隔震技術(shù)概述

《結(jié)構(gòu)抗震工程概論》姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：專業(yè)：授課教師：隔震概述摘要：傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法是考慮結(jié)構(gòu)的延性來耗散地震能量。但問題在于它是用結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件本身來抵御地震，為了經(jīng)濟(jì)起見往往使承重構(gòu)件在塑性階段工作。這樣受到一次強(qiáng)烈地震時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在利用它的延性和自身變形能力耗散地震能量的同時(shí)，自身機(jī)構(gòu)也受到了破壞。為解決這個(gè)問題，在結(jié)構(gòu)上附加各種耗能阻尼器，以吸收地震能量，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，從而促進(jìn)了工程減震技術(shù)的迅速發(fā)展?，F(xiàn)在，以改變結(jié)構(gòu)頻率為主的隔震技術(shù)是結(jié)構(gòu)抗震控制技術(shù)中研究和應(yīng)用最多、最成熟的技術(shù)。關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)、隔震技術(shù)、耗能阻尼器1前言隔震主要是指在建筑結(jié)構(gòu)地面以下部分設(shè)置隔震裝置（或機(jī)構(gòu)），以減弱地震動(dòng)輸入給地面以上結(jié)構(gòu)的能量，減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)而采取的一種結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)措施。隔震的概念由來已久，早在我國古代人們已經(jīng)懂得用蒸熟的糯米和石灰混合，利用具有柔性和衰減性能的糯米層對(duì)地震能量的吸收能力，對(duì)一些重要的建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行處理，從而起到了隔震效果。在日本，人們也早已懂得利用增加強(qiáng)度和阻尼控制結(jié)構(gòu)反應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行減震隔震處理，譬如，在7世紀(jì)和8世紀(jì)建成的法隆寺五重塔，就是該塔上部吊有象電線竿那樣的長(zhǎng)木竿，竿的自重對(duì)五重塔起到了預(yù)壓力作用，提高了塔的抗彎能力，竿的下部置于比竿直徑還大的圓筒形洞內(nèi)，地震時(shí)五重塔振動(dòng)的一部分能量被竿的振動(dòng)所轉(zhuǎn)移，竿猶如振子振動(dòng)碰撞洞壁，使能量耗散（這種方法與近代許多控制系統(tǒng)所采用的原理一致）。2隔震簡(jiǎn)介與技術(shù)發(fā)展2.1隔震的必要性工程結(jié)構(gòu)在地震作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，過大的結(jié)構(gòu)振動(dòng)現(xiàn)象不僅會(huì)影響到結(jié)構(gòu)物的正常使用，還會(huì)造成主體結(jié)構(gòu)的破壞、甚至倒塌。有的雖然主體結(jié)構(gòu)未破壞，但由于建筑飾面、裝修或非結(jié)構(gòu)配件、室內(nèi)昂貴儀器、設(shè)備的破壞而導(dǎo)致嚴(yán)重的損失。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)都是通過提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和變形能力來保證結(jié)構(gòu)抗震安全性的，結(jié)構(gòu)的抗力與其強(qiáng)度和變形有關(guān)，而強(qiáng)度和變形的乘積是衡量結(jié)構(gòu)耗能能力的標(biāo)志，但是將地震作用看成能量輸入時(shí)，它是一個(gè)較穩(wěn)定的量，主要是與結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量和基本自振周期有關(guān)，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中主要考慮的是安全性，而其它方面的性能卻被忽略了。隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，人們對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性的要求也越來越高，同時(shí)，隨著精密儀器、儀表技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)環(huán)境振動(dòng)的隔離提出了越來越多的要求。