第8章 装配式建筑减震隔震

第8章装配式建筑减隔震8.1装配式建筑减隔震技术2091本章要点：（1）介绍减隔震技术发展简况及基本原理；（2）介绍装配式隔减震结构工程案例和相关研究现状。学习目标：（1）了解减隔震体系减震机理及工作特性；（2）了解减隔震装置的关键技术参数及基本性能要求；（3）思考装配式建筑与减隔震技术的融合发展。第8章装配式建筑减隔震目录8.1.1装配式建筑采用减隔震技术的作用8.1.2减震与隔震技术基本原理8.1.3减隔震装置8.1.4装配式建筑减震设计8.1.5装配式建筑隔震设计8.1.6装配式减隔震建筑施工8.1装配式建筑减隔震技术目录8.2装配式减震框架结构8.3装配式减震剪力墙结构8.3.1干式连接剪力墙8.3.2耗能墙的性能目录8.4.1工程案例-Paramount建筑8.4.1.1工程背景8.4.1.2体系特点简介8.4.1.3设计方法8.4.1.4施工要点8.4.2工程案例-AlanMacDiarmid建筑8.4.2.1工程背景8.4.2.2体系特点简介8.4.2.3设计方法8.4装配式隔减震结构案例目录8.4.3国内隔震预制装配建筑案例8.4.4国外隔震预制装配建筑案例8.4装配式隔减震结构案例减隔震技术的作用（1）降低上部结构在地震作用下的响应，优化建筑的装配连接构造，提高装配式

建筑的抗震性能。（2）为预制装配连接节点和结构薄弱区“松绑”，有助于突破传统预制装配式结

构“等同现浇”的固有理论、设计与施工模式。（3）解决我国工业化建筑总体抗震能力不足、预制装配工艺复杂等技术难题，助

推其在广大地震高烈度区的推广应用，促进我国建筑工程整体防震减灾能力

的提升。8.1.1装配式建筑采用减隔震技术的作用8.1.2减震与隔震技术基本原理减震技术基本原理

消能减震技术是在结构中安装减震装置，由减震装置耗散大部分地震能量，以减轻结构的地震反应，是一种积极主动的抗震设防技术。

随着工程结构振动控制技术日臻成熟，其中以改变结构频率为主的隔震技术和以附加阻尼及刚度为主的被动消能减震技术相对更为成熟。消能减震技术是在结构的某些特殊位置设置消能装置，通过消能装置产生滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减少主体结构的地震反应。8.1.2减隔震与隔震技术基本原理

8.1.2减隔震与隔震技术基本原理

8.1.2减隔震与隔震技术基本原理

8.1.2减隔震与隔震技术基本原理隔震技术基本原理

隔震结构是在上部结构与下部结构或基础之间，设置了具有小刚度、大变形性能的结构层，通常称为隔震层，以延长上部结构的自振周期，从而避开地震的主频范围，减小上部结构的振动反应。隔震前后地震影响系数对比8.1.3减隔震装置摩擦消能器普通摩擦消能器（1）特点：耗能能力强，外界激励作用的幅值与频率对其性能影响不大，且构

造简单，取材容易，造价低廉。（2）组成：中间钢板、外侧钢板、黄铜垫片、螺栓。（3）原理：通过中间钢板相对于上下两块铜垫板

的摩擦运动耗能。普通摩擦消能器构造8.1.3减隔震装置摩擦消能器Pall摩擦消能器Pall摩擦消能器构造8.1.3减隔震装置软钢消能器按耗能机理分类：8.1.3减隔震装置黏滞消能器（1）特点：速度相关性消能器，一般不附加刚度。（2）分类：依据阻尼产生机理分为流体抵抗型和剪切抵抗型。8.1.3减隔震装置流体抵抗型消能器（1）组成：主要包括缸体、活塞和黏滞流体。（2）原理：在外界激励下，活塞杆在缸体内移动，迫使受压流体通过孔隙

或缝隙产生阻尼。缸筒式黏滞消能器8.1.3减隔震装置剪切抵抗型消能器（1）组成：一般包括内部钢板、外部钢板及处于内外钢板之间的黏滞阻尼介质。（2）原理：内钢板受外界激励沿平面运动,使高浓度阻尼材料发生剪切变形，

