第4章結構隔震、消能和減震控制

14.1.1結構減震控制的減震機理

結構減震控制，是指在建筑結構的特定部位，裝設某種裝置（如隔震支座），或某種機構（如消能支撐,消能剪力墻,消能節點,消能器等），或裝設某種子結構（如調頻質量等），或施加外力（外部能量輸入），以改變或調整結構的動力特性或動力作用，使工程結構在地震的作用下，其結構的動力反應（加速度、速度、位移）明顯減少，并得到合理的控制，確保結構本身及結構中的人、儀器、設備、裝修等的安全和處于正常的使用環境狀況。這種結構體系，稱為“結構減震控制體系”。其相關的理論、技術和方法，統稱為“結構控制”。

2結構減震控制的減震機理

結構的動力方程式:目的：明顯減少結構的動力反應

改變k改變c改變m人為輸入F(t)3消能減震EnergyDissipation

結構減震控制

質量調諧減震TMD，TLD等

主動、半主動控制AMD,AVS，AVSD等混合控制HybridControl

結構隔震SeismicIsolation

4.1.2結構減震控制技術方法分類

4結構減震按能源輸入分類主動、半主動控制Active，Semi-Comtrol

結構減震控制

結構隔震，消能減震，質量調諧減震

混合控制HybridControl

被動控制PassiveControl

主動質量阻尼器，主動拉索或支撐，主動變剛度變阻尼，智能材料自控混合主動、被動控制5結構減震按頻率相關分類吸收共振能量結構減震控制

避開共振頻率頻率無關控制頻率相關控制主動外加控制消能減震64.1.3結構控制的特點和優越性有效減震適用范圍廣檢測修復方便4.1.4結構控制的應用范圍及技術成熟性成熟：被動控制不太成熟：半主動控制不成熟：主動控制74.2.1結構隔震體系的基本特性結構隔震體系是指在結構物底部（或某層間部位）設置隔震裝置而形成的結構體系。它包括上部結構，隔震層（由隔震裝置或加設阻尼裝置等組成）和下部結構三部份。為了達到明顯的減震效果，隔震裝置及隔震體系必須具備下述的四項基本特性：8結構隔震體系的基本特性:1.承載特性隔震裝置應具有較大的豎向承載能力，在結構物正常使用狀況下或地震時，安全地支承著上部結構的所有重量和使用荷載，并具備較大的豎向承載力安全系數。2．隔震特性隔震裝置應具有可變的水平剛度特性（圖4.5）。在強風或微小地震時，具有足夠的水平剛度，不影響使用要求。9在中強地震發生時，其水平剛度較小，上部結構水平滑動，使“剛性”的抗震結構體系變為“柔性”的隔震結構系，其結構基本周期大大延長（圖4.6），遠離上部結構（即傳統結構）的自振周期，也遠離地面的場地特征周期，從而把地面震動有效地隔開,明顯地降低上部結構的地震反應，一般可使上部結構的加速度反應（或地震作用）降低為傳統結構加速度反應的1/2~1/12（圖4.6和4.8）。104.阻尼消能特性隔震裝置應具有足夠的阻尼，也即隔震裝置的水平荷載與水平位移關系曲線的包絡面積較大，具有較大的消能能力。較大的阻尼可使隔震層的水平位移明顯減少。3.復位特性隔震裝置應具有水平彈性恢復力，使隔震結構體系在地震中具有瞬時自動“復位”功能。地震后，上部結構回復至初始狀態，滿足正常使用要求。11傳統房屋地震時激烈晃動，房屋加速度可放大到原來的250%，梁柱開裂,內部裝飾,設備破壞隔震房屋地震時緩慢平動(長周期)房屋加速度減少可達到原來的40%，結構彈性(變形集中在柔軟支座)，保護結構和內部裝飾、設備1213抗震結構與隔震結構的比較隔震結構：在建筑物上部結構與基礎之間設置滑移層，阻止地震能量向上傳遞。抗震結構：利用結構各構件的承載力和變形能力抵御地震作用，吸收地震能量。立足于“抗”。

