1 第八章第八章 隔震、减震与结构控制初步隔震、减震与结构控制初步 8 81 1 结构抗震设计思想的演化与发展结构抗震设计思想的演化与发展 由震源产生的地震力，通过一定途径传递到建筑物所在场地，引起结构的地震反应。一 般来说， 建筑物的地震位移反应沿高度从下向上逐级加大， 而地震内力则自上而下逐级增加。 当建筑结构某些部分的地震力超过该部分所能承受的力时，结构就将产生破坏。 在抗震设计的早期，人们曾企图将结构物设计为“刚性结构体系” 。这种体系的结构地 震反应接近地面地震运动， 一般不发生结构强度破坏。 但这样做的结果必然导致材料的浪费， 诚如著名的地震工程专家 Rosenblatt 所说的那样： “为了满足我们的要求，人类所有财富可 能都是不够的，大量的一般结构将成为碉堡。 ”作为刚性结构体系的对立体系，人们还设想 了“柔性结构体系” ，即通过大大减少结构物的刚性来避免结构与地面运动发生类共振，从 而减轻地震力。但是，这种结构体系在地震动作用下结构位移过大，在较小的地震时即可能 影响结构的正常使用， 同时， 将各类工程结构都设计为柔性结构体系， 也存在实践上的困难。 长期的抗震工程实践证明：将一般结构物设计为“延性结构”是合宜的。通过适当控制结构 物的刚度与强度， 使结构构件在强烈地震时进入非弹性状态后仍具有较大的延性， 从而可以 通过塑性变形消耗地震能量，使结构物至少保证“坏而不倒” ，这就是对“延性结构体系” 的基本要求。在现代抗震设计中，实现延性结构体系设计是工程师所追求的抗震基本目标。 然而， 延性结构体系的结构， 仍然是处于被动地抵御地震作用的地位。 对于多数建筑物， 当遭遇相当于当地基本烈度的地震袭击时， 结构即可能进入非弹性破坏状态， 从而导致建筑 物装修与内部设备的破坏，造成巨大的经济损失。对于某些生命线工程（如电力、通讯部门 的核心建筑） ，结构及内部设备的破坏可以导致生命线网络的瘫痪，所造成的损失更是难以 估量。所以，随着现代化社会的发展，各种昂贵设备在建筑物内部配置的增加，延性结构体 系的应用也有了一定的局限性。 面对新的社会要求， 各国地震工程学家一直在寻求新的结构 抗震设计途径。以隔震、减震、制振技术为特色的结构控制设计理论与实践，便是这种努力 的结果。 隔震，是通过某种隔离装置将地震动与结构隔开，以达到减小结构振动的目的。隔震方 法主要有基底隔震和悬挂隔震等类型。 减震，是通过采用一定的耗能装置或附加子结构吸收或消耗地震传递给主体结构的能 量，从而减轻结构的振动。减震方法主要有耗能减震、吸振减震、冲击减震等类型。 狭义的制振技术又称结构主动控制。它是通过自动控制系统主动地给结构施加控制力， 以期达到减小结构振动的目的。 目前，结构隔震技术已基本进入实用阶段，而对于减震与制振技术，则正处于研究、探 索并部分应用于工程实践的时期。 82 隔震原理与方法隔震原理与方法 821 隔震原理隔震原理 这里主要介绍基底隔震方法。基底隔震的基本思想是在结构物地面以上部分的底部设 置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶面分离开，从而限制地震动向结构物的传递。大量 试验研究工作表明：合理的结构隔震设计一般可使结构的水平地震加速度反应降低 60%左 右，从而可以有效地减轻结构的地震破坏，提高结构物的地震安全性。 2 普通中低层建筑物 阻尼的增加 隔震：周期延 长+阻尼增加 周期 减振：附 加阻尼 反 应 加 速 度 (a) 加速度反应谱 钢板 反 应 位 移 减振：附加阻尼 阻尼的增加 (b) 位移反应谱 普通中低 层建筑物 周期 隔震：周期延 长+阻尼增加 图8-1 隔震原理 图8-2 隔震结构计算简图 隔震的技术原理可以用图 8.1 进一步阐明。图中所示为一般的地震反应谱。首先，隔震 层通常具有较大的阻尼，从而使结构所受地震作用较非隔震结构有较大的衰减。