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1、隔震与耗能减震房屋设计简介减轻地震灾害的途径：“预”地震预报“防”抗震措施“控”震动控制抗震设计思想的发展：刚性结构地震作用太大，结构像碉堡，材料浪费严重柔性结构地震作用小，可避免共振，但结构水平位移大，影响正常使用,延性结构在保证一定强度的条件下，具备足够的刚度、变形能力和耗能能力隔震结构通过隔震装置将结构和地震动隔开，从而减小震动消能减震结构通过采取一定的耗能装置或附加子结构，吸收或消耗地震传给肢体结构的能量，从而减轻结构震动制振结构通过自动控制系统主动地给结构施加控制力，改变结构的振动特性，从而减小结构震动,抗震结构 利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，吸收地震能量 立足于“抗
2、”。隔震结构 在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻止地震能量向上传递 立足于“隔”。结构减震控制根据是否需要外部能源输入可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。被动控制不需要外部能源输入提供控制力，控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息的控制方法。,主动控制需要外部能源输人提供控制力，控制过程依赖于结构反应信息或外界干扰信息的控制方法。被动控制的常用手段：基础隔震、耗能减震、吸振减震。目前，基础隔震应用与工程；减震、吸振处于研究、探索并部分应用于工程实践的时期。,9.1 基础隔震1.基础隔震系统需具备以下四种特性：承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量；隔震特性：具
3、有足够的水平初始刚度，在风载和,小震作用下，体系能保持在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正常的使用要求。耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的 能量，从而降低 上部结构所吸收 的地震能量。2.早期隔震技术,基础隔震概念最早是由日本学者河合浩藏于1881年提出的，认为先在地基上纵横交错放置几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在混凝土基础上盖房，以削弱地震传递的能量1909年，美国的J.A.卡兰特伦茨提出了另外一种隔震方案，即在基础与上部建筑物之间铺一层滑石或云母，这样地震时建筑物会
4、发生滑动，以达到隔离地震的目的 1921年，美国工程师FL莱特在设计日本东京帝国饭店时，有意用密集的短桩穿过表层硬土，直接插到软泥土层底部，利用软泥土层作为隔震层1923年关东大地震发生，附近同类建筑毁坏严重，但这个建筑却保持完好,1924年，日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱脚与基础之间插入轴承的隔震方案1927年，日本的中村太郎论述了加装阻尼器吸能装置，在隔震理论方面进行了有益的探索在这一阶段，虽然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理论基础，但限于当时的水平与条件，基础隔震技术的应用未被很好地研究与开发基础隔震第一次用于旧房的加固改造是美国盐湖城市政大楼 新西兰于1981 年建成的威廉克雷顿大
5、楼，是世界上第一个采用铅芯橡胶支承的结构 1982 年日本建成第一座现代隔震建筑,是一座两层民宅。,洛杉矶南加州大学(USCUniversity)医院经受1994 年1 月17 日美国加州北岭6.7 级地震，日本West 大厦1995 年1 月17 日日本兵库县南部阪神7.2 级地震中表现出良好的隔震性能，这使得隔震技术越来越为广大的工程人员和社会所接受。世界上首座使用铅芯橡胶支座的建筑是1981 年在新西兰建造的惠灵顿William Clayton 大楼,这是一座四层高的钢筋混凝土办公楼,紧靠惠灵顿断层。1985 年,美国建成的加州圣丁司法事物中心是美国的第一座隔震建筑,也是世界上第一座采用
