地震工程學(xué)課程論文

河海大學(xué)研究生課程論文隔震技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用課程名稱(chēng)：地震工程學(xué)專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程學(xué)生姓名：肖慶學(xué)號(hào)：11321013二O—二年五月第1章引言隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，城市人口越來(lái)越密集，使得當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)造成的損失地震比以往更為嚴(yán)重。建國(guó)以來(lái)的一系列強(qiáng)震，尤其是汶川地震以來(lái)，人們愈發(fā)認(rèn)識(shí)到我國(guó)在抗震領(lǐng)域的不足，以及提高房屋的抗震性能的重要性。房屋隔震是一項(xiàng)在國(guó)外發(fā)展較早并應(yīng)用廣泛的技術(shù)，在地震的檢驗(yàn)中已經(jīng)顯示出它的良好效果。本文主要介紹了隔震技術(shù)的現(xiàn)狀和國(guó)外前沿的發(fā)展情況。第2章隔震技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀日本作為多震國(guó)家，其隔震技術(shù)出現(xiàn)較早，國(guó)外最早提出基礎(chǔ)隔震概念的學(xué)者是日本的河合浩藏，他通過(guò)在地基上交錯(cuò)放置幾層圓木，再在圓木上構(gòu)筑混凝土基礎(chǔ)，通過(guò)圓木的滾動(dòng)來(lái)消弱地震力的傳播。最早應(yīng)用了這種隔震思想的現(xiàn)代建筑是東京的帝國(guó)飯店，在關(guān)東大地震中，該建筑物保存完好而周?chē)ㄖp害嚴(yán)重，證明了這個(gè)思路具有一定可行性。通過(guò)之后的一些學(xué)者們的探索，提出了利用阻尼器來(lái)吸收地震能量的做法，初步建立了現(xiàn)代隔震機(jī)構(gòu)的理論框架。進(jìn)入20世紀(jì)60年代以來(lái)，新西蘭、日本等國(guó)家的學(xué)者陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可用的橡膠隔震支座。在1994年洛杉磯地震和1995年阪神地震中采用橡膠隔震支座的建筑表現(xiàn)出色，引起了人們對(duì)隔震應(yīng)用的狂熱，隔震元件進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)階段。目前研究基礎(chǔ)隔震技術(shù)的方案很多，歸納起來(lái)可分為：（1）橡膠支座隔震，（2）滑動(dòng)隔震，（3）滾珠與滾軸隔震，（4）擺動(dòng)隔震，（5）彈簧結(jié)構(gòu)隔震，（6）混合隔震。在全球范圍內(nèi)，至少有25個(gè)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始了基礎(chǔ)隔震的研究，應(yīng)用范圍不僅是新修房屋，還包括橋梁與建筑物加固，使用隔震技術(shù)的高層建筑物也越來(lái)越多。我國(guó)隔震技術(shù)的發(fā)展是與建筑業(yè)發(fā)展以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的成長(zhǎng)相同步的，在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)時(shí)代，低造價(jià)的砌體結(jié)構(gòu)房屋仍然占著我國(guó)建筑物中的主要部分，直到二十世紀(jì)八十年代，隔震技術(shù)才得到重視，我國(guó)的隔震研究首先是從針對(duì)磚混砌體結(jié)構(gòu)的摩擦性能，利用有限單元法等方法，對(duì)各材料摩擦性能，材料選擇以及模型試驗(yàn)上取得一系列成果，建造了一批試點(diǎn)工程，積累了不少實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。八十年代后期，我國(guó)的研究者將目光轉(zhuǎn)向橡膠支座，在隨后的十年內(nèi)，對(duì)橡膠支座的研究逐漸趨于成熟，該技術(shù)成為了主流工程應(yīng)用。隨著我國(guó)的研究力度加大，橡膠支座在我國(guó)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，價(jià)格已經(jīng)低于國(guó)外的同類(lèi)產(chǎn)品。