从而产生阻尼力。黏滞阻尼墙8.1.3减隔震装置黏弹性消能器（1）原理：依靠黏弹性材料的滞回耗能特性来增加结构的阻尼，达到结构减震

的目的。（2）组成：主要包括黏弹性材料和约束钢板。（3）典型黏弹性消能器减震原理：在反复轴向力作用下，约束钢板与中心钢板之间产生相对运动，黏弹性材料产生往复剪切变形，从而耗散振动能量。典型黏弹性消能器构造8.1.3减隔震装置隔震装置（1）分类：滑移支座、叠层橡胶支座、滚动支座。（2）叠层橡胶支座：通过薄层橡胶和薄钢板交互叠置硫化黏结而成。特点：弹性模量小、弹性变形能力大、体积基本不变（υ≈0.5）优点：在竖向具有足够的刚度和承载力，能够稳定地支撑上部结构；在水平向具有足够小的水平刚度和足够大的水平变形能力，能够有效地隔离地震能量，减小上部结构的振动响应。8.1.3减隔震装置隔震装置（3）天然橡胶：特点：不具有耗能能力，阻尼比小，需要结合带阻尼的叠层橡胶隔震支座或其他阻尼器一起使用。分类：铅芯橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座。8.1.4装配式建筑减震设计减震初步设计（1）减震装置选型首先应该考虑设置消能减震装置的结构性能目标，常见的控制目标包括：控制结构的层间位移，减小结构承受的地震作用，提高结构在地震或风致振动中的舒适度等。8.1.4装配式建筑减震设计

8.1.4装配式建筑减震设计

8.1.4装配式建筑减震设计

8.1.4装配式建筑减震设计减震初步设计（3）减震装置布置与连接布置要点：考虑结构的性能特点（包括刚度、延性等）、装配式建筑的构件装配形式及施工方案、建筑功能和经济要求。连接类型：支撑型、墙柱型、门架型和腋撑型等。8.1.4装配式建筑减震设计减震初步设计（3）减震装置布置与连接斜撑型1—梁；2—柱或墙；3—消能器；4—支撑；5—节点板；6—预制板；7—支墩或剪力墙；8—水平平台；9—平面外限位装置8.1.4装配式建筑减震设计减震初步设计（3）减震装置布置与连接门架型1—梁；2—柱或墙；3—消能器；4—支撑；5—节点板；6—预制板；7—支墩或剪力墙；8—水平平台；9—平面外限位装置8.1.4装配式建筑减震设计减震初步设计（3）减震装置布置与连接墙柱型1—梁；2—柱或墙；3—消能器；4—支撑；5—节点板；6—预制板；7—支墩或剪力墙；8—水平平台；9—平面外限位装置8.1.4装配式建筑减震设计减震初步设计（3）减震装置布置与连接墙柱型1—梁；2—柱或墙；3—消能器；4—支撑；5—节点板；6—预制板；7—支墩或剪力墙；8—水平平台；9—平面外限位装置8.1.4装配式建筑减震设计消能减震结构设计方法（1）计算模型：层剪切模型、杆系模型、纤维模型、三维实体单元模型或上述

几类模型的混合模型。（2）分析方法：弹性工作阶段：采用线性分析方法作简化计算，并根据结构体系特点，采用底部剪力法、振型分解反应谱法或时程分析法。（消能器非线性）弹塑性工作阶段：根据主体结构体系特征和消能器的种类，采用静力非线性分析方法或非线性时程分析方法进行计算分析与设计。8.1.4装配式建筑减震设计消能减震结构设计方法（3）设计步骤：确定结构所在场地的抗震设计参数，如设防烈度、地面加速度、采用的地震波、结构的重要性、使用要求、变形限值及设防目标等。按照传统抗震设计方法确定结构设计方案。对结构进行分析计算，如抗震设计方案满足要求，即可采用抗震方案。如抗震设计方案不能满足设防目标要求，或虽能满足要求但为了进一步提高抗震能力，则考虑采用消能减震方案。8.1.4装配式建筑减震设计消能减震结构设计方法（3）设计步骤：选择消能减震装置（如粘滞消能器、黏弹性消能器等），根据消能减震装置的设计参数，初步确定减震装置布置方案（位置、数量、型式等）。对消能减震结构进行计算，分析是否满足性能要求，如满足，即可采用该方案，并对其进行优化设计；如不满足要求，则重新选择消能减震设计方案（消能装置的类型、安装位置、数量、型式等），并对该方案进行计算，直至满足要求。8.1.4装配式建筑减震设计