6、高阻尼橡胶隔震支座的建筑。1986 年在西昌市建成一幢采用石墨砂浆层隔震的建筑,1995 年在新疆独山子建成一幢采用聚四氟乙烯滑移板隔震的房屋。1993年在汕头建成第一幢叠层橡胶垫隔震房屋，已经受7.3 级台湾海峡地震考验 1994 年在安阳建成无黏结叠层橡胶垫隔震房屋。目前隔震技术的应用程度在日本等国家，已经成为建筑的主导；我国将在2008年（在应用面积上）首次超过日本。,日本东京帝国饭店,汕头市陵海路38号，世界第一幢橡胶支座隔震住宅楼,房子与地面中间，有一条比手指宽的缝隙,隔震楼的楼梯都是悬空的，避免与地面发生直接接触,沈阳在1996年就建成了国际上第一座采用滑移减震技术的建筑，现在是辽
7、宁省建设科学研究院的一座住宅楼，这座看似普通的砖混结构楼可以抵抗破坏力高达10度烈度的强烈地震而不倒。,提出的隔震结构 下图是于1909年提出的隔震结构(Base-isolated building)方案。这种隔震结构在建筑物结构与基础之间用滑石层隔开，地震时建筑物可以滑动。中村太郎的隔震结构 上图是中村太郎于1927年提出的隔震结构方案。,在这种隔震系统中已使用阻尼泵来耗散地震动的能量，并且在该建筑地下层柱的上下端采用铰接构造，建筑物可以水平自由移动。柔性层隔震结构 柔性层结构隔震概念由Martel在1929年提出，由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)进一步加以研究与
8、完善；下图是真岛健三郎于1934年的柔性层结构。地震时，柔性层进入塑性，结构的刚度变小，结构的基本周 期延长，从而导致 上部结构所受的地 震作用减小。,滚动支撑类隔震系统 为克服柔性层结构所带来的缺陷，科学家们相继提出了多种滚动支撑类隔震系统，工作元件有球形和椭圆形等多种，但由于其隔震是有向性的，而地震是具有无向性，这些类型的隔震系统均未能推广应用。,3.最新隔震技术（1）隔震橡胶支座(The laminated rubber bearing)隔震系统。,应用实例1994年1月17日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级M=6.7，死亡56人，伤7300人，损失很大。震中附近有两座医院，一座为隔
9、震结构，另一座为抗震结构。,中南加州大学医院（隔震结构）,橄榄景医院（抗震结构）,南加州大学医院(The University of Southern California Teaching Hospital)是橡胶支座隔震系统，这栋八层医院基础加速度为 0.49g，而顶层加速度只有0.21g,加速度折减系数为1.8。而抗震结构橄榄景医院(The Olive View Hospital)的底层加速度为 0.82g，而顶层加速度为2.31g,加速度放大系数为2.8，由此可见橡胶支座隔震系统的优越性。,中南加州大学医院,地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；占地：4100平米；最高高度：
10、36。0m；铅芯多层橡胶隔震器68个，多层橡胶隔震器81个。,中南加州大学医院在这次地震及其其后的余震中，6-8英尺高的花瓶等没有一个掉下来，建筑物内的各种机器等均未损坏，医院功能得到维持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。,橄榄景医院在1971年 圣费尔南多地震中受 到较大损害，10年后 重建，并增加了抗震 强度。在此次地震中，剪力 墙产生剪切裂缝，设 备机器、医疗机械及家具等翻倒，病历等资料掉下、散乱。而且水管破裂，各层浸水，建筑物不能使用，完全丧失了医院的功能。一九九四年九月十六日，台湾海峡发生了7.3级地震，震源距离汕头市约200公里，汕头市烈度为6度，各类房屋摇晃厉害，居民惊惶失措，
