建筑减隔振研究、应用现状 浙江大学防灾工程研究所 2013年12月 1、隔震与减震 一、概述 二、基底隔震 三、悬挂隔震 四、耗能减震 五、冲击减震 六、吸振减震 七、主动控制减震 一、概述 地震引起结构振动的全过程是：由震源产生地震动，通过传播途径传递到结构上，从而引起结构的振动反应。 通过在不同部分采取振动控制措施，就成为不同的积极的抗震方法。 一、概述（续一） 一、概述（续二） 1、消震 通过减弱震源振动强度达到减小结构振动的方法。 2、隔震 通过某种装置，将地震动与结构隔开，减弱或改变地震动对结构作用的强度或方式，达到减小结构振动的目的。 隔震方法：基底隔震 悬挂隔震 3、被动减震 通过采用一定的措施或附加子结构，吸收或消耗地震传递给主结构的能量，达到减小结构振动的目的。 被动减震方法： 耗能减震 冲击减震 吸震减震 4、主动减震 根据结构的地震反应，通过自动控制系统的执行机，主动给结构施加控制力，达到减小结构振动的目的。 一、概述（续三） 两大类减震方法： （1）被动操控方法。这种方法无外部能源供给，也称无源控制技术。包括隔震技术和被动减震技术。 （2）主动控制方法。这种方法有外部能源供给，也称有源控制技术。 与传统的消极抗震方法相比，减震方法优点： （1）减小地震作用，降低结构造价，提高结构抗震可靠度。隔震方法能够控制传到结构上的地震力，克服确定荷载的困难。 （2）减小结构在地震作用下的变形，保证非结构构件不破坏，减小震后维修费用，对现代建筑，非结构构件的造价占总造价的80％以上。 （3）隔震、减震装置的更换或维修比更换、维修结构构件方便、经济。 （4）精密加工设施、核工业设备等结构物，只能用隔震、减震的方法满足严格的抗震要求 二、基底隔震 1、原理 基底隔震是在结构物地面以上部分的底端设置隔震层，限制地震动向结构物的传递。 基底隔震，大多数都用在隔离水平地震作用。隔震层的水平刚度明显低于上部结构的侧向刚度。此时可近似为上部结构是一个刚体，如图8.18所示。设结构的总质量为m，绝对水平位移为y，地震动的水平位移为xg，隔震层的水平刚度为k，阻尼系数为c，则底部隔震系统的运动平衡方程为： 上部结构绝对位移（加速度）振幅与地震动位移（加速度）振幅的比值R为 R称为绝对隔震传递率。R值越小，表明隔震效果越好。 地震动与隔震结构的频率比β大于1时，隔震系统才有隔震能力。且频率比越大，隔震能力越强。 二、基底隔震（续一） 基底隔震结构设计的一般原则 ： 在满足必要的竖向承载力的的同时，隔震装置的水平刚度应尽量小，以降低隔震结构的自振频率，使之低于地震动的优势频率范围，保证结构地震反应的衰减较大。 在风荷载作用下，隔震结构的位移不能太大。因此，结构底部隔震系统常需安放风稳定装置，使得在小于设计风载的风力作用下，隔震层几乎不发生变形；而在超出原有设计风载的地震力作用下，风稳定装置退出工作，隔震装置开始工作。 二、基底隔震（续二） 1、方法 （1）滚子隔震 主要有滚轴隔震和滚珠（球）隔震两种。 （2）橡胶垫块隔震 （3）悬挂基础隔震 （4）摇摆支座隔震 （5）滑动支座隔震 三、悬挂隔震 1、方法 悬挂隔震是将结构的全部或大部分质量悬挂起来，使地面运动传递不到主体质量，产生不了惯性力，从而起到隔震作用。 2、应用 悬挂结构在桥梁、房屋建筑、火电厂锅炉架等方面有大量应用。著名的43层香港汇丰银行新大楼，采用的就是悬挂结构。 悬挂结构悬杆受力大，需采用高强钢。而高强钢韧性差，在竖向地震作用下易拉断。为减小竖向地震作用，可在吊点设减震弹簧，并配合使用阻尼器。 四、耗能减震 1、方法 耗能减震是通过采用附加子结构或一定措施，消耗地震传递给结构的能量。 地震时，结构在任意时刻的能量方程为：Et＝Es＋Ef 式中，Et为输入结构的能量，Es为整体的结构的耗能；Ef为附加子结构的耗能。 主结构耗能组成： Es＝Ev＋Ec＋Ee＋Ey 式中，Ev为结构振动动能；Ee为结构振动势能；Ec为结构粘滞阻尼耗能；Ey为结构塑性变形耗能。 耗能减震原理： 从能量的观点，地震输入结构的能量是一定的，通过耗能装置消耗掉一部分能量，则结构本身需消耗掉的能量减小，意味着结构反应减小。 从动力学的观点出发，耗能装置的作用，相当于增大结构阻尼，从而使结构反应减小。 四、耗能减震 （续一） 2、耗能装置 耗能装置能是安放在结构物能产生相对位移的阻尼器，也可以是由结构物的某些非承担重量的构件设计成的耗能构件。 这些耗能装置在风或小震作用下应具有较大的刚度。但强烈地震发生时，耗能装置应率先进入非弹性状态，产生较大的阻尼，大量消耗输入结构的地震能量。 试验表明，耗能装置可消耗地震输入能量的90％以上。 