結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)第04章

第4章結(jié)構(gòu)隔震、消能和減震控制

14.1.1結(jié)構(gòu)減震控制的減震機(jī)理

結(jié)構(gòu)減震控制，是指在建筑結(jié)構(gòu)的特定部位，裝設(shè)某種裝置（如隔震支座），或某種機(jī)構(gòu)（如消能支撐,消能剪力墻,消能節(jié)點(diǎn),消能器等），或裝設(shè)某種子結(jié)構(gòu)（如調(diào)頻質(zhì)量等），或施加外力（外部能量輸入），以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性或動(dòng)力作用，使工程結(jié)構(gòu)在地震的作用下，其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)（加速度、速度、位移）明顯減少，并得到合理的控制，確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中的人、儀器、設(shè)備、裝修等的安全和處于正常的使用環(huán)境狀況。這種結(jié)構(gòu)體系，稱為“結(jié)構(gòu)減震控制體系”。其相關(guān)的理論、技術(shù)和方法，統(tǒng)稱為“結(jié)構(gòu)控制”。

2結(jié)構(gòu)減震控制的減震機(jī)理

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程式:目的：明顯減少結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)

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

結(jié)構(gòu)減震控制

質(zhì)量調(diào)諧減震TMD，TLD等

主動(dòng)、半主動(dòng)控制AMD,AVS，AVSD等混合控制HybridControl

結(jié)構(gòu)隔震SeismicIsolation

4.1.2結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)方法分類

4結(jié)構(gòu)減震按能源輸入分類主動(dòng)、半主動(dòng)控制Active，Semi-Comtrol

結(jié)構(gòu)減震控制

結(jié)構(gòu)隔震，消能減震，質(zhì)量調(diào)諧減震

混合控制HybridControl

被動(dòng)控制PassiveControl

主動(dòng)質(zhì)量阻尼器，主動(dòng)拉索或支撐，主動(dòng)變剛度變阻尼，智能材料自控混合主動(dòng)、被動(dòng)控制5結(jié)構(gòu)減震按頻率相關(guān)分類吸收共振能量結(jié)構(gòu)減震控制

避開共振頻率頻率無關(guān)控制頻率相關(guān)控制主動(dòng)外加控制消能減震64.1.3結(jié)構(gòu)控制的特點(diǎn)和優(yōu)越性有效減震適用范圍廣檢測修復(fù)方便4.1.4結(jié)構(gòu)控制的應(yīng)用范圍及技術(shù)成熟性成熟：被動(dòng)控制不太成熟：半主動(dòng)控制不成熟：主動(dòng)控制74.2.1結(jié)構(gòu)隔震體系的基本特性結(jié)構(gòu)隔震體系是指在結(jié)構(gòu)物底部（或某層間部位）設(shè)置隔震裝置而形成的結(jié)構(gòu)體系。它包括上部結(jié)構(gòu)，隔震層（由隔震裝置或加設(shè)阻尼裝置等組成）和下部結(jié)構(gòu)三部份。為了達(dá)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(xiàng)基本特性：8結(jié)構(gòu)隔震體系的基本特性:1.承載特性隔震裝置應(yīng)具有較大的豎向承載能力，在結(jié)構(gòu)物正常使用狀況下或地震時(shí)，安全地支承著上部結(jié)構(gòu)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(shù)。2．隔震特性隔震裝置應(yīng)具有可變的水平剛度特性（圖4.5）。在強(qiáng)風(fēng)或微小地震時(shí)，具有足夠的水平剛度，不影響使用要求。9在中強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)，其水平剛度較小，上部結(jié)構(gòu)水平滑動(dòng)，使“剛性”的抗震結(jié)構(gòu)體系變?yōu)椤叭嵝浴钡母粽鸾Y(jié)構(gòu)系，其結(jié)構(gòu)基本周期大大延長（圖4.6），遠(yuǎn)離上部結(jié)構(gòu)（即傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)）的自振周期，也遠(yuǎn)離地面的場地特征周期，從而把地面震動(dòng)有效地隔開,明顯地降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，一般可使上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)（或地震作用）降低為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)的1/2~1/12（圖4.6和4.8）。104.阻尼消能特性隔震裝置應(yīng)具有足夠的阻尼，也即隔震裝置的水平荷載與水平位移關(guān)系曲線的包絡(luò)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(fù)位特性隔震裝置應(yīng)具有水平彈性恢復(fù)力，使隔震結(jié)構(gòu)體系在地震中具有瞬時(shí)自動(dòng)“復(fù)位”功能。地震后，上部結(jié)構(gòu)回復(fù)至初始狀態(tài)，滿足正常使用要求。11傳統(tǒng)房屋地震時(shí)激烈晃動(dòng)，房屋加速度可放大到原來的250%，梁柱開裂,內(nèi)部裝飾,設(shè)備破壞隔震房屋地震時(shí)緩慢平動(dòng)(長周期)房屋加速度減少可達(dá)到原來的40%，結(jié)構(gòu)彈性(變形集中在柔軟支座)，保護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部裝飾、設(shè)備1213抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的比較隔震結(jié)構(gòu)：在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置滑移層，阻止地震能量向上傳遞。抗震結(jié)構(gòu)：利用結(jié)構(gòu)各構(gòu)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(jié)構(gòu)隔震體系的減震機(jī)理