因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法必須進(jìn)行改進(jìn)，大力發(fā)展應(yīng)用已成熟的隔震技術(shù)是非常必要的。2.2隔震原理建筑物的地震反應(yīng)取決于自振周期和阻尼特性兩個(gè)因素，因此，只要使結(jié)構(gòu)的自振周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地震動(dòng)的卓越周期，并且想辦法在地震期間，使建筑物基礎(chǔ)不發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)上部在地震期間的位移大幅降低，從而達(dá)到國家規(guī)定的抗震設(shè)防目的：小震不壞，中震可修，大震不倒，甚至大震不壞的目的。基礎(chǔ)隔震的原理就是通過設(shè)置隔震裝置系統(tǒng)形成隔震層，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減小，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)象剛體一樣，自身位移很小，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性狀態(tài)，從而使建筑物不產(chǎn)生破壞或倒塌。因此，隔震層必須滿足①承載特性、②隔震特性、③復(fù)位特性、④阻尼消能特性。2.3隔震系統(tǒng)和分類隔震系統(tǒng)一般由隔震器、阻尼器、地基微振動(dòng)與風(fēng)反應(yīng)控制裝置等部分組成。隔震器的主要作用：一方面在豎向支承建筑物質(zhì)量，另一方面在水平向具有彈性，能提供一定的水平剛度，延長(zhǎng)建筑物的基本周期，以避開地震動(dòng)的卓越周期，降低建筑物的地震反應(yīng)；阻尼器的主要作用是吸收或耗散地震能量，抑制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的位移反應(yīng)，同時(shí)在地震終了時(shí)幫助隔震器迅速復(fù)位；地基微震動(dòng)與風(fēng)反應(yīng)控制裝置的主要作用是增加隔震系統(tǒng)的初期剛度，使建筑物在風(fēng)荷載或輕微地震作用下保持穩(wěn)定。基于可動(dòng)概念的基礎(chǔ)隔震方法，大致可分為彈性支承式隔震、滑動(dòng)式隔震、擺動(dòng)式隔震以及懸吊式隔震四大類。其中，彈性支承式隔震主要有疊層橡膠支座和螺旋彈簧支座等作為隔震器；滑動(dòng)式隔震是在房屋基礎(chǔ)底面或上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置滑移層或滾動(dòng)層，目前主要的隔震措施有滾子隔震（滾柱隔震和滾珠隔震兩種）和滑動(dòng)隔震（在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置帶有滑動(dòng)摩擦材料的裝置，通過滑動(dòng)摩擦起隔震消能作用，目前常用的有：摩擦滑板，橡膠墊加摩擦滑板等）；擺動(dòng)式隔震是將基礎(chǔ)支撐在可擺動(dòng)的短柱群或樁基上，或?qū)⒒A(chǔ)設(shè)計(jì)成底部成球形的整體，在地震作用下，基礎(chǔ)可產(chǎn)生一定的傾向和擺動(dòng)，即以低的剛度控制結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，延長(zhǎng)自振周期，常用的方法包括懸掛柱底隔震法、雙柱網(wǎng)系統(tǒng)隔震法；懸吊式隔震是將整個(gè)結(jié)構(gòu)物懸掛在巨型鋼架或鋼筋混凝土內(nèi)筒上，地震時(shí)，懸掛物和支承協(xié)同工作，使地震作用減小。2.4疊合橡膠支承疊合橡膠支承由于其自身的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)前國外研究最深入、應(yīng)用最廣泛，而且發(fā)展較快、比較成熟、前景廣闊的一種隔震方法。無論是建筑結(jié)構(gòu)抗震還是機(jī)械抗振都有廣泛的應(yīng)用。所謂疊合橡膠是指用橡膠片與薄鋼板交互重疊而成。在小變形時(shí)剛度較大，可保證建筑物的經(jīng)常性使用功能。大變形時(shí)，橡膠剪切剛度下降較多，吸收了地震引起的大部分地震能量，從而大大降低了其上部結(jié)構(gòu)的震動(dòng)頻率和地震反應(yīng)。常用的疊合橡膠支承有三類，即：有天然橡膠制成的疊合橡膠支承，高衰減疊合橡膠支承，帶鉛棒的疊合橡膠支撐。普通的由天然橡膠制成的疊合橡膠支承它只具有彈性性質(zhì)，本身并無顯著的阻尼性能，因此，它通常總是和阻尼器一起并行使用；帶鉛棒的鉛心疊層橡膠支座是在普通疊層橡膠支座中部豎直地灌入鉛棒。