隔震与耗能减震房屋设计共80页文档
隔震与耗能减震房屋设计培训教材(ppt 48页)
武汉理工大学出版社
9.隔震与耗能减震房屋设计
9.1概述 抗震设计：依靠结构的强度、刚度和延性来抵
御地震作用立足于“抗”，是一种消极设计方法 传统抗震方法存在的问题。 （1）结构的安全性难以保证
传统抗震方法以既定的“设防烈度”作为设计 依据，由于地震的随机性，建筑结构的破损程度及 倒塌的可能性难以控制，当发生突发性超烈度地震 时，房屋可能会严重破坏。
世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。
9.2.3 隔震系统的应用
• 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%。
9.1概述
结构控制的概念：在工程结构的特定部位装设某种
装置（如隔震垫等）、或某种机构（如耗能支撑、耗能
剪力墙、耗能节点、耗能器等）、或某种子结构（如调
频质量等）、或施加外力（外部能量输入）、或调整结
构的动力特性，使工程结构在地震（或风）的作用下，
其结构的动力反应（加速度、速度、位移）得到合理的
控制，从而确保结构本身及结构中的人、仪器设备、装
9.1概述
② 结构自控(耗能减震）：通过在结构中优选耗能材 料和耗能杆件，设置多道抗震防线达到耗能减震的目 的。 常见的有：
竖向通缝SW（剪力墙）、周边缝SW、 双功能连梁、带抗震连梁的SW、 顶层为刚性连梁的SW、偏交支撑、 梁端设塑性铰的框架、悬挂式结构、 底层设耗能缝的砖混结构。
9.1概述
震作用，适用范围较广，结构类型和高度均不受 限制； 2. 耗能减震装置应使结构具有足够的附加阻尼，以 满足罕遇地震下预期的结构位移要求； 3. 由于耗能减震结构不改变结构的基本型式，除耗 能部件和相关部件外，结构设计仍可按照《规范》 对相应结构类型的要求执行。
结构减隔震设计(PPT,80页)
推荐教材： 地震工程学 李宏男 工程结构减震控制 周福霖
参考书：
机械工业出版社 地震出版社
本课程主要内容
一 结构隔震 二 结构消能减震 三 结构主动、半主动减震控制
结构振动控制简介
结构隔震
世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑（The William Clayton Building,Ne.设计地震动参数，如反应谱、地震波等应选择与建筑所在场地相适应的 地震动参数。 2.叠层橡胶垫隔震结构在竖向地震动作用下的设计方法与传统的基底抗震 结构相同。 3.在满足必要的竖向承载力的同时，隔震装置的水平刚度应尽可能小，以 降低隔震结构的自振频率，使其远低于地震动的卓越频率范围，从而保证 地震反应有较大的衰减。同时，隔震层的最大位移应控制在允许的范围内。 4.在风荷载作用下，隔震结构不能有太大的水平位移。故其基底常安装风 稳定系统。
基础隔震结构的优点： 1.提高了地震时结构的安全性和舒适性。加速度只有传统抗震结 构的1/4~1/12。 2.防止了非结构构件破坏和建筑物内物品的振动、翻倒等。上部 结构近似于刚体振动。
3.降低了房屋结构造价。7度区可节省1％~3%；8度区可节省10 ％~20%。 4.结构平立面设计较为灵活。 5.可以保持仪器设备的正常使用功能。
2013芦山地震
距离震中10余公里的芦山县城，当时地震烈度等级介于八、九度，设计为 抗烈度七度的芦山县人民医院新门诊综合楼却几乎毫发未伤，玻璃没碎， 墙没裂缝，只脱落了少量的乳胶漆。造就“楼坚强”的关键就是大楼地基 与地面建筑之间那83根橡胶隔震支座。
基础隔震结构的特点：
5.在采用橡胶垫隔震措施的各类房屋中，其建筑总高度和层数宜符合下表 要求。
6.隔震结构中叠层橡胶垫不宜出现受拉状态，因此房屋最大高宽比不应超过 表18-4所示限值。
隔震减震
基础隔震技术和层间隔震技术是建筑结构 减震防灾的有效手段。 减震防灾的有效手段。
隔震系统回顾
基础隔震的概念早在19世纪已有人提过， 基础隔震的概念早在19世纪已有人提过，广义的隔震方案则更是 19世纪已有人提过 源渊流长，如北京故宫就设有糯米加石灰的柔性减震支座层； 源渊流长，如北京故宫就设有糯米加石灰的柔性减震支座层；现代的 基础隔震理论和实践开始于上世纪70年代，基础隔震方案很多， 70年代 基础隔震理论和实践开始于上世纪70年代，基础隔震方案很多，下面 作简单介绍 1.早期隔震技术 河合浩藏的“地震时不受大震动的结构 ” 右图是1891年河合浩藏的“ 右图是1891年河合浩藏的“地震时 1891年河合浩藏的 不受大震动的结构” 不受大震动的结构”。其隔震思路是在 地基上并排铺设了数层圆木， 地基上并排铺设了数层圆木，并且把建 筑物周围挖空， 筑物周围挖空，从而地震时可对上部建 筑起到隔震
橄榄景医院（抗震结构） 橄榄景医院（抗震结构）