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程式:15加速度反應(yīng)衰減比式中16衰減放大174.2.3結(jié)構(gòu)隔振的優(yōu)越性

（1）明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震作用（2）確保安全（3）房屋造價(jià)增加很少（4）抗震措施簡單明了（5）震后無需修復(fù)（6）上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)限制較小18結(jié)構(gòu)隔震體系主要適用于下列工程:(1)地震區(qū)的民用建筑，例如住宅、辦公室、教學(xué)樓、宿舍樓、劇院、旅館、大商場等。(2)地震區(qū)的生命線工程，例如:醫(yī)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(jī)場等。(3)地震區(qū)的重要建筑結(jié)構(gòu)物，例如:重要?dú)v史性建筑、博物館、重要紀(jì)念性建筑物、文物或檔案館、重要圖書資料館、法院、監(jiān)獄、危險(xiǎn)品倉庫、有核輻射裝置等。(4)內(nèi)部有重要儀器設(shè)備的建筑結(jié)構(gòu)物，例如，計(jì)算機(jī)中心、精密儀器中心、實(shí)驗(yàn)中心、檢測中心等。(5)橋梁、架空輸水渠、雷達(dá)站、天文臺(tái)等重要結(jié)構(gòu)物。194.2.4結(jié)構(gòu)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(wěn)定穩(wěn)定的彈性復(fù)位功能構(gòu)造簡單，安裝方便耐久性好204.2.5結(jié)構(gòu)隔震房屋的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)遭遇到設(shè)防烈度時(shí)，不需修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭遇罕遇烈度時(shí)，不發(fā)生危及生命安全和喪失使用功能的破壞。21結(jié)構(gòu)隔震控制目標(biāo)的確定常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔震裝置選用結(jié)構(gòu)隔震體系動(dòng)力參數(shù)確定結(jié)構(gòu)隔震作用計(jì)算隔震結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算隔震建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)隔震房屋的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容和步驟：224.2.6結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)要點(diǎn)2324等效側(cè)力法：周期較短的結(jié)構(gòu)時(shí)程分析法：周期較短的結(jié)構(gòu)25262728（4）采用等效側(cè)力法時(shí)，隔震房屋結(jié)構(gòu)的地震作用及其分布可按《規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，并參照下列有關(guān)規(guī)定：G――隔震層以上結(jié)構(gòu)的重力荷載代表值K――隔震層水平有效剛度29結(jié)構(gòu)層間剪力應(yīng)按下式計(jì)算：隔震層水平位移可按下列規(guī)定計(jì)算：30等效側(cè)力法計(jì)算步驟類似于底部剪力法 計(jì)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(dòng)假設(shè)：各樓層加速度相同F(xiàn)jk――j層水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值Vik――i層剪力標(biāo)準(zhǔn)值34隔震層的水平位移354.2.7隔震層的計(jì)算要點(diǎn)（1）隔震支座的受壓承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)符合下列要求：①當(dāng)形狀系數(shù)S1≥15、S2≥5時(shí)，對(duì)于甲類建筑，壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值不宜大于10MPa；對(duì)于乙類建筑，壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值不宜大于12MPa；對(duì)于丙類建筑，壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值不宜大于15MPa，但對(duì)于直徑小于300mm的隔震支座，壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值不宜大于10MPa。②當(dāng)形狀系數(shù)不滿足上述要求時(shí)，壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)適當(dāng)降低。當(dāng)5＞S2≥4時(shí)，降低20%；當(dāng)4＞S2≥3時(shí)，降低40%。36圖4.22隔震支座內(nèi)部構(gòu)造a.隔震支座的第一形狀系數(shù)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(yīng)按下式計(jì)算；圓形截面：矩形截面：

37b.隔震支座的第二形狀系數(shù)S2(有效直徑d與橡膠層總厚度tr之比)

