n隔震与耗能减震房屋设计简介减轻地震灾害的途径： “预”地震预报 “防”抗震措施 “控”震动控制 抗震设计思想的发展： 刚性结构地震作用太大，结构像碉堡，材 料浪费严重 柔性结构地震作用小，可避免共振，但结 构水平位移大，影响正常使用延性结构在保证一定强度的条件下，具备 足够的刚度、变形能力和耗能能力 隔震结构通过隔震装置将结构和地震动隔 开，从而减小震动 消能减震结构通过采取一定的耗能装置或 附加子结构，吸收或消耗地震传给肢体结构的 能量，从而减轻结构震动 制振结构通过自动控制系统主动地给结构 施加控制力，改变结构的振动特性，从而减小 结构震动抗震结构利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震 作用，吸收地震能量 立足于“抗”。 隔震结构在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻 止地震能量向上传递 立足于“隔”。结构减震控制根据是否需要外部能源输入可分 为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控 制。 被动控制不需要外部能源输入提供控制力 ，控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息 的控制方法。 主动控制需要外部能源输人提供控制力， 控制过程依赖于结构反应信息或外界干扰信息 的控制方法。 被动控制的常用手段：基础隔震、耗能减震、 吸振减震。 目前，基础隔震应用与工程；减震、吸振处于 研究、探索并部分应用于工程实践的时期。 9.1 基础隔震 1.基础隔震系统需具备以下四种特性：n承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上 部结构的重量；n隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持在弹性范围内，满足 正常使用的要求，而中强地震时，其水平刚度 较小，结构为柔性隔震结构体系； 复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状 态，满足正常的使用要求。 耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地 震时能耗散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能量。 2.早期隔震技术 基础隔震概念最早是由日本学者河合浩藏于 1881年提出的，认为先在地基上纵横交错放置 几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在混凝土 基础上盖房，以削弱地震传递的能量 1909年，美国的J.A.卡兰特伦茨提出了另外一种 隔震方案，即在基础与上部建筑物之间铺一层 滑石或云母，这样地震时建筑物会发生滑动， 以达到隔离地震的目的 1921年，美国工程师FL莱特在设计日本东 京帝国饭店时，有意用密集的短桩穿过表层硬 土，直接插到软泥土层底部，利用软泥土层作 为隔震层1923年关东大地震发生，附近同类 建筑毁坏严重，但这个建筑却保持完好 1924年，日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的 柱脚与基础之间插入轴承的隔震方案1927年 ，日本的中村太郎论述了加装阻尼器吸能装置 ，在隔震理论方面进行了有益的探索 在这一阶段，虽然有了清晰的隔震概念和一定 的隔震理论基础，但限于当时的水平与条件， 基础隔震技术的应用未被很好地研究与开发 基础隔震第一次用于旧房的加固改造是美国盐 湖城市政大楼 新西兰于1981 年建成的威廉克雷顿大楼，是世 界上第一个采用铅芯橡胶支承的结构 1982 年日本建成第一座现代隔震建筑,是一座两 层民宅。 洛杉矶南加州大学(USCUniversity)医院经受 1994 年1 月17 日美国加州北岭6.7 级地震，日本 West 大厦1995 年1 月17 日日本兵库县南部阪神 7.2 级地震中表现出良好的隔震性能，这使得隔 震技术越来越为广大的工程人员和社会所接受 。 世界上首座使用铅芯橡胶支座的建筑是1981 年 在新西兰建造的惠灵顿William Clayton 大楼,这 是一座四层高的钢筋混凝土办公楼,紧靠惠灵顿 断层。 1985 年,美国建成的加州圣丁司法事物中心是美 国的第一座隔震建筑,也是世界上第一座采用高 阻尼橡胶隔震支座的建筑。 1986 年在西昌市建成一幢采用石墨砂浆层隔震 的建筑 1995 年在新山子建成一幢采用聚四氟乙烯 滑移板隔震的房屋。 1993年在汕头建成第一幢叠层橡胶垫隔震房屋 ，已经受7.3 级台湾海峡地震考验 1994 年在安阳建成无黏结叠层橡胶垫隔震房屋 。 目前隔震技术的应用程度在日本等国家，已经 成为建筑的主导；我国将在2008年（在应用面 积上）首次超过日本。 日本东京帝国饭店汕头市陵海路38号，世界第一 幢橡胶支座隔震住宅楼 房子与地面中间，有一条比手指宽的缝隙 隔震楼的楼梯都是悬空的，避免与地面发 生直接接触 沈阳在1996年就建成了国际上第一座采用滑 移减震技术的建筑，现在是辽宁省建设科学 研究院的一座住宅楼，这座看似普通的砖混 结构楼可以抵抗破坏力高达10度烈度的强烈 地震而不倒。 J.A.Calantarients提出的隔震结构下图是J.A.Calantarients于1909年提出的隔震结 构(Base-isolated building )方案。这种隔震结构 在建筑物结构与基础之间用滑石层隔开，地震 时建筑物可以滑动。 中村太郎的隔震结构上图是中村太郎于1927年提出的隔震结构方案 。在这种隔震系统中已使用阻尼泵来耗散地震动 的能量，并且在该建筑地下层柱的上下端采用 铰接构造，建筑物可以水平自由移动。 柔性层隔震结构柔性层结构隔震概念由Martel在1929年提出， 由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)进一步加 以研究与完善；下图是真岛健三郎于1934年的 柔性层结构。地震时，柔性层进入塑性，结构 的刚度变小，结构的基本周期延长，从而导致上部结构所受的地震作用减小。 