隔震与消能减震及非结构构件抗震设计

7.隔震与消能减震及非结构构件抗震设计7.1概述抗震设计：依靠结构的强度、刚度和延性来抵御地震作用立足于“抗”，是一种消极设计方法传统抗震方法存在的问题：（1）结构的安全性难以保证传统抗震方法以既定的“设防烈度”作为设计依据，由于地震的随机性，建筑结构的破损程度及倒塌的可能性难以控制，当发生突发性超烈度地震时，房屋可能会严重破坏。7.1概述（2）建筑费用和成本大幅度增加传统方法是在设计时提高材料强度、加大构件（结构）刚度，其结果是断面越大，刚度越大，使用面积减少，建筑物自重增大，地震作用亦随之增大。（3）适用范围受到限制传统抗震方法采用的是延性结构体系，允许结构部件在强震时发生比较大的塑性变形，以消耗地震能量，减轻地震反应，这种方法对于某些不容许在地震中出现破坏的结构、或内部有贵重装饰、重要设备仪器的结构是不适用的。7.1概述（4）施工难度大结构构件和节点的钢筋配置过密，9度区甚至无法排布。（5）建筑物的高度受到限制等。为克服传统抗震方法的缺陷，结构振动控制技术（简称“结构控制”）逐渐发展起来。结构控制的概念：通过对结构施加控制机构，由控制机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的振动反应，使它在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。

7.1概述结构控制的概念：在工程结构的特定部位装设某种装置（如隔震垫等）、或某种机构（如消能支撑、消能剪力墙、消能节点、消能器等）、或某种子结构（如调频质量等）、或施加外力（外部能量输入）、或调整结构的动力特性，使工程结构在地震（或风）的作用下，其结构的动力反应（加速度、速度、位移）得到合理的控制，从而确保结构本身及结构中的人、仪器设备、装修等的安全或处于正常的使用状态。结构控制技术按控制措施实施的方式不同，一般分为被动控制（PassiveControl）、主动控制（ActiveControl）、半主动控制（Semi—ActiveControl）和混合控制（HybridControl）四类。7.1概述（1）被动控制（PassiveControl）①隔震：在建筑物适当部位设置隔震装置，切断或削弱地面运动向上部结构的传递，并提供适当的阻尼，从而使上部结构的地震作用大大降低，耗能能力加强。如叠层橡胶垫支座、高阻尼橡胶垫支座、滑移隔震支座和混合隔震装置等。7.1概述②结构自控：通过在结构中优选耗能材料和耗能杆件，设置多道抗震防线达到耗能减振的目的。

常见的有：竖向通缝SW（剪力墙）、周边缝SW、双功能连梁、带抗震连梁的SW、顶层为刚性连梁的SW、偏交支撑、梁端设塑性铰的框架、悬挂式结构、底层设消能缝的砖混结构。7.1概述③结构附加装置控制：在结构的适当位置安放耗能减振装置，以达到耗能减振的目的。

主要有：各种耗能支撑、预应力摩擦墙、金属阻尼器、摩擦阻尼器、调频质量阻尼器（TMD）、调频液体阻尼器（TLD）、粘滞流体阻尼器和粘弹性阻尼器等等。7.1概述（2）主动控制（ActiveControl）指有外加能源的控制，其工作原理为：7.1概述常见的类型有：主动调频质量阻尼器(ActiveTunedMassDamper,简称AMD)；主动支撑系统（ActiveBrace）；主动拉索控制器（ActiveTendon）；主动空气挡风板控制器（ActiveAerodynamicAppendayes）等。7.1概述（3）混合控制（HybridControl）

混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构上的结构振动控制形式。从其元素所起作用的相对大小来看，有两种组合方式：

一种是主从组合方式，即以某一控制为主控制部件，其他部件通过主要部件实现对结构的控制。7.1概述

另一种是并列组合方式，即两种控制各自独立工作，对结构实施校正作用。目前，较为典型的几种混合控制装置有：AMD与TMD相组合，AMD与TLD相组合，主动控制与基础隔震相组合，主动控制与耗能减振相组合，HMS（液压－质量振动控制系统）与AMD相组合等。7.1概述