立足于“隔”。144.2.2結構隔震體系的減震機理

結構的動力方程式:15加速度反應衰減比式中16衰減放大174.2.3結構隔振的優越性

（1）明顯有效地減輕結構的地震作用（2）確保安全（3）房屋造價增加很少（4）抗震措施簡單明了（5）震后無需修復（6）上部結構的設計限制較小18結構隔震體系主要適用于下列工程:(1)地震區的民用建筑，例如住宅、辦公室、教學樓、宿舍樓、劇院、旅館、大商場等。(2)地震區的生命線工程，例如:醫院、急救中心、指揮中心、水廠、電廠、糧食加工廠、通信中心、交通樞紐、機場等。(3)地震區的重要建筑結構物，例如:重要歷史性建筑、博物館、重要紀念性建筑物、文物或檔案館、重要圖書資料館、法院、監獄、危險品倉庫、有核輻射裝置等。(4)內部有重要儀器設備的建筑結構物，例如，計算機中心、精密儀器中心、實驗中心、檢測中心等。(5)橋梁、架空輸水渠、雷達站、天文臺等重要結構物。194.2.4結構隔震的分類和成熟性夾層橡膠支座豎向承載力大隔震效果明顯穩定穩定的彈性復位功能構造簡單，安裝方便耐久性好204.2.5結構隔震房屋的設計計算當遭遇到設防烈度時，不需修理仍可繼續使用；當遭遇罕遇烈度時，不發生危及生命安全和喪失使用功能的破壞。21結構隔震控制目標的確定常規結構設計隔震裝置選用結構隔震體系動力參數確定結構隔震作用計算隔震結構抗震驗算隔震建筑構造設計結構隔震房屋的設計計算內容和步驟：224.2.6結構隔震設計要點2324等效側力法：周期較短的結構時程分析法：周期較短的結構25262728（4）采用等效側力法時，隔震房屋結構的地震作用及其分布可按《規范》進行計算，并參照下列有關規定：G――隔震層以上結構的重力荷載代表值K――隔震層水平有效剛度29結構層間剪力應按下式計算：隔震層水平位移可按下列規定計算：30等效側力法計算步驟類似于底部剪力法 計算底部剪力

樓層剪力底部剪力：常遇地震：3132罕遇地震：33樓層剪力平動假設：各樓層加速度相同Fjk――j層水平地震作用標準值Vik――i層剪力標準值34隔震層的水平位移354.2.7隔震層的計算要點（1）隔震支座的受壓承載力設計值應符合下列要求：①當形狀系數S1≥15、S2≥5時，對于甲類建筑，壓應力設計值不宜大于10MPa；對于乙類建筑，壓應力設計值不宜大于12MPa；對于丙類建筑，壓應力設計值不宜大于15MPa，但對于直徑小于300mm的隔震支座，壓應力設計值不宜大于10MPa。②當形狀系數不滿足上述要求時，壓應力設計值應適當降低。當5＞S2≥4時，降低20%；當4＞S2≥3時，降低40%。36圖4.22隔震支座內部構造a.隔震支座的第一形狀系數S1(有效直徑與孔洞直徑之差d-d0與膠層4倍厚度4tr之比)，應按下式計算；圓形截面：矩形截面：

37b.隔震支座的第二形狀系數S2(有效直徑d與橡膠層總厚度tr之比)

，應按下式計算；圖4.22隔震支座內部構造圓形截面：矩形截面：

38（2）隔震層連接部件（如隔震支座或抗風裝置的上、下連接件，連接用預埋件等）應按罕遇地震作用進行強度驗算。（3）抗風裝置應按下式要求進行驗算：式中：VRw為抗風裝置的水平承載力設計值。當抗風裝置是隔震支座的組成部分時，取隔震支座的水平屈服荷載設計值；當抗風裝置單獨設置時，取抗風裝置的水平承載力，可按材料屈服強度設計值確定；gw為風荷載分項系數，采用1.4；Vwk為風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值。39（4）隔震層中各隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移應滿足下列要求：式中：umax為在罕遇地震作用下考慮扭轉影響時隔震支座最大水平位移；d為隔震支座直徑；tr為隔震支座橡膠層總厚度。（5）在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現不可恢復變形；隔震支座的拉應力不應大于1Mpa。404.2.8結構隔震房屋的構造設計1、隔震層和隔震支座的布置原則（1）隔震層由隔震支座和阻尼裝置和抗風裝置組成（2）隔震層剛度中心宜與上部結構的質量中心重合（3）隔震支座的平面布置宜與上部結構和下部結構中豎向受力構件的平面位置對應（4）同一房屋盡量選用相同型號隔震支座（5）支座間距大于安裝和更換所需空間尺寸（6）設置在隔震層的抗風裝置宜對稱、分散地布置在建筑物的周邊（7）抗震墻下隔震支座的間距不宜大于2.0m412、隔震支座與上、下部結構的連接要求（1）可靠連接（2）考慮受剪和豎向局部承壓3、上部結構及隔震層部件應與周圍固定物脫開4、樓梯、電梯穿過隔震層 懸吊于上部結構；水平切斷5、穿過隔震層的豎向管線柔性管材、柔性接頭424.2.9隔震支座的技術性能和構造要求目前，國內外常用的疊層橡膠隔震支座為圓形，直徑