這樣提高了支座的吸收能量的能力，又增加了支座的早期剛度，對(duì)控制風(fēng)發(fā)應(yīng)和抵抗地基的微振動(dòng)有利。由于它既有隔震作用又有阻尼作用，因此，它可以單獨(dú)地在隔震系統(tǒng)中使用，而無須另設(shè)阻尼器，使隔震系統(tǒng)的組成變得比較簡(jiǎn)單。由于夾層橡膠墊的剛度和阻尼性能穩(wěn)定，理論計(jì)算、試驗(yàn)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際比值比較吻合，可以通過設(shè)計(jì)計(jì)算，較準(zhǔn)確的控制地震時(shí)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。因此，我國目前實(shí)際使用的隔震結(jié)構(gòu)支承，除摩擦滑移支撐外，大部分為一般疊合橡膠支承。美國、西歐以及日本用的較多的是帶鉛棒的疊合橡膠支承，簡(jiǎn)稱LRB。作為L(zhǎng)RB的阻尼器是通過疊合橡膠體中鉛棒的塑性變形吸收能量來形成的，鉛具有良好的變形能力，從小變形至大變形均顯示出穩(wěn)定的力學(xué)性能。因此，從小變形直到大變形，LRB均可得到較大的阻尼比。小變形時(shí)也可產(chǎn)生較大抵抗力的這種性質(zhì)，對(duì)風(fēng)力的制動(dòng)機(jī)能是有用的，但對(duì)于小地震時(shí)的變形范圍來說，由于等效剛度大，與大地震時(shí)相比變成了短周期，從而導(dǎo)致可能出現(xiàn)隔震性能降低的情況。因此，日本目前又開發(fā)出新的一代隔震支承一一LRB-SP,其特點(diǎn)是將鉛棒的上下部分直徑做成比中間部分小，呈分段圓柱形，中間部分的鉛棒與疊合橡膠緊密接觸，上、下小直徑部分鉛棒通過橡膠襯套與疊合橡膠接觸，當(dāng)發(fā)生中、小變形時(shí)，鉛棒上、下段產(chǎn)生彎曲和剪切的復(fù)合變形，抗力較小；而大變形時(shí)，剪切變形起支配作用，與一般的LRB裝置具有同樣的特性。2.5局部隔震基礎(chǔ)隔震的同時(shí)，我們還必須注意對(duì)一些特殊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部隔震一一層間樓板隔震，它通常在設(shè)置精密儀器或計(jì)算機(jī)的樓層的樓板上再放置一層樓板，形成雙樓板層，兩層樓板間有一定的空間，形成自由通路層，以提供空調(diào)的冷風(fēng)用空間和電纜配線空間，便于維修。但由于僅將上層面板放置在支承腳上，地震時(shí)上層面板會(huì)發(fā)生偏移，機(jī)器易傾倒、移動(dòng)或相互撞擊。因此，需對(duì)兩塊樓板間的自由通道層進(jìn)行加固，并設(shè)法減小傳向精密儀器或計(jì)算機(jī)等的地震能量。一個(gè)有效辦法是將上層面板支承在固定于大梁及小梁的支座上，這些大梁、小梁又支承在疊合橡膠隔震裝置上，每80^2-160^2設(shè)置一臺(tái)隔震裝置，它實(shí)際上包括疊合橡膠支承和一組彈簧阻尼器一豎向螺旋彈簧和豎向阻尼器，以便減小上、下振動(dòng)。四周設(shè)有相互垂直的4個(gè)水平彈簧，用于控制面板能回歸原來位置。每臺(tái)隔震裝置均置于固定在結(jié)構(gòu)樓板的滑板（鋼板）上，通過裝置底板與滑板間的摩擦來吸收地震能量，減小機(jī)器的水平振動(dòng)。為避免上層面板與建筑物柱及墻的沖撞，在它們之間留出間隙，間隙尺寸以計(jì)算面板可能產(chǎn)生的相對(duì)位移大小來確定。3總結(jié)盡管隔震結(jié)構(gòu)至今已做到十幾層的高度，但總的來說，在W類場(chǎng)地土上采用隔震結(jié)構(gòu)宜慎重，因?yàn)殚L(zhǎng)周期地震動(dòng)對(duì)隔震建筑將會(huì)帶來不利的影響。同時(shí)，隔震的考慮方法不易用于高度過高的和從外觀看過于細(xì)長(zhǎng)的建筑物。因?yàn)樵谶@種情況下會(huì)導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生過大的傾覆彎矩。這時(shí)，采用在上部結(jié)構(gòu)上設(shè)置各種阻尼器或調(diào)頻機(jī)構(gòu)等減震措施，對(duì)于耗散地震能量，減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)是比較合適的。所以，不同的結(jié)構(gòu)，及不同的環(huán)境和要求，須有不同隔震設(shè)計(jì)方案，同時(shí)還需要和別的減震方案同時(shí)使用。在我國，乃至世界上，很多較好的方法因?yàn)榧夹g(shù)、材料等很多方面的因素使其在使用上受到限制。現(xiàn)在，隔震理論已發(fā)展比較完善，對(duì)于常用的隔震技術(shù)，對(duì)阻尼研究比較可靠有效，會(huì)有較大的突破。針對(duì)我國的具體情況，今后應(yīng)該更多的在材料和技術(shù)上加以創(chuàng)新和突