一九九四年九月十六日，台湾海峡发生了7.3级地震 级地震， 一九九四年九月十六日，台湾海峡发生了 级地震，震源距离 汕头市约200公里，汕头市烈度为 度，各类房屋摇晃厉害，居民惊 公里， 汕头市约 公里 汕头市烈度为6度 各类房屋摇晃厉害， 惶失措，水桶里的水溅出了1/3左右 左右……而陵海路隔震楼上的人并没 惶失措，水桶里的水溅出了 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。 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。
建筑隔震与消能减震设计
消能减震" 是在建筑物的抗侧力结构 中设置消 能器 , 消 耗部分地震能量 , 降 低结 构的地 震作 用 , 达到 预期设 防目 标 的房屋减震设计 。
[ 收稿日期] 2001 -12 -01 [ 作者简介] 唐家祥 , ( 1938 ) , 男 , 教授
22
建筑科学
第 18 卷
安全 度 , 但建设投资 常有 增加 , 现 阶段尚 不易 为一般 消费 者 所接受 。 2. 3 设计方案 隔震与消能减震设计" 系第一次纳入 我国« 建筑抗震 设 计规范», 为积极 、稳妥起见 , 做好设计方 案的技术 、经济比 较 是必要的 。 2. 4 隔震与消能部件 隔震和 消能减 震部件 的设计参 数和耐 久性应 由试验 确 定并在设计文件上注明 ; 施工安装前 应对工程 中所用各种 类 型和规格的隔 震 、消 能减 震原 型部件 进行 抽样检 测 , 每种 类 型和每一规格的数量不应少于 3 个 , 抽样检测 的合格率应 为 100 %。 消能部件应对结构提供足够的附加 阻尼 , 尚应根据其 结 构类型分别符合« 规范» 相应章节的要求 。 图 1 国外 18 个隔震工程有效性分析 不隔震结构基本周 期的 估计 : 普通 砌体 房屋 可取 T 1 = 0. 4s , 钢筋 混凝土框 架取 T 1 = 0. 075 H
表l隔震房屋和抗震房屋设计理念比较项目抗震房屋隔震房屋削弱上部结构与基础的结构体系上部结构和基础牢牢连接有关连接隔离地震能量向建筑物科学思想提高结构自身的抗震能力输入方法措施强化结构刚度和延性滤波消能减震是在建筑物的抗侧力结构中设置消能器消耗部分地震能量降低结构的地震作用达到预期设防目标的房屋减震设计
项 目 结构体系 科学思想 方法措施 抗震房屋 上部结构和基础牢牢连接 提高结构自身的抗震能力 强化结构刚度和延性 隔震房屋 削弱上部结构与基础的 有关连接 隔离地震能量向建筑物 输入 滤 波
隔震减震房屋设计
2.隔震层的设置要求 ： 需要减少地震作用的多层砌体和钢筋混凝土框架等结 构类型的房屋，采用隔震设计应符合下列各项要求： (1)结构体型基本规则，不隔震时可在两个主轴方向分别 采用《建筑抗震设计规范》规定的底部剪力法进行计算且 结构基本周期小于1.0s；体型复杂结构采用隔震设计，宜 通过模型试验后确定； (2)建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的 基础类型； (3)风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总 水平力不宜超过结构总重力的10%； (4)隔震层应提供必要的竖向承载力、侧向刚度和阻尼； 穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有 效措施适应隔震层的罕遇地震水平位移。
隔震层的水平动刚度和等效粘滞阻尼比可按下列公式计算： Kh＝∑Kj
ζeq＝∑Kj ζj / Kh 式中 ζj——j隔震支座由试验确定的等效粘滞阻尼比，单 独设置的阻尼器时，应包括该阻尼器的相应 阻尼比； Kj——j隔震支座(含阻尼器)由试验确定的水平动刚 度，当试验发现动刚度与加载频率有关时，宜 取相应于隔震体系基本自振周期的动刚度值； ζeq——隔震层等效粘滞阻尼比； Kh——隔震层水平动刚度。
第二节 隔震结构设计
1.隔震设计原理： 通过在结构的特定部位，如层间、 楼板处、厂房屋架及梁端等处设置某种 装置，将地震动与结构隔开，阻断地震 动能量向建筑结构输入，其作用是减弱 或改变地震动对结构作用的强度或方式， 以此达到减小结构振动的目的。在许多 应用中，隔震装置是安装在结构下面， 即基础部位，因此称为“基础隔震”。 基础隔震是在结构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 础顶面分开，限制地震动向结构物的传 递，大大减少了上部结构的地震反应， 从而保证了建筑物的安全。
化学工业出版社
第七章隔震与耗能
隔震与消能减震设计简介
传统的工程抗震： 增强结构本身的抗震性能能量。 立足于“抗”
缺点：结构地震反应大，且不具备自我调节能力。