300mm～

1400mm.一、隔震支座的技術性能型式檢驗要求1）在軸壓應力設計值作用下的豎向剛度；2）在軸壓應力設計值作用下的豎向變形性能；3）豎向極限壓應力,壓應力破壞極限值不應小于90MPa；4）在水平位移為0.55倍有效直徑時的豎向極限壓應力；5）豎向極限拉應力,拉應力屈服極限值不應小于1.5Mpa;436）在軸壓應力設計值作用下，在水平剪切應變分別為50%、100%、250%，且相應的水平加載頻率分別為0.3Hz、0.2Hz、0.1Hz時的有效水平剛度；對有芯型或其他含有阻尼裝置的隔震支座，還須提供在軸壓應力設計值作用下的水平剪切屈服剪力、屈服前水平剛度和屈服后水平剛度；7．在軸壓應力設計值作用下，在水平剪切應變分別為50%、100%、250%，且相應的水平加載頻率分別為0.3Hz、0.2Hz、0.1Hz時的有效阻尼比；448）在軸壓應力設計值作用下的水平極限變形能力；9）耐久性能，包括老化性能、徐變性能和疲勞性能；10）各種相關性能，包括在不同的豎向軸壓應力、水平剪切應變、水平加載頻率、環境溫度下的水平剛度和阻尼比的變化率；11）耐火性能；12）有特殊要求的性能，如抗腐蝕性、耐水性等。45二、隔震支座的技術性能出廠檢驗要求每項工程采用的隔震支座的產品性能必須經出廠檢驗合格，提供下列性能指標：（1）在軸壓應力設計值作用下的豎向剛度。（2）在軸壓應力設計值作用下，水平剪切應變分別為50%，100%，250%，且相應的水平加載頻率分別為0.3Hz，0.2Hz，0.1Hz時的有效水平剛度；對有芯型或其他含有阻尼裝置的隔震支座，或單獨設置的阻尼裝置或抗風裝置，還須提供在軸壓應力設計值作用下的水平剪切屈服剪力，屈服前水平剛度和屈服后水平剛度（圖4.21）。46（3）在設計軸壓應力作用下，水平剪切應變分別為50%，100%，250%，且相應的水平加載頻率分別為0.3Hz，0.2Hz，0.1Hz時的有效阻尼比。（4）隔震支座產品性能的出廠檢驗數量，每項工程每種主要規格不少于3個。如發現有不合格產品，應加倍進行抽檢；在加倍抽檢中如仍出現不合格產品，則必須進行全數檢驗。（5）隔震支座的力學性能檢驗，應在能按不同頻率施加反復循環荷載的、符合要求的伺服試驗機上圖4.21有芯型隔震支座水平荷載與水平變位關系曲線圖4.22隔震支座內部構造進行。47三、隔震支座構造要求隔震支座的形狀系數應符合下列要求：a.隔震支座的第一形狀系數S1(有效直徑與孔洞直徑之差d-d0與膠層4倍厚度4tr之比)

，應按下式計算；圓形截面：矩形截面：

b.隔震支座的第二形狀系數S2(有效直徑d與橡膠層總厚度tr之比)