11、水桶里,陇南邮政职工住宅楼（8区，基础隔震，未破坏）,伊斯坦布尔国际机场防震候机楼,伊斯坦布尔国际机场防震候机楼,的水溅出了1/3左右而陵海路隔震楼上的人并没有感到晃动，听到毗邻楼房和邻街喧闹声后下楼才知道发生了地震。（2）隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座等。天然夹层隔震橡胶支座 天然夹层橡胶支座构造如图 所示。天然夹层橡胶支座具 有较大的竖向刚度，承受建 筑物的重量时竖向变形小，而水平刚度较小，且线性性能好。由于天然夹层橡胶支座的阻尼很小，不具备足够的耗能能力，所以在结构使用中一般同其它阻尼器或耗能设备联合使用。,铅芯隔震橡胶支座 铅芯橡胶支座构造如图所示。因为
12、铅芯橡胶支座不但具有较 理想的竖向刚度，而且本身具 有消耗地震能量的能力，故铅芯橡胶支座在结构使用中受到广泛欢迎。,叠层橡胶支座中间钻孔灌入铝芯提高支座大变形时的吸能能力,橡胶片,钢板,世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑(The William Clayton Building,New Zealand)和世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。,日本1997年度评定的隔震建筑中，采用铅芯橡胶支座隔震房屋占总数的40%，美国在1985年以后兴建的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的60.7%，我国在已建成的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数
13、的60%。4.隔震原理,基础上部部分,隔震层隔开限制地震动向结构物的传递,固结于地基中的基础,从图中可以看出，对建筑物地震反应有重要影响的主要因素有两个：一是结构的周期，一是阻尼比普通非隔震中低层建筑物的刚度大、周期短，其基,A,B,C,A,B,C,本周期正好在地震输入能量最大的频段上因此相应的加速度反应比地面运动放大得多，而位移反应却较小，如图中A点所示如果延长建筑物的周期，而保持阻尼不变，则加速度反应被大大降低，但位移反应却有所增加，如图中B点所示如果继续加大结构的阻尼，加速度反应则继续减弱，且位移反应也得到明显降低，如图中C点这就是说，通过延长结构的周期并给予较大的阻尼，就可使结构上的加
14、速度反应大大降低同时，对结构产生的较大位移可由上部结构底部和基础顶部之间设置的隔震层来提供，而不由上部结构自身的相对位移来承担这样，上部结构在地震过程中就会发生接近平移的运动，大大提高了上部结构的安全度,基底隔震结构设计应注意:在满足必要的竖向承载力的前提下，隔震装置的水平刚度应尽可能小，以使结构周期尽可能远离地震动的 卓越周期范围。保证隔震结构在强风作用下不致有 太大的位移。通常要求在隔震结构 系统底部安装风稳定装置或用阻尼器与隔震装置联合构成基底隔震系统。5.其他隔震装置滚珠隔震装置,已用于墨西哥城内一座五层钢筋混凝土框架结构的学校建筑中，该装置是在一个直径为50cm的高光洁度的圆钢盘内，
15、安放400个直径为0.97cm的钢珠。钢珠用钢箍圈住，不致散落，上面再覆盖钢盘。安放在房屋底层柱脚和地下室柱顶之间。为保证不在风载下产生过大的水平位移，在地下室采用了交叉钢拉杆风稳定装置。,摇摆隔震支座。在杯形基础内设一个上下两端有竖孔的双圆筒摇摆体。竖孔内穿预应力钢丝束并锚固在基础和上部盖板上，起到压紧摇摆体和提供复位力的作用。在摇摆体和基础壁之间填以沥青或散粒物，可为振动时提供阻尼。经试验证实：当地面加速度幅值达330cm/s2时，被隔震房屋的加速度反应被降低到无隔震反应的1/3左右。我国山西省的悬空寺，历史上经历多次大地震而仍完整无损。分析认为是其特有的支撑木柱起到了摇摆支座隔震的作用。