隔震: 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” 削能减震： 由耗能装置来承受和耗散大部分的地震能量。 立足于“耗”
铅芯隔震橡胶支座 铅芯隔震橡胶支座由新西兰的ROBINSON及其公司最 早研制开发，以后在中国、日本、美国、意大利等国家都 得到了较大的发展与应用。
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。
下图分别是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)。
滚动支撑类隔震系统（Roller bearing system） 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。
2.最新隔震技术 隔震橡胶支座(The laminated rubber bearing)隔震系统。
吸能装置有： 调频质量阻尼装置（tuned mass damper, 简称TMD） —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，由此产生的惯性力反作用于结构， 起到耗能消振的作用。 TMD 的关键是其自身自振频率与被控系统的自振频率相近。
建筑物顶部利用屋顶水箱设计成TMD
耗能装置有：
摩擦耗能装置—由摩擦元件构成，这些元件相互滑动产生摩擦力，
新《减震抗震设计规范》中的隔震与消能减震.doc
3、隔震和消能减震设计的主要优点隔震体系能够减小结构的水平地震作用，已被理论和国外强震记录所证实。
国内外的大量试验和工程经验表明：“隔震”一般可使结构的水平地震作用降低60％左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施、人员在地震时的安全性，增加震后建筑物继续使用的能力。
采用消能方案可以减少结构在风作用下的位移已是公认的事实，对减少结构水平和竖向地震反应也是有效的。
4、隔震和消能减震设计的适用范围1)、隔震设计的适用范围规范12.1.3条对隔震结构提出了一些使用要求。
根据研究：隔震结构主要用于体型基本规则的低层和多层建筑结构。
日本和美国的经验表明，不隔震时基本周期小于1.0秒的建筑结构减震效果与经济性均最好，对于高层建筑效果较差。
国外对隔震建筑工程的较多考察资料表明：硬土场地较适合于隔震建筑；软弱场地滤掉了地震波的中高频分量，延长结构的周期有可能增大而不是减小其地震反应。
墨西哥地震就是一个典型的例子。
日本“隔震结构设计技术标准”（草案）规定，隔震建筑适用于一、二类场地。
我国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的反应谱周期均较小，故都可建造隔震建筑。
隔震设计中对风荷载和其他非地震作用的水平荷载给予一些限制（规范12.1.3条3款）是为了保证隔震结构具有可靠的抗倾覆能力。
就使用功能而论，隔震结构可用于：医院、银行、保险、通讯、警察、消防、电力等重要建筑；首脑机关、指挥中心以及放置贵重设备、物品的房屋；图书馆和纪念性建筑；一般工业与民用建筑；建筑物的抗震加固。
2)、消能设计的适用范围消能部件的置入，不改变主体承载结构的体系，又可减少结构的水平和竖向地震作用，不受结构类型和高度的限制，在新建和建筑抗震加固中均可采用。
二、隔震与消能减震设计要求1、设计方案建筑结构的隔震和消能减震设计，应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，与建筑抗震设计的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析后，确定其设计方案。
隔震和消能减震设计
隔震和消能减震设计12.1一般规定12.1.1本章适用于在建筑上部结构与基础之间设置隔震层以隔离地震能量的房屋隔震设计，以及在抗侧力结构中设置消能器吸收与消耗地震能量的房屋消能减震设计。
采用隔震和消能减震设计的建筑结构，应符合本规范第3.8.1条的规定，其抗震设防目标应符合本规范第3.8.2条的规定。
注：1本章隔震设计指在房屋底部设置的由橡胶隔震支座和阻尼器等部件组成的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期、增大阻尼，减少输入上部结构的地震能量,达到预期防震要求。
2消能减震设计指在房屋结构中设置消能装置，通过其局部变形提供附加阻尼，以消耗输入上部结构的地震能量,达到预期防震要求。
12.1.2建筑结构的隔震设计和消能减震设计，应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求,与采用抗震设计的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析，后确定其设计方案。
