梁的SW、偏交支撐、、梁端設塑性鉸鉸的框架、懸懸掛式結(jié)構(gòu)、、底層設消能縫縫的磚混結(jié)構(gòu)構(gòu)。6.1概述③結(jié)構(gòu)附加加裝置控制：在結(jié)構(gòu)的適適當位置安放放耗能減振裝裝置，以達到到耗能減振的的目的。主要有：各種耗能支撐撐、預應力摩摩擦墻、金屬阻尼器、、摩擦阻尼器器、調(diào)頻質(zhì)量阻尼尼器（TMD）、調(diào)頻液體阻尼尼器（TLD）、粘滯流體阻尼尼器和粘彈性性阻尼器等等等。6.1概述（2）主動控制（（ActiveControl）指有外加能源源的控制，其其工作原理為為：6.1概述常見的的類型型有：：主動調(diào)調(diào)頻質(zhì)質(zhì)量阻阻尼器器(ActiveTunedMassDamper,簡稱AMD)；主動支支撐系系統(tǒng)（（ActiveBrace）；主動拉拉索控控制器器（ActiveTendon）；主動空空氣擋擋風板板控制制器（（ActiveAerodynamicAppendayes）等。。6.1概述（3）混合合控制制（HybridControl）混合控控制是是將主動控控制與被動控控制同時施施加在在同一一結(jié)構(gòu)構(gòu)上的的結(jié)構(gòu)構(gòu)振動動控制制形式式。從其元元素所所起作作用的的相對對大小小來看看，有有兩種種組合合方式式：一種是是主從從組合合方式式，即以以某一一控制制為主主控制制部件件，其其他部部件通通過主主要部部件實實現(xiàn)對對結(jié)構(gòu)構(gòu)的控控制。。6.1概述另一種種是并并列組組合方方式，即兩兩種控控制各各自獨獨立工工作，，對結(jié)結(jié)構(gòu)實實施校校正作作用。目前，，較為為典型型的幾幾種混混合控控制裝裝置有有：AMD與TMD相組合合，AMD與TLD相組合合，主動控控制與與基礎礎隔震震相組組合，，主動控控制與與耗能能減振振相組組合，，HMS（液壓壓－質(zhì)質(zhì)量振振動控控制系系統(tǒng)））與AMD相組合合等。6.1概述結(jié)構(gòu)消消能減減震建建筑的的特點點：1.消能減減震裝裝置可可同時時減少少結(jié)構(gòu)構(gòu)的水水平和和豎向向的地地震作作用，，適用用范圍圍較廣廣，結(jié)結(jié)構(gòu)類類型和和高度度均不不受限限制；；2.消能減減震裝裝置應應使結(jié)結(jié)構(gòu)具具有足足夠的的附加加阻尼尼，以以滿足足罕遇遇地震震下預預期的的結(jié)構(gòu)構(gòu)位移移要求求；3.由于消消能減減震結(jié)結(jié)構(gòu)不不改變變結(jié)構(gòu)構(gòu)的基基本型型式，，除消消能部部件和和相關關部件件外，，結(jié)構(gòu)構(gòu)設計計仍可可按照照《規(guī)范》對相應應結(jié)構(gòu)構(gòu)類型型的要要求執(zhí)執(zhí)行。。6.1概述消能減減震技技術的的優(yōu)越越性：：1、安全全性：：消能構(gòu)構(gòu)件或或消能能裝置置在強強震中中能率率先消消耗的的地震震能量量，迅迅速衰衰減結(jié)結(jié)構(gòu)的的地震震反應應并保保護主主體結(jié)結(jié)構(gòu)和和構(gòu)件件免遭遭破壞壞，確確保結(jié)結(jié)構(gòu)的的安全全。消能減減震結(jié)結(jié)構(gòu)的的地震震反應應比傳傳統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)降降低40%—60%。2、經(jīng)經(jīng)濟性性：消能減減震結(jié)結(jié)構(gòu)可可以減減少剪剪力墻墻的設設置，，減少少結(jié)構(gòu)構(gòu)斷面面和配配筋，，可節(jié)節(jié)約造造價5%——10%。若用用于舊舊建筑筑物的的抗震震加固固，則則可節(jié)節(jié)約造造價10%—60%。3、技術術合理理性：：結(jié)構(gòu)越越高、、越柔柔，消消能減減震效效果越越顯著著6.2結(jié)構(gòu)隔隔震設設計結(jié)構(gòu)隔隔震主主要有有基底隔隔震和懸掛隔隔震兩種6.2.1基底隔隔震原原理在結(jié)構(gòu)構(gòu)物底底部與與基礎礎頂面之之間設設置隔隔震消消能裝置置，使使之與與固結(jié)結(jié)于地基基中的的基礎礎頂面面分開，，限制制地震震動向向結(jié)構(gòu)物物傳遞遞。6.2.1基底隔隔震原原理為達到到明顯顯減震震效果果，通通?