，應(yīng)按下式計(jì)算；圖4.22隔震支座內(nèi)部構(gòu)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(fēng)裝置的上、下連接件，連接用預(yù)埋件等）應(yīng)按罕遇地震作用進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。（3）抗風(fēng)裝置應(yīng)按下式要求進(jìn)行驗(yàn)算：式中：VRw為抗風(fēng)裝置的水平承載力設(shè)計(jì)值。當(dāng)抗風(fēng)裝置是隔震支座的組成部分時(shí)，取隔震支座的水平屈服荷載設(shè)計(jì)值；當(dāng)抗風(fēng)裝置單獨(dú)設(shè)置時(shí)，取抗風(fēng)裝置的水平承載力，可按材料屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值確定；gw為風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)，采用1.4；Vwk為風(fēng)荷載作用下隔震層的水平剪力標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)滿足下列要求：式中：umax為在罕遇地震作用下考慮扭轉(zhuǎn)影響時(shí)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(xiàn)不可恢復(fù)變形；隔震支座的拉應(yīng)力不應(yīng)大于1Mpa。404.2.8結(jié)構(gòu)隔震房屋的構(gòu)造設(shè)計(jì)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(fēng)裝置組成（2）隔震層剛度中心宜與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心重合（3）隔震支座的平面布置宜與上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)中豎向受力構(gòu)件的平面位置對(duì)應(yīng)（4）同一房屋盡量選用相同型號(hào)隔震支座（5）支座間距大于安裝和更換所需空間尺寸（6）設(shè)置在隔震層的抗風(fēng)裝置宜對(duì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及隔震層部件應(yīng)與周圍固定物脫開4、樓梯、電梯穿過隔震層 懸吊于上部結(jié)構(gòu)；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(shù)性能和構(gòu)造要求目前，國內(nèi)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(shù)性能型式檢驗(yàn)要求1）在軸壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值作用下的豎向剛度；2）在軸壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值作用下的豎向變形性能；3）豎向極限壓應(yīng)力,壓應(yīng)力破壞極限值不應(yīng)小于90MPa；4）在水平位移為0.55倍有效直徑時(shí)的豎向極限壓應(yīng)力；5）豎向極限拉應(yīng)力,拉應(yīng)力屈服極限值不應(yīng)小于1.5Mpa;436）在軸壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值作用下，在水平剪切應(yīng)變分別為50%、100%、250%，且相應(yīng)的水平加載頻率分別為0.3Hz、0.2Hz、0.1Hz時(shí)的有效水平剛度；對(duì)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(yīng)力設(shè)計(jì)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(yīng)力設(shè)計(jì)值作用下，在水平剪切應(yīng)變分別為50%、100%、250%，且相應(yīng)的水平加載頻率分別為0.3Hz、0.2Hz、0.1Hz時(shí)的有效阻尼比；448）在軸壓應(yīng)力設(shè)計(jì)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(guān)性能，包括在不同的豎向軸壓應(yīng)力、水平剪切應(yīng)變、水平加載頻率、環(huán)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(shù)性能出廠檢驗(yàn)要求每項(xiàng)工程采用的隔震支座的產(chǎn)品性能必須經(jīng)出廠檢驗(yàn)合格，提供下列性能指標(biāo)：（1）在軸壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值作用下的豎向剛度。（2）在軸壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值作用下，水平剪切應(yīng)變分別為50%，100%，250%，且相應(yīng)的水平加載頻率分別為0.3Hz，0.2Hz，0.1Hz時(shí)的有效水平剛度；對(duì)有芯型或其他含有阻尼裝置的隔震支座，或單獨(dú)設(shè)置的阻尼裝置或抗風(fēng)裝置，還須提供在軸壓應(yīng)力設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)軸壓應(yīng)力作用下，水平剪切應(yīng)變分別為50%，100%，250%，且相應(yīng)的水平加載頻率分別為0.3Hz，0.2Hz，0.1Hz時(shí)的有效阻尼比。（4）隔震支座產(chǎn)品性能的出廠檢驗(yàn)數(shù)量，每項(xiàng)工程每種主要規(guī)格不少于3個(gè)。如發(fā)現(xiàn)有不合格產(chǎn)品，應(yīng)加倍進(jìn)行抽檢；在加倍抽檢中如仍出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，則必須進(jìn)行全數(shù)檢驗(yàn)。（5）隔震支座的力學(xué)性能檢驗(yàn)，應(yīng)在能按不同頻率施加反復(fù)循環(huán)荷載的、符合要求的伺服試驗(yàn)機(jī)上圖4.21有芯型隔震支座水平荷載與水平變位關(guān)系曲線圖4.22隔震支座內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行。47三、隔震支座構(gòu)造要求隔震支座的形狀系數(shù)應(yīng)符合下列要求：a.隔震支座的第一形狀系數(shù)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(yīng)按下式計(jì)算；圓形截面：矩形截面：

b.隔震支座的第二形狀系數(shù)S2(有效直徑d與橡膠層總厚度tr之比)