8.1.4装配式建筑减震设计表8-1弹塑性层间位移角限值结构类型单层钢筋混凝土框架1/30钢筋混凝土框架1/50钢筋混凝土框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒1/100钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/100钢筋混凝土框支撑1/120多、高层钢结构1/508.1.4装配式建筑减震设计消能减震结构设计性能目标（1）当遭遇到本地区多遇地震、设防地震和罕遇地震影响时，其抗震设防目标

宜高于传统抗震设计的设防目标。（2）采用消能减震技术，还不能完全做到在设防烈度下上部结构不受损坏或主

体结构处于弹性工作阶段的要求，但是与非消能减震建筑相比应有所提高。（3）设防目标可根据建筑物的重要程度、抗震等级、实际需要等按表8-2确定，

消能减震结构的性能水准应按表8-3判定。消能减震结构的层间弹塑性位移

角限值，应符合预期的变形控制要求，按表8-3确定。表8-2消能减震结构的抗震性能目标宏观判别地震水准性能1性能2性能3性能4多遇地震完好完好完好完好设防地震完好，正常使用

基本完好，结构构件检修后继续使用，无需更换消能器

轻微损坏，结构构件简单修理后继续使用，无需更换消能器

轻微至接近中等损坏，结构构件需加固后才能使用，根据检修情况确定是否更换消能器罕遇地震

基本完好，结构构件检修后继续使用，无需更换消能器

稍微至中等破坏，结构构件修复后继续使用，根据检修情况确定是否更换消能器

中等破坏，结构构件需要加固后继续使用，根据检修情况确定是否更换消能器

接近严重破坏、大修，结构构件局部拆除，位移相关型消能器应更换、速度相关型消能器根据检查情况确定是否更换8.1.4装配式建筑减震设计表8-3消能减震结构的性能水准判别破坏级别损坏部件描述继续使用的可能性变形参考值竖向构件关键构件消能部件基本完好（含完好）无损坏无损坏无损坏一般不需要处理即可继续使用<[Δue]轻微损坏个别轻微裂缝（或残余变形）无损坏无损坏不需修理或稍加修理仍可使用1.5[Δue]~2[Δue]中等破坏多数轻微裂（或残余变形）部分明显裂缝（或残余变形）轻微损坏无损坏需要一般修理，采用安全措施后可适当使用，检修消能部件3[Δue]~4[Δue]严重破坏多数严重破坏或部分倒塌明显裂缝（或残余变形）轻微损坏应排除大修，局部拆除，位移相关型消能器应更换、速度相关型根据检查情况确定是否更换<0.9[Δup]倒塌多数倒塌严重破坏破坏需拆除>[Δue]注：1.个别指5%，部分指30%以下，多数指50%以上；2.中等破坏的变形参考值，取规范弹性和弹塑性位移角限值的平均值，轻微破坏取1/2平均值。8.1.5装配式建筑隔震设计装配式建筑的隔震设计参照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）采用分部设计方法，将整个结构分为上部结构、隔震层、下部结构和地基基础四个部分，并分别对该四个部分进行设计。上部结构：设计方法与普通的抗震结构设计方法相同，但在水平地震作用的计算中引入减震系数的概念，且当减震系数满足一定条件时设防烈度可降低1度采取抗震措施。隔震层：设计主要包括隔震层的刚度、阻尼参数的选择和强度、稳定性的验算。隔震层下部结构：设计按罕遇地震作用考虑。地基基础：抗震验算按本地区设防烈度进行设计。8.1.5装配式建筑隔震设计隔震设计步骤（1）依据抗震设防烈度和结构特征，预估减震系数，确定设计目标；（2）按预估减震系数对应的地震作用进行上部装配式建筑结构和隔震层方案设计；（3）按上述方案进行隔震结构的内力、减振系数分析和变形验算；（4）进行上部结构配筋和构造设计以及隔震连接件设计；（5）进行地基、基础设计。其中第3步如不能满足要求，还需要返回第2步，重新对上部结构和隔震层方案进行修正；如仍不能满足则返回第1步，重新修正隔震设计目标。8.1.5装配式建筑隔震设计上部结构和隔震层方案设计（1）上部装配式建筑结构方案设计（2）隔震层竖向布置（3）隔震层平面布置8.1.5装配式建筑隔震设计