；A隔隔震系系統(tǒng)需需具備備以下下四種種特性性：(1)承載特特性：具有有足夠夠的豎豎向強強度和和剛度度以支支撐上上部結(jié)結(jié)構(gòu)的的重量量；(2)隔震特特性：：具有足足夠的的水平平初始始剛度度，在在風載載和小小震作作用下下，體體系能能保持持在彈彈性范范圍內(nèi)內(nèi)，滿滿足正正常使使用的的要求求，而而中強強地震震時，，其水水平剛剛度較較小，，結(jié)構(gòu)構(gòu)為柔柔性隔隔震結(jié)結(jié)構(gòu)體體系；；(3)復位特特性：：地震后后，上上部結(jié)結(jié)構(gòu)能能回復復到初初始狀狀態(tài)，，滿足足正常常的使使用要要求。。6.2.1基底隔隔震原原理(4)耗能特特性：：隔震系系統(tǒng)本本身具具有較較大的的阻尼尼，地地震時時能耗耗散足足夠的的能量量，從從而降降低上上部結(jié)結(jié)構(gòu)所所吸收收的地地震能能量。?；赘粽鸬牡倪m用范圍圍：高度不超過過40m，以剪切變變形為主且且質(zhì)量和剛剛度沿高度度分布比較較均勻的多多層和中高高層結(jié)構(gòu)6.2.2基礎隔震裝裝置隔震裝置由由隔震器、阻阻尼器和復復位裝置組成隔震器的的作用：支承上上部結(jié)構(gòu)構(gòu)全部質(zhì)質(zhì)量，延延長結(jié)構(gòu)構(gòu)自振周周期，同同時具有有經(jīng)歷較較大變形形的能力力阻尼器的的作用：：消耗地震震能量，，抑制結(jié)結(jié)構(gòu)可能能發(fā)生的的過大位位移復位裝置置的作用用：提高隔震震系統(tǒng)早早期剛度度使結(jié)構(gòu)構(gòu)在微震震或風載載作用下下，能夠夠具有和和普通結(jié)結(jié)構(gòu)相同同的安全全性目前應用用最多的的隔震裝裝置為隔震橡膠膠支座6.2.2基礎隔震裝置置隔震橡膠支座座包括天然夾層橡膠膠支座、鉛芯橡膠支座座，高阻尼橡膠支支座等。天然夾層隔震震橡膠支座天然夾層橡膠膠支座具有較較大的豎向剛剛度，承受建建筑物的重量量時豎向變形形小，而水平平剛度較小，，且線性性能能好。由于天然夾層層橡膠支座的的阻尼很小，，不具備足夠夠的耗能能力力，所以在結(jié)結(jié)構(gòu)使用中一一般同其它阻阻尼器或耗能能設備聯(lián)合使使用。6.2.2基礎隔震裝置置鉛芯隔震橡膠膠支座鉛芯隔震橡膠膠支座由新西西蘭的ROBINSON及其公司最早早研制開發(fā)，，以后在中國國、日本、美美國、意大利利等國家都得得到了較大的的發(fā)展與應用用。因為鉛芯橡膠膠支座不但具具有較理想的的豎向剛度，，而且本身具具有消耗地震震能量的能力力，故鉛芯橡橡膠支座在結(jié)結(jié)構(gòu)使用中受受到廣泛歡迎迎。6.2.2基礎隔震裝置置6.2.2基礎隔震裝置置下圖分別是世世界上第一棟棟采用鉛芯橡膠支座座隔震的建筑(TheWilliamClaytonBuilding,NewZealand)和世界上使用用鉛芯橡膠支支座中基底面面積最大的建建筑(日本)。6.2.2基礎隔震裝置置日本1997年度評定的隔隔震建筑中，，采用鉛芯橡橡膠支座隔震震房屋占總數(shù)數(shù)的40%；美國在1985年以后興建建的隔震房房屋中，完完全或部分分采用鉛芯芯橡膠支座座的隔震房房屋占總數(shù)數(shù)的60.7%；我國在已建建成的隔震震房屋中，，完全或部部分采用鉛鉛芯橡膠支支座的隔震震房屋占總總數(shù)的60%。1994年9月16日，臺灣海海峽發(fā)生了了7.3級地震，震震源距離汕汕頭市約200公里，汕頭頭市烈度為為6度，各類房房屋搖晃厲厲害，居民民驚惶失措措，水桶里的水水濺出了1/3左右……而陵海路隔隔震樓上的的人并沒有有感到晃動動，聽到毗毗鄰樓房和和鄰街喧鬧鬧聲后下樓才知道道發(fā)生了地地震。6.2.2基礎隔震裝裝置1994年1月17日，美國圣圣菲爾南多多發(fā)生洛杉杉磯地震，，震級M=6.7，死亡56人，傷7300人，損失很很大。震中附近有有兩座醫(yī)院院，一座為為隔震結(jié)構(gòu)，，另一座為抗震結(jié)構(gòu)。。中南加州大大學醫(yī)院（（隔震結(jié)構(gòu)構(gòu)）橄欖景醫(yī)院院（抗震結(jié)構(gòu)））6.2.2基礎隔震裝裝置中南加州大學學醫(yī)院是橡橡膠支座隔隔震系統(tǒng)。地下下一層，地地上7層，建筑面積：33000平方米；最最高高度：：36.0m；鉛芯多層橡橡膠隔震器器68個，多層橡膠隔隔震器81個。地震時，這這棟八層醫(yī)醫(yī)院基礎加加速度為0.49g，而頂層加加速度只有有0.21g,加速度折減減系數(shù)為0.43。