，應(yīng)按下式計(jì)算；圓形截面：矩形截面：

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S1──隔震支座第一形狀系數(shù)；S2──隔震支座第二形狀系數(shù)；

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(chǔ)隔震的應(yīng)用4.3.1基礎(chǔ)隔震技術(shù)的提出4.3.2基礎(chǔ)隔震技術(shù)的現(xiàn)代階段絕大多數(shù)采用的是粘結(jié)型疊層橡膠墊隔震體系。

524.3.3基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)要點(diǎn)1．應(yīng)根據(jù)預(yù)期的水平向減震系數(shù)和位移控制要求選擇適當(dāng)?shù)母粽鹬ё?．應(yīng)進(jìn)行豎向承載力驗(yàn)算和罕遇地震下水平位移驗(yàn)算。3．隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平地震作用應(yīng)根據(jù)水平向減震系數(shù)確定。4．其豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，8度（0.2g）、8度（0.3g）、9度時(shí)分別不應(yīng)小于隔震層以上結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值的20%、30%和40%。535．計(jì)算簡圖圖4.23計(jì)算簡圖一般情況宜采用“時(shí)程分析法”進(jìn)行計(jì)算。若處于發(fā)震斷層10km以內(nèi)，若輸入地震波未計(jì)入近場影響，則近場系數(shù)取1.5(5km以內(nèi))和1.25(5～10km)。546．隔震層以上的地震作用（1）對(duì)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(shù)最大值：55隔震后結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震的結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時(shí)的總水平地震作用。567．各橡膠隔震支座的豎向平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值，不應(yīng)超過表4.5的規(guī)定。表4.5橡膠隔震支座平均壓應(yīng)力限值建筑類別甲類乙類丙類平均壓應(yīng)力限值(MPa)101215注：（1）平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)按永久荷載和可變荷載組合計(jì)算，對(duì)需驗(yàn)算傾覆的結(jié)構(gòu)應(yīng)包括水平地震作用效應(yīng)組合；對(duì)需進(jìn)行豎向地震作用計(jì)算的結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)包括豎向地震作用效應(yīng)組合；（2）當(dāng)橡膠支座的第二形狀系數(shù)(有效直徑與各橡膠層總厚度之比)小于5.0時(shí)應(yīng)降低平均壓應(yīng)力限值：小于5不小于4時(shí)降低20%，小于4不小于3時(shí)降低40%；（3）外徑小于300mm的橡膠支座，其平均壓應(yīng)力限值對(duì)丙類建筑為10MPa。575810．砌體結(jié)構(gòu)的隔震措施（1）當(dāng)水平向減震系數(shù)不大于0.40時(shí)，丙類建筑的多層砌體結(jié)構(gòu)，房屋的層數(shù)、總高度和高度比限值，可按《規(guī)范》第7.1節(jié)中降低一度的有關(guān)規(guī)定采用。（2）砌體結(jié)構(gòu)隔震層的構(gòu)造應(yīng)符合下列規(guī)定：①多層砌體房屋的隔震層位于地下室頂部時(shí)，隔震支座不宜直接放置在砌體墻上，并應(yīng)驗(yàn)算砌體的局部承壓。②隔震層頂部縱、橫梁的構(gòu)造均應(yīng)符合關(guān)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(jié)構(gòu)隔震計(jì)算（1）通過驗(yàn)算豎向承載力確定隔震支座數(shù)

注意設(shè)計(jì)值和代表值的區(qū)別

（2）按單質(zhì)點(diǎn)計(jì)算基本周期（3）計(jì)算減震系數(shù)（4）計(jì)算底部剪力和各質(zhì)點(diǎn)剪力

注意等效測力法與底部剪力法的區(qū)別（5）驗(yàn)算罕遇地震下位移67五、砌體結(jié)構(gòu)隔震計(jì)算例題隔震計(jì)算例題(五層砌體結(jié)構(gòu)P217)已知：設(shè)防烈度7度，II類場地，設(shè)計(jì)地震分組二組，丙類建筑，近場系數(shù)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(jì)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(jié)構(gòu)的重力荷載代表值為：69（2）驗(yàn)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(shè)計(jì)值選用32個(gè)VP300隔震支座滿足豎向承載力要求70（3）水平動(dòng)剛度（4）隔震體系的基本周期重新選用32個(gè)VP400：71（5）重新計(jì)算水平動(dòng)剛度（6）重新計(jì)算隔震體系的基本周期（7）查Tgm=0.4s（小于0.4s時(shí)，須取0.4s）（8）計(jì)算等效阻尼比

zeq72（9）計(jì)算減震系數(shù)73（10）確定地震作用隔震時(shí)非隔震時(shí)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(yàn)算查近場系數(shù)故橡膠層總厚101mm，