8.1.5装配式建筑隔震设计

8.1.5装配式建筑隔震设计上部结构设计（3）地震作用取值按减震后水平地震影响系数计算所得的隔震结构水平地震作用，还应该满足：隔震层以上结构的总水平地震作用不得小于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用；

各楼层的水平地震剪力应满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）对楼层最小地震剪力的规定（见表8-4）。对于基本周期介于3.5s和5.0s之间的可插入取值。8.1.5装配式建筑隔震设计上部结构设计（4）上部结构验算

隔震建筑上部结构的验算包括截面验算和变形验算两个部分。与非隔震建筑结构相同，隔震建筑上部结构目前仍沿用“三水准两阶段”设计方法；隔震建筑上部结构因隔震后地震作用减小，可根据水平向减震系数降低相应的抗震措施。

隔震结构在水平地震作用下变形主要集中在隔震层，其上部结构层间位移很小。《抗震规范》规定，在多遇地震作用下其层间弹性位移角限制与非隔震结构相同；在罕遇地震作用下，隔震层上部结构的层间弹塑性位移角限值，可参照隔震层下方、地面上方结构的要求，取非隔震结构层间弹塑性位移角限值的1/2。8.1.5装配式建筑隔震设计隔震层设计（1）对隔震层内各类构件和连接件设计内容主要包括：隔震支座的受压应力验算；抗风装置的验算和隔震支座弹性水平恢复力的验算；罕遇地震作用下，隔震支座的水平位移、拉应力、连接件的验算；隔震结构的整体抗倾覆验算；隔震层顶部梁、板的刚度和承载力验算；隔震支座附件梁、柱冲切和局部承压验算等。8.1.5装配式建筑隔震设计

8.1.5装配式建筑隔震设计下部结构和地基基础设计隔震层下部结构可简单认为是指隔震支座下方的结构，包括支持隔震层的墙、柱、柱墩、连梁和地下室等。《抗震规范》要求对隔震层下部结构进行罕遇地震作用下的承载力验算，直接支撑隔震层以上结构的相关构件还应满足嵌固刚度比和隔震后设防地震抗震承载力要求，并按罕遇地震进行抗剪承载力验算。隔震层以下地面以上的结构，在罕遇地震下的层间位移角按非隔震相应结构层间弹塑性位移角限值的1/2进行验算。8.1.5装配式建筑隔震设计装配式建筑隔震构造隔震层构造措施必须保证隔震层的大变形需求，并针对大变形的特征配置相应的构件和附属设施。隔震层位置相关构造设计主要包括：隔震层与周围建筑及室外地坪间的构造；隔震层位置处室内竖向构件的构造，如楼梯、台阶、电梯井；隔震层位置处沿竖向布置的其他设施，如水管、电缆等；隔震层的密封。8.1.6装配式减隔震建筑施工装配式减震建筑施工