在這次地震震及其其后后的余震中中，建筑物物內(nèi)的各種種機器均未損壞，醫(yī)醫(yī)院功能得得到維持，，成為防災災中心，起起到十分重要的作用用。6.2.2基礎隔震裝裝置橄欖景醫(yī)院院為抗震結(jié)結(jié)構(gòu)，其底層加速度度為0.82g，而頂層加加速度為2.31g,加速度放大大系數(shù)為2.8。在此次地震震中，剪力力墻產(chǎn)生剪剪切裂縫，設設備機器、、醫(yī)療機械械及家具等翻倒倒，病歷等等資料掉下下、散亂。而且且水管破裂裂，各層浸浸水，建筑物不能能使用，完完全喪失了了醫(yī)院的功功能。10年后重建，，并增加了了抗震強度度。6.3結(jié)構(gòu)消能減減震6.3.1結(jié)構(gòu)消能減減振體系的的分類結(jié)構(gòu)消能減減振體系由由主體結(jié)構(gòu)和和消能部件件（消能裝置置和連接件件）組成，，可以按照照消能部件件的不同““構(gòu)件型式式”分為以以下類型：：（1）消能支撐撐：可以代代替一般的的結(jié)構(gòu)支撐撐，在抗震震和抗風中中發(fā)揮支撐撐的水平剛剛度和消能能減振作用用。消能能裝裝置置可可以以做做成成方框框支支撐撐、、圓圓框框支支撐撐、、交交叉叉支支撐撐、、斜斜桿桿支支撐撐、、K型支支撐撐等6.3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)消消能能減減振振體體系系的的分分類類6.3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)消消能能減減振振體體系系的的分分類類（2）消消能能剪剪力力墻墻：可可以以代代替替一一般般結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的剪剪力力墻墻，，在在抗抗震震和和抗抗風風中中發(fā)發(fā)揮揮支支撐撐的的水水平平剛剛度度和和消消能能減減震震作作用用。。消能能剪剪力力墻墻的的形形式式主要要有有：：6.3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)消消能能減減振振體體系系的的分分類類（3）消消能能節(jié)節(jié)點點：：在在結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的梁梁柱柱節(jié)節(jié)點點或或梁梁節(jié)節(jié)點點處處安安裝裝消消能能裝裝置置。。當結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)產(chǎn)產(chǎn)生生側(cè)側(cè)向向位位移移、、在在節(jié)節(jié)點點處處產(chǎn)產(chǎn)生生角角度度變變化化或或者者轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動式式錯錯動動時時，，消消能能裝裝置置即即可可以以發(fā)發(fā)揮揮消消能能減減震震作作用用。。6.3.1結(jié)構(gòu)消能能減振體體系的分分類（4）消能聯(lián)聯(lián)接：在結(jié)構(gòu)的的縫隙處處或結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件之之間的聯(lián)聯(lián)結(jié)處設設置消能能裝置。。當結(jié)構(gòu)在在縫隙或或聯(lián)結(jié)處處產(chǎn)生相相對變形形時，消消能裝置置即可以以發(fā)揮消消能減震震作用6.3.1結(jié)構(gòu)消能能減振體體系的分分類（5）消能支支承或懸懸吊構(gòu)件件：對于某些些線結(jié)構(gòu)構(gòu)（如管管道、線線路，橋橋梁的懸懸索、斜斜拉索的的連接處處等），，設置各各種支承承或者懸懸吊消能能裝置，，當線結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生生振（震震）動時時，支支承或者者懸吊構(gòu)構(gòu)件即發(fā)發(fā)生消能能減震作作用。6.3.1結(jié)構(gòu)消能能減振體體系的分分類目前最常常見的消消能器為為粘滯（流流體）阻阻尼器和粘彈性阻阻尼器。。粘滯（流流體）阻阻尼器：基本原理理是與結(jié)結(jié)構(gòu)共同同工作的粘粘滯流體體阻尼器器的導桿受受力，推推動活塞塞運動，活活塞兩邊邊的高粘粘性阻尼介介質(zhì)產(chǎn)生生壓力差差，使阻