其次，隔震 层具有很小的侧移刚度，从而大大延长了结构物的周期，因而，结构加速度反应得到进一步 降低（图 8.1a） 。与此同时，结构位移反应在一定程度上增加（图 8.1b） 。 鉴于上述技术原理，在进行基底隔震结构设计时应注意： 1在满足必要的竖向承载力的前提下，隔震装置的水平刚度应尽可能小，以使结构周期尽 可能远离地震动的卓越周期范围； 2保证隔震结构在强风作用下不致有太大的位移。为此，通常要求在隔震结构系统底部安 装风稳定装置或用阻尼器与隔震装置联合构成基底隔震系统。 822 隔震隔震分析模型分析模型 隔震建筑系统的动力分析模型可根据具体情况选用单质点模型、 多质点模型甚至空间分 析模型。 当上部结构侧移刚度远大于隔震层的水平刚度时， 可以近似认为上部结构是一个刚 体，从而将隔震结构简化为单质点模型进行分析，其动力平衡方程形式为 g xmkxxcxm =+ （8.1） 式中，m结构的总质量； kc,隔震层的阻尼系数和水平刚度； xxx, , 上部简化刚体相对于地面的加速度、速度与位移； g x 地面加速度过程。 当要求分析上部结构的细部地震反应时，可以采用多质点模型或 空间分析模型。这些模型可视为在常规结构分析模型底部加入隔震层 简化模型的结果。例如，对于多质点模型，隔震层可用一个水平刚度 为k，阻尼系数为c的结构层简化之（图 8.2） 。 其中，水平动刚度计算式为， = = N i ih KK 1 （8.2） 3 钢板 橡胶 图8-3 叠层橡胶支座 1.橡胶 2.铅芯 3.钢片 图8-4 铅芯橡胶支座 式中：N隔震支座数量； i K第i个隔震支座的水平动刚度。 等效粘滞阻尼比计算式为： h N i ii eq K K = = 1 （8.3） 式中： i 第i个隔震支座的等效粘滞阻尼比。 这样，就可以采用本书第三章所述的时程分析方法进行隔震结构系统的地震反应分析。 显然， 也可以采用反应谱方法进行隔震结构的地震反应分析， 但这时采用的反应谱应是经过 阻尼比调整后的反应谱曲线。 采用隔震装置的隔震结构， 可以有效地降低隔震层以上结构的水平地震作用。 我国建筑 抗震设计规范采用水平向减震系数的概念来反映这一特点， 且规定： 隔震结构水平地震作用 沿高度采用矩形分布， 水平向地震影响系数最大值采用非隔震结构水平地震影响系数最大值 与水平向减震系数的乘积。 而水平向减震系数可根据结构隔震与非隔震两种情况下的层间剪 力的最大比值按表 8-1 确定。水平向减震系数不宜低于 0.25，且隔震结构的总水平地震作用 不得低于非隔震结构在 6 度设防时的总水平地震作用。 表表 8-1 层间剪力最大比值与水平向层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系减震系数的对应关系 层间剪力最大比值 0.53 0.35 0.26 0.18 水平向减震系数 0.75 0.50 0.38 0.25 823 常用隔震装置常用隔震装置 1橡胶支座隔震 橡胶支座是最常见的隔震装置。 常见的橡胶支座分为钢板叠层橡胶支座、 铝芯橡胶支座、 石墨橡胶支座等类型。 钢板叠层橡胶支座由橡胶片和薄钢板叠合而成 （图 8.3） 。 由于薄钢板对橡胶片的横向变 形有限制作用，因而使支座竖向刚度较纯橡胶支座大大增加。支座的橡胶层总厚度越小，所 能承受的竖向荷载越大。为了提高叠层橡胶支座的阻尼，发明了铝芯橡胶支座（图 8.4） ，这 种隔震支座在叠层橡胶支座中间钻孔灌入铝芯而成。铝芯可以提高支座大变形时的吸能能 力。一般说来，普通叠层橡胶支座内阻尼较小，常需配合阻尼器一起使用，而铝芯橡胶支座 由于集隔震器与阻尼器于一身，因而可以独立使用。在天然橡胶中加入石墨，也可以大幅度 橡胶支座的阻尼，但石墨橡胶支座在实际中应用还不 多。 通常使用 的橡胶支座， 水平刚度是竖 向刚度的 1% 左右，且具有 显著的非线性变形特征（图 8-5） 。