消能部件安装方法大体有两种，即消能部件平行安装法和后装法。特点要求平行安装法便于消能器的吊装就位和测量校正，各层消能部件和预制构件一次施工安装齐备，避免后期补装需要结合装配式结构预制构件的设计及装配方案，将消能部件与预制构件在工厂或地面拼装连接为扩大安装单元后一起起吊后装法各工种之间不会相互影响，但重量较重或尺寸较长的消能部件吊装会受到楼板、水暖管网、外脚手架、施工安全网等影响，可能会加大安装难度当采用消能器部件后装法时，在已完成装配后的楼面将消能部件进行拼装，检查测量拼装后的总尺寸和锚栓孔位置，并与安装部位的相应净空尺寸、锚栓位置进行对照核查8.1.6装配式减隔震建筑施工装配式隔震建筑施工（1）下支墩施工下支墩的施工质量和精度直接影响隔震层就位精度和隔震层在地震作用下性能的发挥；通常采用定位钢板和预埋钢板的方法；通过加强外模的固定和支撑，并通过施工全过程中也对模板标高、预埋件标高、平整度和锚固螺栓孔位的测量和随时调整；对于体积较大的支墩，为避免预埋钢筋及钢板的干扰，可以考虑分两次浇筑。8.1.6装配式减隔震建筑施工装配式隔震建筑施工（2）隔震支座安装隔震支座的安装应在下支墩混凝土强度达到设计强度的75%以后进行；吊装过程中应使隔震支座保持水平，隔震支座就位后应对支座的位置再次进行复测；隔震支座安装好后，应立即采取保护措施。8.2装配式减隔框架结构普通预应力装配式框架节点塑性变形进发生在连接处，预制构件保持弹性受力作用后只有少数裂缝，方便维修良好的自复位性能节点滞回面积小，耗能差8.2装配式减隔框架结构预应力装配式减震框架节点以附加耗能装置增加节点的变形耗能8.2装配式减隔框架结构节点首次加载状态下的滞回恢复力模型阶段一：预应力筋的作用下保持紧闭状态，直至梁端弯矩达到消压弯矩Mdec，节点处于张开临界状态。阶段二：节点张开后，节点下侧耗能装置弹性受拉，节点转动刚度Ks+K1由预应力筋和耗能装置共同提供。阶段三：节点继续张开，耗能装置在点B处开始屈服，节点转动刚度由Ks+K1变为Ks+K2，直至达到C处最大转角θmax。阶段四：节点进入卸载状态，节点转动刚度与阶段一相同为Ks+K1，节点由最大转角θmax逐渐向零位置回复，直至D处耗能装置受压屈服。阶段五：节点逐渐闭合，直至达到节点自复位控制点CP处，该点弯矩值由Mdec与Mre控制。8.2装配式减隔框架结构对于首次加载节点滞回恢复力模型有：8.2装配式减隔框架结构节点循环加载状态下的滞回恢复力模型阶段一：节点以首次加载或前次循环加载历程中引起的残余弯矩Mre为滞回起点，在预应力筋作用下直至控制点CP处节点达到张开临界状态，对应消压弯矩为Mdec－Mre阶段二：当节点张开后，节点下侧耗能装置弹性受拉，节点转动刚度Ks+K1由预应力筋和耗能装置共同提供阶段三：节点继续张开，耗能装置在点B’处开始屈服，节点转动刚度由Ks+K1变为Ks+K2，直至达到B’处最大转角θmax。阶段四：节点进入卸载状态，节点转动刚度与阶段一相同为Ks+K1，节点由最大转角θmax逐渐向零位置回复，直至C’处耗能装置受压屈服阶段五：节点逐渐闭合，直至达到节点自复位控制点CP处8.2装配式减隔框架结构对于首次加载节点滞回恢复力模型有：8.2装配式减隔框架结构预应力装配式减震框架节点自复位特点Mdec与Mre的相对大小关系控制着节点的自复位性能：当Mdec,1大于Mre,1时，节点达到控制点CP1时滞回模型与横轴无交点，表明梁端弯矩为零时节点无残余变形，节点具有自复位性能；当Mdec,2小于Mre,2时，节点达到控制点CP2时滞回模型与横轴存在交点R，表明当在节点由最大转角复位过程中在梁端弯矩为零时存在残余转角θre，节点无法实现自复位。8.3装配式减隔剪力墙结构摇摆结构减轻震害的典型例子是希腊的古老神殿，即使梁柱之间缺少可靠的强力连接，这些石制结构在地震多发地带仍旧屹立千年而不倒。8.3.1干性连接的耗能墙希腊帕特农神庙8.3装配式减隔剪力墙结构公认的“功能可恢复结构”体系：