结构消能减震建筑的特点：1.消能减震装置可同时减少结构的水平和竖向的地震作用，适用范围较广，结构类型和高度均不受限制；2.消能减震装置应使结构具有足够的附加阻尼，以满足罕遇地震下预期的结构位移要求；3.由于消能减震结构不改变结构的基本型式，除消能部件和相关部件外，结构设计仍可按照《规范》对相应结构类型的要求执行。7.1概述消能减震技术的优越性：1、安全性：消能构件或消能装置在强震中能率先消耗的地震能量，迅速衰减结构的地震反应并保护主体结构和构件免遭破坏，确保结构的安全。消能减震结构的地震反应比传统结构降低40%—60%。2、经济性：消能减震结构可以减少剪力墙的设置，减少结构断面和配筋，可节约造价5%—10%。若用于旧建筑物的抗震加固，则可节约造价10%—60%。3、技术合理性：结构越高、越柔，消能减震效果越显著7.2结构隔震设计结构隔震主要有基底隔震和悬挂隔震两种基底隔震原理在结构物底部与基础顶面之间设置隔震消能装置，使之与固结于地基中的基础顶面分开，限制地震动向结构物传递。基底隔震原理为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四种特性：(1)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；(2)隔震特性：具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；(3)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。基底隔震原理(4)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。

基底隔震的适用范围：高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的多层和中高层结构基础隔震装置隔震装置由隔震器、阻尼器和复位装置组成隔震器的作用：支承上部结构全部质量，延长结构自振周期，同时具有经历较大变形的能力阻尼器的作用：消耗地震能量，抑制结构可能发生的过大位移复位装置的作用：提高隔震系统早期刚度使结构在微震或风载作用下，能够具有和普通结构相同的安全性目前应用最多的隔震装置为隔震橡胶支座基础隔震装置