滚动支撑类隔震系统为克服柔性层结构所带来的缺陷，科学家们相 继提出了多种滚动支撑类隔震系统，工作元件 有球形和椭圆形等多种，但由于其隔震是有向 性的，而地震是具有无向性，这些类型的隔震 系统均未能推广应用。 3.最新隔震技术 （1）隔震橡胶支座(The laminated rubber bearing) 隔震系统。应用实例 1994年1月17日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地 震，震级M=6.7，死亡56人，伤7300人，损失很 大。 震中附近有两座医院，一座为隔震结构，另一 座为抗震结构。中南加州大学医院（隔震结构）橄榄景医院（抗震结构） 南加州大学医院(The University of Southern California Teaching Hospital)是橡胶支座隔震系 统，这栋八层医院基础加速度为 0.49g，而顶层 加速度只有0.21g, 加速度折减系数为1.8。 而抗震结构橄榄景医院(The Olive View Hospital) 的底层加速度为 0.82g，而顶层加速度为2.31g, 加速度放大系数为2.8，由此可见橡胶支座隔震 系统的优越性。中南加州大学医院地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；占地 ：4100平米；最高高度：36。0m；铅芯多层橡胶隔震 器68个，多层橡胶隔震器81个。 中南加州大学医院在这次地震及其其后的余震 中，6-8英尺高的花瓶等没有一个掉下来，建筑 物内的各种机器等均未损坏，医院功能得到维 持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。 橄榄景医院在1971年圣费尔南多地震中受到较大损害，10年后重建，并增加了抗震强度。 在此次地震中，剪力墙产生剪切裂缝，设备机器、医疗机械及家具等翻倒，病历等资料 掉下、散乱。而且水管破裂，各层浸水，建筑 物不能使用，完全丧失了医院的功能。 一九九四年九月十六日，台湾海峡发生了7.3级 地震，震源距离汕头市约200公里，汕头市烈度 为6度，各类房屋摇晃厉害，居民惊惶失措，水 桶里陇南邮政职工住宅楼（8区，基础隔震，未破坏）伊斯坦布尔国际机场防震候机楼伊斯坦布尔国际机场防震候机楼的水溅出了1/3左右而陵海路隔震楼上的人 并没有感到晃动，听到毗邻楼房和邻街喧闹声 后下楼才知道发生了地震。 （2）隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯 橡胶支座，高阻尼橡胶支座等 。 天然夹层隔震橡胶支座天然夹层橡胶支座构造如图所示。天然夹层橡胶支座具有较大的竖向刚度，承受建筑物的重量时竖向变形小，而水平刚度较小，且线性性能好。由于天然夹 层橡胶支座的阻尼很小，不具备足够的耗能能 力，所以在结构使用中一般同其它阻尼器或耗 能设备联合使用。 铅芯隔震橡胶支座铅芯橡胶支座构造如图所示。因为铅芯橡胶支座不但具有较理想的竖向刚度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故铅芯橡胶支座在结 构使用中受到广泛欢迎。 叠层橡胶支座中 间钻孔灌入铝芯 提高支座大变形 时的吸能能力橡胶片钢板 世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑(The William Clayton Building, New Zealand)和世界上 使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。 日本1997年度评定的隔震建筑中，采用铅芯橡 胶支座隔震房屋占总数的40%，美国在1985年 以后兴建的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯 橡胶支座的隔震房屋占总数的60.7%，我国在已 建成的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶 支座的隔震房屋占总数的60%。 4.隔震原理 基础上部部分隔震层隔开 限制地震动向 结构物的传递固结于地基 中的基础从图中可以看出，对建筑物地震反应有重要影响的 主要因素有两个：一是结构的周期，一是阻尼比 普通非隔震中低层建筑物的刚度大、周期短，其基ABCABC本周期正好在地震输入能量最大的频段上因此相 应的加速度反应比地面运动放大得多，而位移反应 却较小，如图中A点所示如果延长建筑物的周期 ，而保持阻尼不变，则加速度反应被大大降低，但 位移反应却有所增加，如图中B点所示如果继续 加大结构的阻尼，加速度反应则继续减弱，且位移 反应也得到明显降低，如图中C点这就是说，通 过延长结构的周期并给予较大的阻尼，就可使结构 上的加速度反应大大降低同时，对结构产生的较 大位移可由上部结构底部和基础顶部之间设置的隔 震层来提供，而不由上部结构自身的相对位移来承 担这样，上部结构在地震过程中就会发生接近平 移的运动，大大提高了上部结构的安全度基底隔震结构设计应注意: 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。 保证隔震结构在强风作用下不致有太大的位移。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。 5.其他隔震装置 滚珠隔震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，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。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。n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。 不倒翁式（伊朗）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。9.2 耗能减震结构 在结构中的某些部位设置消能装置，通过消能 装置耗散或吸收地震能量，从而减小主体结构 地震反应。 1.耗能装置 （1）调频质量阻尼装置由质量、弹性元件和阻 尼器构成的振动系统，将其安装在结构上，结 构振动时引起该系统的共振