干缝连接的墙体发生翘动运动的时候，当水平外力撤掉以后，由于墙体及其承担结构部分的重力作用，墙体将恢复到初始位置，这就形成了自复位结构。

其在循环水平作用下的滞回曲线如右图所示，最终滞回曲线顺着原路线返回，说明摇摆墙本身并不耗散地震能量。

8.3.1干性连接的耗能墙绕墙脚转动的摇摆墙摇摆墙的滞回曲线整体工作阶段刚度下降段8.3装配式减隔剪力墙结构混合墙体（HybridWalls）：

为了加强摇摆墙的耗能能力，可以在摇摆接缝或其他部位增设屈服耗能装置或阻尼器，从而使结构的力-位移关系呈现一定程度的滞回环面积。8.3.1干性连接的耗能墙耗能装置混合墙体混合墙体滞回曲线8.3装配式减隔剪力墙结构混合墙体增设锚固于基础的竖向无粘结预应力钢筋：钢筋全长上分布结构变形引起的钢筋应变增量，从而不致由于应变增加过多而导致钢筋屈服、丧失自复位驱动能力保证不将钢筋的拉应力传递给混凝土，从而避免混凝土开裂。作为一种施工措施，在施工阶段保证拼接墙体的整体性。

8.3.1干性连接的耗能墙8.3装配式减隔剪力墙结构干式连接的墙体中安装阻尼器：放置在相邻的墙体之间的阻尼器（图1）放置在墙体与相邻的柱之间的阻尼器（图2）安装在墙体与框架之间在预制后张翘动摇摆墙中联合安装粘滞阻尼器和软钢阻尼器（图3）

8.3.2耗能墙的性能图3图2图18.3装配式减隔剪力墙结构国外研究者开展的耗能墙拟静力试验试件1没有安装耗能装置，试件2和3安装了耗能装置，在试件3上还通过外部的后张预应力筋来补充恢复力。

8.3.2耗能墙的性能加载装置示意图试件1的侧向荷载-位移反应试件3的侧向荷载-位移反应工程背景Paramount建筑位于SanFrancisco，共39层高达128m，总造价约9300万美元。Paramount建筑的基本结构体系为适用于强震区的新型装配式混凝土混合抗弯框架体系。Paramount建筑不仅是抗震4级区（UBC规范规定的地震分区，与我国的9度区类似）最高的高层建筑，还是

高烈度区最高的装配式预应力混凝土框架结构8.4.1工程案例-Paramount建筑体系特点简介（1）建筑外装饰与抗震支撑系统的统一。在Paramount建筑的建筑部件中，费用

最高的建筑外装饰与抗震支撑系统的统一，很大程度上降低了建筑造价。（2）高效防水外围。在Paramount建筑的建造过程中通过预应力刚性连接各预制构件，形成地震作用下的整体位移，避免了位移协调的问题。（3）预制构件数量多，建造迅速。Paramount建筑大量的使用预制构件，很大程

度上缩短了建造周期。8.4.1工程案例-Paramount建筑体系特点简介（4）不同抗侧力结构体系组合使用。在Paramount建筑八层以下使用剪力墙以及

预制-现浇组合抗弯框架体系，在八层以上仅采用装配式框架抗侧力体系。八层以上框架以装配式混合抗弯框架体系为主，仅在预应力张拉困难的结

构部位采用延性连接体系。8.4.1工程案例-Paramount建筑装配式混合抗弯框架节点延性连接节点设计方法（1）混合节点名义抗弯强度计算：8.4.1工程案例-Paramount建筑

式中：设计方法（2）节点试验节点试验采用2/3的Paramount建筑实际节点模型，根据试验结果可得：从强度角度来讲，混合节点的预测名义抗弯强度是实测抗弯强度的90%，最终设计采用60%实际强度，保证一定的结构强度冗余度；从位移的角度讲，Paramount建筑所处抗震设防区节点位移角需求在2%-2.5%

之间，试验中混合节点在达到4%位移角时强度下降小于30%，而在需求位移角2.5%时节点未出现明显强度下降。8.4.1工程案例-Paramount建筑8.4.1工程案例-Paramount建筑施工要点预制混凝土构件的制作、运输以及安装过程由同一建筑商完成；整个施工工期仅持续26个月，其中上层建筑耗时16个月，平均2.5层每个月；工程总造价九千二百七十万美元，其中装配式部分耗资八百

九十万美元，相对于该建筑所处的地理位置以及抗震需求，