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。基础隔震装置

铅芯隔震橡胶支座铅芯隔震橡胶支座由新西兰的ROBINSON及其公司最早研制开发，以后在中国、日本、美国、意大利等国家都得到了较大的发展与应用。

因为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。

基础三隔震三装置基础三隔震三装置下图三分别三是世三界上三第一三栋采三用铅芯三橡胶三支座三隔震的建三筑(Th三e三Wi三ll三ia三m三Cl三ay三to三n三Bu三il三di三ng三,三Ne三w三Ze三al三an三d)和世三界上三使用三铅芯三橡胶三支座三中基三底面三积最三大的三建筑(日本)。基础三隔震三装置日本19三97年度三评定三的隔三震建三筑中三，采三用铅三芯橡三胶支三座隔三震房三屋占三总数三的40三%；美国三在19三85年以三后兴三建的三隔震三房屋三中，三完全三或部三分采三用铅三芯橡三胶支三座的三隔震三房屋三占总三数的60三.7三%；我国三在已三建成三的隔三震房三屋中三，完三全或三部分三采用三铅芯三橡胶三支座三的隔三震房三屋占三总数三的60三%。19三94三年9三月1三6日三，台三湾海三峡发三生了三7.三3级三地震三，震三源距三离汕三头市三约2三00公里三，汕三头市三烈度三为6三度，三各类三房屋三摇晃三厉害三，居三民惊三惶失三措，水桶三里的三水溅三出了三1/三3左三右…三…而陵三海路三隔震三楼上三的人三并没三有感三到晃三动，三听到三毗邻三楼房三和邻三街喧三闹声三后下楼三才知三道发三生了三地震三。基础三隔震三装置19三94年1三月1三7日三，美三国圣三菲尔三南多三发生三洛杉三矶地三震，三震级三M=三6.三7，三死亡三56三人，三伤7三30三0人三，损三失很三大。震中三附近三有两三座医三院，三一座三为隔震三结构三，另一三座为抗震三结构三。中南三加州三大学三医院三（隔三震结三构）橄榄三景医三院（三抗震三结构三）基础三隔震三装置中南加三州大三学医三院是三橡胶三支座三隔震系统三。地三下一三层，三地上7层，三建筑面积三：33三00三0平方三米；三最高三高度三：36三.0三m；铅芯三多层三橡胶三隔震三器68个，多层三橡胶三隔震三器81个。地震三时，三这栋三八层三医院三基础三加速三度为0.三49三g，而三顶层三加速三度只三有0.三21三g,加速三度折三减系三数为1.三8。在这三次地三震及三其其三后的三余震三中，三建筑三物内三的各三种机三器均未损三坏，三医院三功能三得到三维持三，成三为防三灾中三心，三起到三十分重要三的作三用。基础三隔震三装置橄榄三景医三院为三抗震三结构三，其底层三加速三度为0.三82三g，而三顶层三加速度三为2.三31三g,加速三度放三大系三数为2.三8。在此三次地三震中三，剪三力墙三产生三剪切裂三缝，三设备三机器三、医三疗机三械及家具三等翻三倒，三病历三等资三料掉三下、散乱三。而三且水三管破三裂，三各层三浸水三，建筑三物不三能使三用，三完全三丧失三了医三院的三功能三。10年后三重建三，并三增加三了抗三震强三度。7.三3三结构三消能三减震三设计结构三消能三减振三体系三的分三类结构三消能三减振三体系三由主体三结构三和消三能部三件（消三能装三置和三连接三件）三组成三，可三以按三照消三能部三件的三不同三“构三件型三式”三分为三以下三类型三：（1三）消三能支三撑：三可以三代替三一般三的结三构支三撑，三在抗三震和三抗风三中发三挥支三撑的三水平三刚度三和消三能减三振作三用。消能三装置三可以三做成方框三支撑三、圆三框支三撑、三交叉三支撑三、斜三杆支三撑、三K型三支撑等结构三消能三减振三体系三的分三类结构三消能三减振三体系三的分三类（2三）消三能剪三力墙：可三以代三替一三般结三构的三剪力三墙，三在抗三震和三抗风三中发三挥支三撑的三水平三刚度三和消三能减三震作三用。消能三剪力三墙的三形式主要三有：结构三消能三减振三体系三的分三类（3三）消三能节三点：三在结三构的三梁柱三节点三或梁三节点三处安三装消三能装三置。当结三构产三生侧三向位三移、三在节三点处三产生三角度三变化三或者三转动三式错三动时三，消三能装三置即三可以三发挥三消能三减震三作用三。结构三消能三减振三体系三的分三类（4三）消三能联三接：在结三构的三缝隙三处或三结构三构件三之间三的联三结处三设置三消能三装置三。当结三构在三缝隙三或联三结处三产生三相对三变形三时，三消能三装置三即可三以发三挥消三能减三震作三用结构三消能三减振三体系三的分三类（5三）消三能支三承或三悬吊三构件三：对于三某些三线结三构（三如管三道、三线路三，桥三梁的三悬索三、斜三拉索三的连三接处三等）三，设三置各三种支三承或三者悬三吊消三能装三置，三当线三结构三发生三振（三震）三动时三，三支承三或者三悬吊三构件三即发三生消三能减三震作三用。结构三消能三减振三体系三的分三类目前三最常三见的三消能三器为粘滞三（流三体）三阻尼三器和粘弹三性阻三尼器三。粘滞三（流三体）三阻尼三器：基本三原理三是与三结构三共同工作三的粘三滞流三体阻三尼器的导三杆受三力，三推动三活塞运动三，活三塞两三边的三高粘性阻三尼介三质产三生压三力差三，使阻三尼介三质通三过阻三尼孔三，产生三阻尼三力。结构三消能三减振三体系三的分三类结构三消能三减振三体系三的分三类阻尼三器的三构造结构三消能三减振三体系三的分三类1、三主缸三2三、副三缸三3、三导杆三4三、活三塞5、三阻尼三材料三（硅三油或三液压三油）三6、三阻尼三孔结构三消能三减振三体系三的分三类阻尼三器的三试验三装置结构三消能三减振三体系三的分三类阻尼三器的三试验三装置结构三消能三减振三体系三的分三类粘弹三性消三能器通常三由钢三板和三固体三粘弹三性材三料交三替叠三合而三成。其原三理是通三过粘三弹性三材料三的往三复剪三切变三形来三耗散三能量三。结构三消能三减震三设计三的应三用西安三长庆三石油三勘探三局科三研楼三主体三为一三个2三9层三的钢三筋混三凝土三结构三，高三度为三10三5.三5米三。顶三部微三波发三射塔三高4三4.三5米三，其三中桅三杆高三17三.5三米。微波三发