当小变形时，其刚 度很大，这对建筑结构的抗风性能有利。当大变形时， 橡胶的剪切刚度可下降至初始刚度的 1/51/4，这就会进一步降低结构频率，减少结构反应。 4 当橡胶剪应变超过 50%以后，刚度又逐渐有所回升，这又起到安全阀的作用，对防止建筑 的过量位移有好处。 力 e k p k y u 位移 橡胶支座隔震装置的设计的关键是合理确定隔震支座承受的应力。 我国建筑抗震设计规范规 定： 隔震层各橡胶隔震支座， 考虑永久荷载和可变荷载组合的竖向平均压应力设计值不应超 过表 8-2 的规定。在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力。 表表 8-2 橡胶隔震支座平均压应力限值橡胶隔震支座平均压应力限值 建筑类别 甲类建筑 乙类建筑 丙类建筑 平均压应力（Mpa） 10 12 15 注：1. 对需验算倾覆的结构，平均压应力设计值应包括水平地震作用效应； 2. 对需进行竖向地震作用计算的结构，平均压应力设计值应包括竖向地震作用效应； 隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位移，应符合下列要求： ii uu （8.4） cii uu= （8.5） 式中， i u罕遇地震作用下，第i个隔震支座考虑扭转的水平位移。 i u第i个隔震支座的水平位移限值；对橡胶隔震支座，不应超过该支座有 效直径的 0.55 倍和支座各橡胶层总厚度 3.0 倍二者的较小值； c u罕遇地震下隔震层质心处或不考虑扭转的水平位移； i 第i个隔震支座的扭转影响系数，应取考虑扭转和不考虑扭转时i支座计 算位移的比值； 当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心在两个主轴方向均无偏心时， 边 支座的扭转影响系数不应小于 1.15。 2其它隔震装置 除了比较成熟的橡胶支座隔震装置，人们还研究、探索了其它各类隔震装置。略举数例。 图 8-6 为一滚珠隔震装置，该装置是在一个直径为 50cm 的高光洁度的圆钢盘内，安放 400 个直径为 0.97cm 的钢珠。钢珠用钢箍圈住，不致散落，上面再覆盖钢盘。该装置已用 于墨西哥城内一座五层钢筋混凝土框架结构的学校建筑中， 安放在房屋底层柱脚和地下室柱 顶之间。为保证不在风载下产生过大的水平位移，在地下室采用了交叉钢拉杆风稳定装置。 5 房屋底部 混凝土块 钢箍 木块 混凝土块 弹性罩 钢板 滚珠 混凝土块钢板 基础梁 图8-6 滚珠隔震装置 1-柱子；2-杯形基础；3-隔震支座； 4-上部承台；5-下部承台；6-摇摆倾动体； 7-预应力钢丝束；8-锚具； 9-基础壁体；10-粒状填充料 图8-7 摇摆式隔震支座 支柱 窗 门 钢桁架 二层楼面 一层楼面 梯 基础 图8-8不倒翁式隔震房屋 图 8-7 是一种摇摆隔震支座。 在杯 形基础内设一个上下两端有竖孔的双 圆筒摇摆体。 竖孔内穿预应力钢丝束并 锚固在基础和上部盖板上， 起到压紧摇 摆体和提供复位力的作用。 在摇摆体和 基础壁之间填以沥青或散粒物， 可为振 动时提供阻尼。经试验证实：当地面加速度幅值达 330cm/s2时，被隔震房屋的加速度反应 被降低到无隔震反应的 1/3 左右。我国山西省的悬空寺，历史上经历多次大地震而仍完整无 损。分析认为是其特有的支撑木柱起到了摇摆支座隔震的作用。 图8-8是伊朗人设计的不倒翁式 隔震房屋。 该房屋顶面半径显著大于 底面半径， 能起提供复位力的作用。 8.3 减震减震原理与方法原理与方法 隔震系统通过降低结构系统的 固有频率、 提高系统的阻尼来降低结 构的加速度反应，从而大幅度降低结 构的地震内力， 但这种设计方式也存在一些局限性， 主要表现为隔震系统不宜用于软弱场地 土和高层建筑结构。 为此， 人们进一步研究、 开