自1996年來(lái)，國(guó)內(nèi)的研究重點(diǎn)已經(jīng)從應(yīng)用基礎(chǔ)理論轉(zhuǎn)向工程試點(diǎn)和推廣應(yīng)用中的配套技術(shù)的研究。隔震支座在我國(guó)的應(yīng)用可以分為兩個(gè)階段，1993年以前，以摩擦滑移隔震試點(diǎn)為主，93年以后逐漸以橡膠支座體系為主。橡膠支座在我國(guó)的發(fā)展歷經(jīng)了由小至大的過(guò)程，進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，已經(jīng)進(jìn)入了推廣應(yīng)用階段，采用該技術(shù)的建筑物占到整個(gè)應(yīng)用量的90%以上。隔震技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用有以下特點(diǎn)：（1）推廣速度快。國(guó)外的抗震技術(shù)從出現(xiàn)到大面積應(yīng)用經(jīng)歷過(guò)許多次大地震的考驗(yàn)和驗(yàn)證，而在我國(guó)，這個(gè)驗(yàn)證期要短得多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的建筑面積已經(jīng)超過(guò)140萬(wàn)平方米。（2）國(guó)外的抗震技術(shù)主要應(yīng)用在公共建筑上，如醫(yī)院、圖書(shū)館、辦公樓等，而我國(guó)側(cè)重于量大面廣的一般工程，尤其是民房建筑。（3）主要用于中高烈度區(qū)，8度、9度區(qū)，約占總量80%以上。這是由高烈度地區(qū)對(duì)房屋抗震性能的高要求造成的。早期隔震試點(diǎn)建筑絕大部分建造在我國(guó)西南9度區(qū)。（4）抗震建筑主要集中在烈度較高的省會(huì)城市，而這些城市大多經(jīng)濟(jì)實(shí)力較好，例如山西太原，新疆烏魯木齊。（5）與國(guó)外相比，我國(guó)的隔震技術(shù)主要應(yīng)用在新建建筑物上，對(duì)于一些著名的舊時(shí)建筑，雖然有一些加固論證，但是還沒(méi)有實(shí)行。（6）隔震技術(shù)的應(yīng)用范圍已經(jīng)不僅限于房屋建筑，一些地鐵，橋梁上也已經(jīng)使用了隔震元件，雖然和國(guó)外相比，應(yīng)用范圍還不夠廣闊。自90年代以來(lái)，國(guó)家科委攻關(guān)項(xiàng)目、自然科學(xué)基金會(huì)等隔震研究項(xiàng)目先后通過(guò)鑒定以及有關(guān)部門(mén)的推廣，形成了一系列抗震技術(shù)規(guī)范。主要包括：《疊層橡膠隔震支座隔震技術(shù)規(guī)范》、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑橡膠隔震支座》產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，抗震技術(shù)并不是一項(xiàng)僅在高烈度地區(qū)使用，當(dāng)某一地區(qū)發(fā)生超烈度地震時(shí)，隔震建筑往往能起來(lái)良好的抗倒塌效果。第3章隔震支座工作原理與分類(lèi)隔震支座根據(jù)工作方式可分為橡膠隔震支座與滑動(dòng)隔震支座。橡膠支座根據(jù)材料不同，可以分為普通橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座、高阻尼橡膠隔震支座。普通橡膠墊支座由薄橡膠板與薄鋼板分層交替疊合在高溫、高壓下整體硫化而成，橡膠層與鋼板緊密結(jié)合確保了鋼板對(duì)橡膠層的變形約束，使其具有較高的阻尼，能有效降低結(jié)構(gòu)的地震作用，減小隔震層的位移，保證地基在地震到來(lái)時(shí)不出現(xiàn)拉應(yīng)力。橡膠隔震支座的耐久性能取決于橡膠，影響橡膠性能的主要原因是氧化反應(yīng)和蠕變。通過(guò)加入抗氧化劑，隔震元件的壽命可以與建筑物壽命相當(dāng)。普遍認(rèn)為此種支座的生產(chǎn)工藝已經(jīng)趨于成熟，而在其中黏合劑的選用上還有一定的研究空間。鉛芯阻尼器的滯回特點(diǎn)與橡膠支座類(lèi)似，其荷載 -變形關(guān)系穩(wěn)定，可重復(fù)使用，對(duì)環(huán)境因素不敏感，壽命較長(zhǎng)，因而受到了廣泛使用。然后它在大變形階段，鉛芯易被擠壓而難以復(fù)位。