16、,不倒翁式（伊朗）隔震房屋。该房屋顶面半径显著大于底面半径，能起提供复位力的作用。,9.2 耗能减震结构在结构中的某些部位设置消能装置，通过消能装置耗散或吸收地震能量，从而减小主体结构地震反应。1.耗能装置（1）调频质量阻尼装置由质量、弹性元件和阻尼器构成的振动系统，将其安装在结构上，结构振动时引起该系统的共振，由此产生的惯性力反作用于结构，起到减小结构振动反应的作用。（2）调频液体阻尼装置由具有一定形状的盛液容器构成，液体晃动时，液体对容器箱壁产生动压力，同时液体晃动产生阻尼吸收一部分能量。,Taylor公司的50,000磅（22.7吨）液体粘滞阻尼器,美国乔治亚州Sidney Lanier
17、 桥,斜拉桥拉索用阻尼器,振动缓冲器,金属密封无摩擦阻尼器,位移限位阻尼器,美国蓝湖公司和建研院抗震所一起在1999年北京站抗震加固中采用了泰勒公司先进的阻尼器。因场地的限制，北京站大厅无法用传统的剪力墙抗震，经设计，采用每个方向16个130吨（300kp）非线性液体粘滞阻尼器，阻尼器可以使原结构的阻尼比从5%（一般钢筋混凝土结构）提高到了20%，从而把大震下的层向位移降低到弹性范围内。,粘弹性耗能装置由粘弹性材料和约束钢板构成，通过夹在钢板之间的粘弹性材料发生剪切变形而耗散能量。（3）粘滞耗能装置由缸体、活塞、和液体构成，活塞在缸体内往复运动，粘滞液体从一端流向另一端产生阻尼力，阻碍结构的振
18、动。1972年建成的110层纽约世贸大厦共安装了1万个粘弹性耗能装置；西雅图76层哥伦比亚大厦安装,了260个粘弹性耗能装置；1988年北京饭店和北京火车站在抗震加固中，分别采用了法国和美国生产的粘弹性耗能装置。（4）摩擦耗能装置由摩擦元件构成，这些元件相互滑动产生摩擦力，从而耗散结构的部分振动能量。,（5）金属耗能支撑由金属材料制成的耗能装置，其耗能机理是通过金属元件的弹塑性变形来耗能。,支撑交叉处通过钢框或钢环的塑性变形消耗地震能量,在支撑杆或节点板上开长圆孔,偏心支撑,耦撑框架,北京工人体育场,北京工体共安装200套粘滞流体阻尼器（2008年现代化改造）,液壓型阻尼器,北京银泰中心63层
19、、249.9m高钢结构写字楼高，73个粘滞阻尼器改善风荷载下的舒适度；同时提高了结构的抗震性能。,墨西哥市长大楼：墨西哥发生7.6级地震，墨西哥大打面积强烈震动。2700座建筑倒塌，13000座建筑严重破坏，安装了98个粘滞阻尼器的墨西哥市长大楼安然无恙。,积水潭医院粘滞型阻尼器抗震加固工程。,液压质量控制装置由液压缸、活塞、管路和质量块构成，当结构由地面运动产生振动时，油缸的活塞推动管路中的液体，使液体和质量随之振动。结构的一部分振动能量传递给了该系统。2.耗能减震原理 结构任意时刻的能量方程为：,地震过程中输入给结构的能量,结构主体自身的耗能,附加耗能构件的耗能,能量观点：一定 结构地震反
20、应的降低,动力学观点：耗能装置的作用，相当于结构的阻尼，必使结构地震反应,在风、小震作用下结构中的耗能装置应具有较大的刚度，消耗地震能量，保证结构的使用性能。在强震作用下，耗能装置率先进入非弹性状态，大量消耗地震能量，减轻结构震动。有试验表明，耗能装置可做到消耗地震总输入能量的90%以上。9.3 吸振减震1.吸振减震原理在建筑结构上做一附加子结构，地震作用时，地震能量转移至附加子，主体结构的地震反应大大缓解。附加子系统TMD,运动平衡方程：,-主体结构质量,-阻尼系数,-刚度,-附加子结构质量、阻尼系数、刚度,地震动含有多种频率分量，结构系统也必然是有阻尼系统,子结构频率接近或等于主结构频率时
21、,主结构的地震反应总是可以得到一定程度的降低,R是主结构的振动控制频率参数当R1时，表示具有减震效果.,大量理论分析结果表明：,主结构的阻尼比越小，吸振装置的减震作用越大；,质量比增加，减震作用增大。,调频质量阻尼器（TMD）,调频质量阻尼器是包括质量系和弹簧、阻尼系的小型振动系统,通过弹簧连接于主体结构，可安装在高耸结构或高层建筑的顶部。,调谐质量阻尼器(TunedMassDamper，简称TMD)是目前高层建筑与高耸结构振动控制中应用最早的结构被动控制装置之一。该系统是一个由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动系统，一般支撑或悬挂在结构上。TMD系统对结构进行振动控制的机理是：当结构在外激励作用