12.1.33需要减少地震作用的多层砌体和钢筋混凝土框架等结构类型的房屋，采用隔震设计时应符合下列各项要求：1结构体型基本规则,不隔震时可在两个主轴方向分别采用本规范第5.1.2条规定的底部剪力法进行计算且结构基本周期小于1.0s；体型复杂结构采用隔震设计，宜通过模型试验后确定。
2建筑场地宜为I、II、In类，并应选用稳定性较好的基础类型。
3风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%o4隔震层应提供必要的竖向承载力、侧向刚度和阻尼；穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有效措施适应隔震层的罕遇地震水平位移。
12.1.4需要减少地震水平位移的钢和钢筋混凝土等结构类型的房屋宜采用消能减震设计。
消能部件应对结构提供足够的附加阻尼尚应根据其结构类型分别符合本规范相应章节的设计要求。
12.1.55隔震和消能减震设计时，隔震部件和消能减震部件应符合下列要求：1隔震部件和消能减震部件的耐久性和设计参数应由试验确定。
隔震与消能减震设计
的具体规定，其变形特征接近剪切变形，最大高度应满足《抗震规范》 非隔震结构的要求;高宽比大于4或非隔震结构相关规定的结构采用隔 震设计时，应进行专门研究。 • (2)建筑场地宜为I、II、IQ类，并应选用稳定性较好的基础类型。
• 最后，需要说明的是:在我国目前的建设中，隔震、消能减震技术 的主要使用范围是可增加投资来提高抗震安全的建筑，除了重要机关、 医院等地震时不能中断使用的建筑外，一般建筑经方案论证后也可使 用，即可用于投资方愿意通过投资来提高安全要求的建筑。
上一页
返回
第二节隔震与消能减震建筑结构设计的 一般规定
• 建筑结构隔震设计和消能减震设计确定设计方案时，除应符合现行 《抗震规范》对一般建筑物抗震设防要求的规定外，尚应与采用抗震 设计的方案进行对比分析。
• 消能减震是通过在结构物某些部位(如支撑、剪力墙、节点、连接缝 或连接件、主附结构件等)设置消能部件(由消能器、连接支撑等组成)， 通过消能装置产生摩擦弯曲(或剪切、扭转)等变形，来消散或吸收地 震输入结构中的能量，以消耗输入到上部结构的地震能量、减小主体 结构的地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到预期的防震要 求，工作原理如图9-5所示。图9-6为某些工程中应用的消能减震装置。
第三节隔震房屋设计要点
• ③橡胶隔震支座在重力荷载代表值作用下的竖向压应力，不应超过 表9-1的规定。
• (4)隔震层的布置、竖向承载力、侧向刚度和阻尼，应符合下列规定: • ①隔震层宜设置在结构的底部或下部，其橡胶隔震支座应设置在受
力较大的位置，间距不宜过大，其规格、数量和分布应根据竖向承载 力、侧向刚度和阻尼的要求，通过计算确定。隔震层在罕遇地震下应 保持稳定，不宜出现不可恢复的变形;其橡胶支座在罕遇地震的 • 水平和竖向地震同时作用下，拉应力不应大于1 MPa • ②隔震层的水平动刚度和等效茹滞阻尼比，可按下列公式确定:
建筑结构基础隔震设计和消能减震设计
S2值越大，其受压稳定性越好，受压失稳临界荷载就越 大。但是，S2越大，橡胶垫的水平刚度也越大，水平极限变 形能力将越小。 一般取 S2=3~6。
16
4.2
建筑结构消能减震设计
(四)夹层橡胶垫的轴压承载力
1.定义及应用意义
指橡胶垫在无任何水平变位时的竖向承载力，它 是确保
橡胶垫在无地震时正常使用的指标，也是直接影响橡胶垫在地
3.设计取值
设计容许拉伸应力 n 2Mpa 极限拉伸应力 n 5Mpa 20
4.2
建筑结构消能减震设计
(七)夹层橡胶垫水平刚度 1.定义及应用意义
指橡胶垫上下板面产生单位相对位移所需施加的水平力 。
Kh=Q/D
D—上下板面水平相对位移（mm）； Q—夹层橡胶垫承受的水平剪力（N）。
选择合适的水平刚度意义：
环境温度
夹层橡胶垫阻尼比随环境温度的升高而降低。
26
4.2
建筑结构消能减震设计
4.阻尼比的试验测定和计算
作为提供实际工程应用的夹层橡胶垫，其阻尼值必须通过对实际 采用的橡胶产品的足尺试验进行测定计算求得。
通过夹层橡胶垫的水平剪切试验，直接测绘出在设计竖向恒载下，
水平剪切应变=100%时的水平剪切力Q与水平相对位移D的Q-D
29
4.2
4
4.2
建筑结构消能减震设计
（三）隔震体系的优越性及应用 1.优越性 明显有效地减轻结构的地震反应 确保结构安全 降低房屋造价 抗震措施简单明了 震后无需修复 上部结构的建筑设计限制较小
5
4.2
建筑结构消能减震设计
南加州大学医院（隔震结构），8层。
南加州大学医院地震记录 基础加速度为 0.49g，而顶层加速度只有0.21g。