而且鉛對(duì)環(huán)境也有破壞作用。為了替代鉛芯橡膠支座而采用了高阻尼隔震支座。高阻尼支座的原理主要是不同材料的共混，通過(guò)不同種類(lèi)橡膠的共混或橡膠與塑料共混等其他方式。高阻尼橡膠支座在動(dòng)力作用下表現(xiàn)出黏彈性性質(zhì)。在日本，這種技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入推廣階段，而我國(guó)剛剛起步。滑動(dòng)隔震支座通過(guò)設(shè)置滑動(dòng)材料，限制基礎(chǔ)向上傳遞地震力?；瑒?dòng)支座具有滑動(dòng)前自振周期與結(jié)構(gòu)周期相同，而滑動(dòng)后隔震層的剛度為0，因而可以避開(kāi)任何地震波產(chǎn)生的共振效應(yīng)。對(duì)于某些特殊情形，宜使用混合隔震技術(shù)，混合隔震又稱(chēng)為組合隔震或并聯(lián)復(fù)合隔震，由橡膠支座和摩擦滑動(dòng)支座組成，其中橡膠支座提供系統(tǒng)的彈性復(fù)合力?；旌匣聘粽鹣到y(tǒng)滑動(dòng)前存在一個(gè)結(jié)構(gòu)自震周期，滑動(dòng)后變?yōu)橄鹉z支座隔震結(jié)構(gòu)周期，對(duì)于高層建筑，結(jié)構(gòu)本身的自振周期很長(zhǎng)，而橡膠支座的振動(dòng)周期有限?；旌细粽鹉芴岣吒粽鹦Ч??；旌细粽痼w系中，滑移摩擦力支座的相對(duì)滑移系數(shù)是影響隔震效果的主要因素之一?；瑒?dòng)系數(shù)小則隔震效果好。隔震加固是將隔震技術(shù)應(yīng)用在已經(jīng)建成的建筑物中。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)最早的是1989年美國(guó)鹽湖城大廈的改造，此后美國(guó)的奧克蘭、舊金山和洛杉磯市政大樓、聯(lián)合國(guó)大廈等數(shù)十棟建筑的抗震加固，以及日本一些公共建筑，如機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院的加固中也應(yīng)用了這種技術(shù)。國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用抗震加固的是山西省忻州市的中學(xué)校舍1/3加固，經(jīng)加固后校舍建筑達(dá)到了抗震乙類(lèi)要求，降低了地震力的1/3第4章國(guó)外隔震系統(tǒng)的研究4.1多端式隔震系統(tǒng)多端式隔震系統(tǒng)是日本研制的一種被動(dòng)隔震系統(tǒng)，整個(gè)隔震裝置分為 3層，每層由疊層橡膠和摩擦滑移裝置并聯(lián)，隔震裝置的中心位置放置疊層橡膠，疊層橡膠周?chē)h(huán)繞著摩擦滑移隔震部件。這種裝置與傳統(tǒng)的由疊層橡膠與滑動(dòng)摩擦裝置組成的復(fù)合隔震支座相比有以下特點(diǎn)：首先它繼承了復(fù)合隔震系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，既利用了磨擦滑移裝置良好的耗能能力，又通過(guò)疊層橡膠提供了恢復(fù)力使系統(tǒng)復(fù)原，而且縮小了隔震系統(tǒng)自身的占地面積，給實(shí)際使用帶來(lái)了很大方便;其次，變形由各層分擔(dān)，使褥層不必有過(guò)大的變形，從而獲得良好的整體變形能力 ;第三，該種隔震系統(tǒng)的耗能能力和水平變形性能與解析結(jié)果符合得較好，便于深入研究分析。4.2高層隔震系統(tǒng)近年來(lái)，高層和超高層隔震結(jié)構(gòu)體系的研究和應(yīng)用在世界各國(guó)逐漸得到了重視，也代表了現(xiàn)階段隔震技術(shù)的發(fā)展方向，國(guó)外在不少高層建筑中也采用隔震技術(shù)。隔震技術(shù)在高層建筑中應(yīng)用的合理性來(lái)源于多個(gè)方面，其中比較主要的方面在于隔震層同時(shí)也是絕好的消能減震層，結(jié)構(gòu)的大部分變形集中在隔震層，使得隔震層中阻尼器的消能作用具有更高的效率。在隔震層造價(jià)增加不很顯著的情況下，無(wú)疑具有更好的經(jīng)濟(jì)性，并且不需要外部能源，技術(shù)成熟，易于工程實(shí)現(xiàn)。高層建筑面臨的問(wèn)題之一便是傳統(tǒng)疊層橡膠支座在遭受地震作用時(shí)，由于傾覆力矩的作用，其隔震層會(huì)產(chǎn)生拉力。在無(wú)法通過(guò)改變隔震裝置位置來(lái)消除傾覆力矩所產(chǎn)生的拉力時(shí)，這種拉力就會(huì)直接作用在隔震裝置上。