22、下产生振动时，带动TMD系统一起振动，TMD系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，调谐这个惯性力，使其对结构的振动产生控制作用，从而达到减小结构振动反应的目的。经过学者们大量的研究，结果表明，调谐TMD系统的自振频率与结构某一振型自振频率一致时，TMD系统对此振型的振动反应控制效果最佳。,该系统是一个由弹簧、阻尼器和质量块组 成的振动系统，一般 支撑或悬挂在结构上。TMD系统对结构进 行振动控制的机理是：当结构在外激励作用 下产生振动时，带动TMD系统一起振动，TMD系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，调谐这个惯性力，使其对结构的振动产生控制作用，从而达到减小结构振动反应的目的。当调谐T
23、MD系统的自振频率与结构某一振型自振频率一致时，TMD系统对此振型的振动反应控制效果最佳。,例如，1976年建成的美国波士顿60层的John Hancock大楼，在58层上安装了两个重300吨的TMD装置。每个装置由长、宽各为5.1m、高0.9m的钢板箱中灌满铅组成，箱子可在90m长的钢板上滑动。TMD的弹性恢复力由弹簧提供，阻尼由粘滞阻尼缸提供。近年来的研究表明，TMD比较适合于阻尼比较小的钢结构或桥梁结构的风振控制，对于阻尼比较大的混凝土高层建筑结构的振动控制尤其是地震反应控制，效果往往不大明显。,芝加哥凯悦酒店大楼共67层，钢筋混凝土结构,大楼结构相对较柔，为减少大楼侧向加速度与满足大楼
24、振动及舒适度要求，设计及装设调质阻尼器（TMD）系统於大楼顶部。其自振频率设计成与主体结构的主要自振频率接近，附加体系的振动反应会非常强烈，对主体结构产生一个抵消外力作用的反向力，起到减轻主体结构振动的作用。这时候，TMD就相当于一个“吸振器”，将主体结构的振动吸收到附加结构上，以附加结构的较大幅度的振动为代价，来消减结构的振动反应。,郑州国际会展中心：为减少二楼舞厅的楼面震动，安装了36套TMD减震系统以及144个小型粘滞阻尼器。,调谐液体阻尼器（TLD）,将装水的容器置于结构物上，结构振动时，水的振荡也能形成一个调频质量阻尼器,设计TLD时，应尽量使水的振荡周期接近结构的固有周期。水的振荡
25、频率公式为：,水深,水面波的波长,TLD也已应用于多个实际工程中，比较著名的有安装于日本横滨市的马林塔（105m高）和长崎航空港管制塔上的TLD装置，经观测证实，确有减振效果。,9.4结构主动控制初步被动控制：不需外部能源主动控制：利用外部能源，在结构受地震激励而运动的过程中，实时施加控制力，以减小结构地震反应。,半主动控制：利用很少的外部能源，适时改变结构的动力特性，以减小结构地震反应。,主动控制形式,半主动控制体系,香港汇丰银行（悬挂隔震）,美国南加州大学医院（隔震结构）,台北101大厦安装在92层的重达800吨的悬浮阻尼球，大震或强台风时，大圆球会吸收大楼的振动，再将能量传递、发散到下方的弹簧系统。,北京地铁地面枢纽站大面积平台上隔震住宅楼,北京四惠东地铁总站,在平台上几十栋小高层负一层共计安装300多套粘滞液体阻尼器,北京地铁地面枢纽站RC平台上隔震房屋大RC平台（2000米x1500米）上建造48 幢9层的隔震住宅楼隔震建筑面积480,000M2，目前世界最大隔震建筑。北京地铁地面枢纽站大面积隔震住宅楼技术经济效益：1）抗震安全度提高4倍 2）平台的地震反应降为2/3，解决了已建平台抗震性能不足的设计“瓶颈”3）住宅面积增加近10万平方米（房屋从6层增加到9层）4）增创直接产值2.4亿元,
