建筑抗震與設(shè)防-第八章 減震隔震

第8章隔震、減震與結(jié)構(gòu)控制初步§8.1結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展§8.2隔震原理與方法§8.3減震原理與方法§8.4結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制初步剛性結(jié)構(gòu)體系：結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)接近地面地震運(yùn)動(dòng)，一般不發(fā)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞但浪費(fèi)材料。

柔性結(jié)構(gòu)，通過大大減少結(jié)構(gòu)物的剛性來(lái)避免結(jié)構(gòu)與地面運(yùn)動(dòng)發(fā)生類共振，從而減輕地震力。但是，這種結(jié)構(gòu)體系在地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)位移過大，在較小的地震時(shí)即可能影響結(jié)構(gòu)的正常使用

延性結(jié)構(gòu)通體系過適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度與強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在強(qiáng)烈地震時(shí)進(jìn)人非彈性狀態(tài)后仍具有較大的延性，從而可以通過塑性變形消耗地震能量，使結(jié)構(gòu)物至少保證“壞而不倒”，在現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)延性結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)是工程師所追求的抗震基本目標(biāo)。8.1結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展

然而，延性結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)，仍然是處于被動(dòng)地抵御地震作用的地位。對(duì)于一般性建筑物，當(dāng)遭遇相當(dāng)基本烈度的地震襲擊時(shí)，結(jié)構(gòu)即可能進(jìn)人非彈性破壞狀態(tài)，從而導(dǎo)致建筑物裝修與內(nèi)部設(shè)備的破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)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(shè)備的破壞可以導(dǎo)致生命線網(wǎng)絡(luò)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(huì)的發(fā)展，各種昂貴設(shè)備在建筑物內(nèi)部配置的增加，延性結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用也有了一定的局限性。面對(duì)新的社會(huì)要求，各國(guó)地震工程學(xué)家一直在尋求新的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)途徑。

隔震是通過某種隔離裝置，將地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)隔開，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)。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(shù)又稱結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制。它是通過自動(dòng)控制系統(tǒng)主動(dòng)地給結(jié)構(gòu)施加控制力，以期達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。目前，結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)已基本進(jìn)人實(shí)用階段，而對(duì)于減震與制振技術(shù)，則正處于研究、探索、部分應(yīng)用于工程實(shí)踐的時(shí)期。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(shè)置隔震層，使之與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)頂面分離開，從而限制地震動(dòng)向結(jié)構(gòu)物的傳遞。大量試驗(yàn)研究工作表明:合理的結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)，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(zhǎng)了結(jié)構(gòu)物的周期，因而，結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)得到進(jìn)一步降低。與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)在一定程度上有所增加。

在進(jìn)行基底隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(yīng)盡可能小，以使結(jié)構(gòu)周期盡可能遠(yuǎn)離地震動(dòng)的優(yōu)勢(shì)周期范圍;(2)保證在風(fēng)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(fēng)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(dòng)力分析模型可根據(jù)具體情況選用單質(zhì)點(diǎn)模型、多質(zhì)點(diǎn)模型，甚至空間分析模型。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度遠(yuǎn)大于隔震層的水平剛度時(shí)，可以近似認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)是一個(gè)剛體，從而將隔震結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行分析。

當(dāng)要求分析上部結(jié)構(gòu)的細(xì)部地震反應(yīng)時(shí)，可以采用多質(zhì)點(diǎn)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(jiǎn)化模型的結(jié)果。例如，對(duì)于多質(zhì)點(diǎn)模型，隔震層可用一個(gè)水平剛度為Kh，阻尼系數(shù)為C的結(jié)構(gòu)層簡(jiǎn)化為：隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖這樣，就可以采用時(shí)程分析方法進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的地震反應(yīng)分析。也可以采用反應(yīng)譜方法進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析，但這時(shí)采用的反應(yīng)譜應(yīng)是經(jīng)過阻尼比調(diào)整后的反應(yīng)譜曲線。

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(guó)抗震規(guī)范采用水平向減震系數(shù)的概念來(lái)反映這一特點(diǎn)，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(shè)防時(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系層間剪力最大比值0.530.350.260.18水平向減震系數(shù)0.750.500.380.258.2.2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(dāng)小變形時(shí)，其剛度很大，這對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能有利。當(dāng)大變形時(shí)，橡膠的剪切剛度可下降至初始剛度的1/5一1/4，這就會(huì)進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)頻率，減少結(jié)構(gòu)反應(yīng)。當(dāng)橡膠剪應(yīng)變超過50%以后，剛度又逐漸有所回升，起到安全閥的作用，對(duì)防止建筑的過量位移有好處。橡膠支座隔震裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理確定隔震支座承受的應(yīng)力。我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)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(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)超過表8-2的規(guī)定。在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力。橡膠隔展支座平均壓應(yīng)力限值建筑類別甲類建筑乙類建筑丙類建筑平均壓應(yīng)力（MPa）101215注:1.對(duì)需驗(yàn)算傾覆的結(jié)構(gòu)，平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)包括水平地震作用效應(yīng);2.對(duì)需進(jìn)行豎向地震作用計(jì)算的結(jié)構(gòu)，平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)包括豎向地震作用效應(yīng);3.當(dāng)橡膠支座的第二形狀系數(shù)小于5.0時(shí)，應(yīng)降低平均壓應(yīng)力限值;直徑小于300mm的支座，其平均壓應(yīng)力限值對(duì)丙類建筑為12MPa。

2.滾動(dòng)隔震滾動(dòng)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(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)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(dòng)，因而該裝置具有自己復(fù)位的能力。滾珠隔震裝置在一個(gè)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(xué)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(fēng)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(fēng)穩(wěn)定裝置。

一般說來(lái)，采用滾動(dòng)隔震裝置時(shí)，應(yīng)注意安裝有效的限位、復(fù)位機(jī)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。

3.滑動(dòng)支座隔震這種隔震方法是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置可以相互滑動(dòng)的滑板。風(fēng)載或小地震時(shí)，靜摩擦力使結(jié)構(gòu)固結(jié)于基礎(chǔ)之上。大震時(shí)，結(jié)構(gòu)水平滑動(dòng)，地震作用減小，滑板間摩擦阻尼同時(shí)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(shè)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。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(shí)，結(jié)構(gòu)在任意時(shí)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(diǎn)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(yīng)的降低。另一方面，從動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)看，耗能裝置的作用，相當(dāng)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(yīng)減小。在風(fēng)和小震作用下，耗能裝置應(yīng)具有較大的剛度，以保證結(jié)構(gòu)的使用性能。在強(qiáng)烈地震作用時(shí)，耗能裝置應(yīng)率先進(jìn)人非彈性狀態(tài)，并大量消耗地震能量。試驗(yàn)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(yīng)分析可以采用的時(shí)程反應(yīng)分析方法。