而普通的疊層橡膠隔震裝置的抗拉性能很差。高強(qiáng)度疊層橡膠隔震裝置是解決這一問(wèn)題的方法之一。該隔震系統(tǒng)所能承受的拉應(yīng)力可達(dá)2.5MPa以上，為以往疊層橡膠隔震裝置所能承受的拉應(yīng)力的2倍以上。根據(jù)試驗(yàn)，這種隔震裝置可以承受16000kN的壓力，最大可承受約6000kN的拉力，這樣的性能是傳統(tǒng)疊層橡膠裝置無(wú)法達(dá)到的，此隔震裝置可以適用于150m高的建筑上，因而具有較高的實(shí)用價(jià)值。全向滑軌隔震裝置的研制開(kāi)發(fā)也是為了滿(mǎn)足高層建筑的隔震要求。這種隔震裝置由位于鋼板上排列為井字狀的四段滑軌，和位于四角的四個(gè)高塑性疊層橡膠組成。上部結(jié)構(gòu)和上層滑軌與高塑性疊層橡膠相連，鋼板與基礎(chǔ)固定，井字形滑軌可以滿(mǎn)足上部結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)任意方向滑動(dòng)，并通過(guò)滑軌側(cè)面的溝與滑塊間的咬合力來(lái)抵抗拉力高塑性疊層橡膠主要起耗散地震能量、提供恢復(fù)力的作用。滑軌的使用彌補(bǔ)了疊層橡膠抗拉力弱的缺陷，發(fā)揮了高塑性疊層橡膠耗散能量、提供恢復(fù)力、具有良好變形性能的特性。試驗(yàn)證明它可以很好適用于 150m以下的高層建筑。4.3三維隔震技術(shù)普通的隔震系統(tǒng)只把減弱水平方向地震作用作為主要目標(biāo)，認(rèn)為豎向地震動(dòng)產(chǎn)生的慣性力與結(jié)構(gòu)自重相比很小，建筑物內(nèi)部物品的翻倒、移動(dòng)是由于水平地震動(dòng)引起的。因此，在設(shè)計(jì)隔震裝置時(shí)，只考慮到水平隔震的要求，豎向地震動(dòng)對(duì)建筑物的地震損壞通常被忽略。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活環(huán)境的質(zhì)量要求不斷提高，既能在地震中隔離水平地震作用，又能在日常使用中隔離由于交通車(chē)輛運(yùn)動(dòng)引起的豎向振動(dòng)的隔震裝置逐漸受到關(guān)注。日本開(kāi)發(fā)出了適用于一般建筑物的三維隔震系統(tǒng)，它在一定程度上解決了上述問(wèn)題。這種3維隔震系統(tǒng)由上下兩部分組成，下部為疊層橡膠，用來(lái)隔離水平地震作用，上部采用彈簧與粘性阻尼器并排連接以達(dá)到豎向隔震作用。這種三維隔震裝置既利用了疊層橡膠裝置良好的水平隔震特性，又發(fā)揮了彈簧與粘性阻尼關(guān)聯(lián)后良好的豎向隔震性能，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于實(shí)際使用。第5章．日本懸浮式隔震技術(shù)日本作為隔震技術(shù)的先行者，已經(jīng)逐步在國(guó)內(nèi)建立了一整套的地震減災(zāi)體系，隨著地震探測(cè)技術(shù)的提高，人們對(duì)地震的應(yīng)變時(shí)間也在增長(zhǎng)，從以往的猝不及防到現(xiàn)在大約有一分鐘的逃生時(shí)間，懸浮式隔震技術(shù)，是一種主動(dòng)式的隔震技術(shù)，結(jié)合了地震探測(cè)技術(shù)與新型隔震技術(shù)。

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pushedm?po^ioniingdnwKe這種懸浮式氣墊隔震系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)房屋下的地震傳感器感應(yīng)到了地震來(lái)臨，或者接受到了地震中心發(fā)布的地震預(yù)警后，通過(guò)空氣壓縮裝置將空氣迅速壓入房屋地基下的一個(gè)氣墊層，氣墊層充氣后講房屋托起，此裝置能自動(dòng)調(diào)整托起的高度，以應(yīng)對(duì)地震帶來(lái)的波動(dòng)，減輕地震力的影響，當(dāng)?shù)卣鸱逯颠^(guò)去后，通過(guò)定位設(shè)備將房屋恢復(fù)到地震來(lái)臨前的狀態(tài)。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是：由于使用氣墊作為隔震器，房屋上部與地基脫離接觸，能大幅降低地震引起的強(qiáng)烈波動(dòng)。但此項(xiàng)技術(shù)對(duì)我國(guó)國(guó)