工程结构抗震采用的耗能装置 阻尼器：软钢阻尼器 、挤压铅阻尼器 、摩擦阻尼器 、粘弹性阻尼器 耗能支撑 ：耗能交叉支撑 、摩擦耗能支撑 、耗能偏心支撑 、耗能隅撑 耗能墙 ：带竖缝剪力墙 、周边耗能墙 、水平缝摩擦墙 、阻尼器剪力墙 五、冲击减震 1、 原理 冲击减震是依靠附加活动质量与结构之间的非完全弹性碰撞达到交换动量和耗散动能而实现减小结构地震反应的技术。 S.F.Masri研究平稳随机振动的冲击减震问题，获得以下结论： （1）冲击减震器能够减轻平稳随机振动，但减震效果不如抑制简谐振动的效果。 （2）冲击减震器的最优活动间隙与安装部位的位移有关。 （3）主振结构阻尼越小，冲击减震效果越好。 （4）如冲击减震系统的激励是高斯过程，它的响应仍然接近高斯过程。 六、吸振减震 吸振是通过附加子结构，使结构的振动发生转移，即使结构的振动能量在原结构与子结构之间重新分配，进而达到减小结构振动的目的。 目前工程结构应用的吸振装置主要有三种，它们是：被动调频质量阻尼器、质量泵和质量放大器。 七、主动控制减震 1、概念 主动控制减震体系是利用外部能源，在结构受地震激励振动过程中，瞬时改变结构动力特性和施加控制力，以减少结构地震反应的自动控制体系。 （1）传感器。安装在结构上，测量结构所受外部激励和结构反应或两者，将测得的信息传递给控制器的处理器。 （2）处理器。处理测得的信息，根据给定的控制算法，计算所需的控制力，并将控制信息传递给控制器的致动器。 （3）致动器。根据控制信息，由外部供给能源产生所需的控制力，由此减少结构振动反应。 主动控制体系中的控制器由三部分所组成： （1）开环控制。根据外部激励信息调整控制力。 （2）闭环控制。依照结构反应信息调整控制力。 （3）开闭环控制。根据外部激励和结构反应的综合信息调整控制力。 主动控制已大范围的使用在电子工程、机械工程、航天航空工程等领域，但在土木工程中应用该方法尚是新的研究方向。 石家庄石津渠中桥的公路隔震桥 （3孔，各14米）2001 * * 震 源 传播途径 结 构 反 应 消 震 隔 震 被 动 减 震 主 动 减 震 基 底 隔 震 悬 挂 隔 震 耗 能 减 震 冲 击 减 震 吸 振 减 振 隔震建筑数量： 在我国设计和建成隔震房屋五百多幢 （数量仅次于日本） 我国分布: 广东，福建，山西，陕西，云南， 四川，宁夏，内蒙古，新疆，河北，河南，江苏，北京，上海，天津，台湾等省市自治区。 隔震建筑分布 北京地铁地面枢纽站大面积平台上隔震住宅楼 ?????? 4）增创直接产值2.4亿元 ?????? 3）住宅面积增加近10万平方米（房屋从6层增加到9层） ?????? 2）平台的地震反应降为2/3， 解决了已建平台抗震能力不足的设计“瓶颈” ?????? 1）抗震安全度提高4倍 ?????? 北京地铁地面枢纽站大面积隔震住宅楼技术经济效益： ?? 480,000M2 ，目前世界最大隔震建筑。 ?????? 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 北京地铁地面枢纽站大面积平台上隔震住宅楼 ???? ● 大RC平台（2000米×1500米）上建造， 48 幢9层的隔震住宅楼。 ???? ● 隔震建筑面积480,000平方米 ， 目前世界面积最大隔震建筑群。 隔震支座施工安装 2+9层隔震房屋完好无损(0.6g) 2+9层不隔震房屋严重破坏，几乎倒塌（0.3g) 模拟地震振动台试验 模拟地震振动台试验 新疆乌鲁木齐八一钢厂隔震住宅楼群 ?? 新疆乌鲁木齐八一钢厂隔震住宅楼群， 2001年建成， 36栋，12万m2 ， 当年世界建筑面积最大隔震楼群之一 。 太原市-图书馆-隔震楼(6层) 1998年 广东澄海隔震住宅楼 太原市商住楼(目前我国最高的隔震建筑) ?? 山西省太原市，现正在建造一幢二十层（含地下一层）的高层商住楼。总高度55米,建筑面积15000m2,是基底隔震技术应用于高层建筑中成功的一例。1999年 ---目前我国最高的隔震建筑 汕头博物馆隔震楼 ?? 汕头市博物馆是国内采用隔震技术进行设计的最高和最大的公共建筑。博物馆为十层高42米的高层建筑，总建筑面积16600m2,平面形状复杂。由于采用了隔震设计,节省了土建造价6%左右。 筑物在地震中的安全,设计减震机理明确;有一定的耐久性;节省造价,构造简单,制作、施工、安装便捷.比沿用传统的抗震结构房屋，约节省造价3％. ?? 汕头博物馆于1995年7月兴建,42米高，按8度抗震设计,采用夹层橡胶垫建筑隔震技术,有着非常明显的优越性:理论上能确保建 首层隔震 汕头博物馆 广州市地震监测指挥中心隔震楼 隔震在别的方面的应用 *

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