，應按下式計算；圓形截面：矩形截面：

48

S1──隔震支座第一形狀系數；S2──隔震支座第二形狀系數；

d──橡膠的有效直徑(mm)；tr1──每一橡膠層的厚度(mm)；

tr──橡膠層的總厚度(mm)。

a──矩形截面隔震支座的長邊尺寸(mm)；b──矩形截面隔震支座的短邊尺寸(mm)；d0──隔震支座中間開孔的直徑(mm)；4950514.3基礎隔震的應用4.3.1基礎隔震技術的提出4.3.2基礎隔震技術的現代階段絕大多數采用的是粘結型疊層橡膠墊隔震體系。

524.3.3基礎隔震設計要點1．應根據預期的水平向減震系數和位移控制要求選擇適當的隔震支座。2．應進行豎向承載力驗算和罕遇地震下水平位移驗算。3．隔震層以上結構的水平地震作用應根據水平向減震系數確定。4．其豎向地震作用標準值，8度（0.2g）、8度（0.3g）、9度時分別不應小于隔震層以上結構總重力荷載代表值的20%、30%和40%。535．計算簡圖圖4.23計算簡圖一般情況宜采用“時程分析法”進行計算。若處于發震斷層10km以內，若輸入地震波未計入近場影響，則近場系數取1.5(5km以內)和1.25(5～10km)。546．隔震層以上的地震作用（1）對于多層建筑，水平地震作用沿高度可按重力荷載代表值分布。水平地震影響系數最大值：55隔震后結構的總水平地震作用不得低于非隔震的結構在6度設防時的總水平地震作用。567．各橡膠隔震支座的豎向平均壓應力設計值，不應超過表4.5的規定。表4.5橡膠隔震支座平均壓應力限值建筑類別甲類乙類丙類平均壓應力限值(MPa)101215注：（1）平均壓應力設計值應按永久荷載和可變荷載組合計算，對需驗算傾覆的結構應包括水平地震作用效應組合；對需進行豎向地震作用計算的結構，尚應包括豎向地震作用效應組合；（2）當橡膠支座的第二形狀系數(有效直徑與各橡膠層總厚度之比)小于5.0時應降低平均壓應力限值：小于5不小于4時降低20%，小于4不小于3時降低40%；（3）外徑小于300mm的橡膠支座，其平均壓應力限值對丙類建筑為10MPa。575810．砌體結構的隔震措施（1）當水平向減震系數不大于0.40時，丙類建筑的多層砌體結構，房屋的層數、總高度和高度比限值，可按《規范》第7.1節中降低一度的有關規定采用。（2）砌體結構隔震層的構造應符合下列規定：①多層砌體房屋的隔震層位于地下室頂部時，隔震支座不宜直接放置在砌體墻上，并應驗算砌體的局部承壓。②隔震層頂部縱、橫梁的構造均應符合關于底部框架磚房的鋼筋混凝土托墻梁的要求。59606162636411.幾種常見的夾層橡膠墊65664.3.4砌體結構隔震計算（1）通過驗算豎向承載力確定隔震支座數

注意設計值和代表值的區別

（2）按單質點計算基本周期（3）計算減震系數（4）計算底部剪力和各質點剪力

注意等效測力法與底部剪力法的區別（5）驗算罕遇地震下位移67五、砌體結構隔震計算例題隔震計算例題(五層砌體結構P217)已知：設防烈度7度，II類場地，設計地震分組二組，丙類建筑，近場系數為1.0，樓層面積333m2，活載2.0kN/m2重力荷載代表值：解：（1）重力荷載計算（略）68新增一層底板及半層墻重隔震支座須增加一底座層：故新的隔震結構的重力荷載代表值為：69（2）驗算豎向承載力：若再考慮五層的活載，則有總的恒載總的重力荷載設計值選用32個VP300隔震支座滿足豎向承載力要求70（3）水平動剛度（4）隔震體系的基本周期重新選用32個VP400：71（5）重新計算水平動剛度（6）重新計算隔震體系的基本周期（7）查Tgm=0.4s（小于0.4s時，須取0.4s）（8）計算等效阻尼比

zeq72（9）計算減震系數73（10）確定地震作用隔震時非隔震時故取各層的水平水平地震作用分別為：133.5151.7151.7151.7170.974（11）罕遇地震下隔震層位移驗算查近場系數故橡膠層總厚101mm，