9_隔震与耗能减震房屋设计

结构主体自 身的耗能 能量观点： E 一定 E f↑ Es↓ t 结构地震反应的降低
Et Es E f
地震过程中输入 给结构的能量
附加耗能构 件的耗能
动力学观点：耗能装置的作 用，相当于结构的阻尼↑， 必使结构地震反应↓
在风、小震作用下结构中的耗能装置应具有较大 的刚度，消耗地震能量，保证结构的使用性能。 在强震作用下，耗能装置率先进入非弹性状态， 大量消耗地震能量，减轻结构震动。 有试验表明，耗能装置可做到消耗地震总输入能 量的90%以上。 9.3 吸振减震 1.吸振减震原理 在建筑结构上做一附加子结构，地震作用时，地 震能量转移至附加子，主体结构的地震反应大大 缓解。 附加子系统TMD

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，由此产生的惯性力反作 用于结构，起到减小结构振动反应的作用。 （2）调频液体阻尼装置—由具有一定形状的盛液容 器构成，液体晃动时，液体对容器箱壁产生动压 力，同时液体晃动产生阻尼吸收一部分能量。
固结于地基 中的基础
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.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。
地震动含有多种频率 分量，结构系统也必 然是有阻尼系统 子结构频率接 近或等于主结 构频率时 主结构的地震反 应总是可以得到 一定程度的降低
R是主结构的振动控制频率参数 当R<1时，表示具有减震效果. 大量理论分析结果表明： 主结构的阻尼比越小，吸振装置 的减震作用越大； 质量比增加，减震作用增大。 调频质量阻尼器是包括质量系和 弹簧、阻尼系的小型振动系统 通过弹簧连接于主体结构，可 安装在高耸结构或高层建筑的 顶部。
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。

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)。
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
9 隔震与耗能减震房屋设计简介


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。
了260个粘弹性耗能装置；1988年北京饭店和北京 火车站在抗震加固中，分别采用了法国和美国生 产的粘弹性耗能装置。 （4）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，从而耗散结构的部分振动能 量。
（5）金属耗能支撑—由金属材料制成的耗能装置， 其耗能机理是通过金属元件的弹塑性变形来耗能。
调频质量阻尼器（TMD）
调谐液体阻尼器（TLD）
将装水的容器置于结构物上，结构振动时，水的 振荡也能形成一个调频质量阻尼器 设计TLD时，应尽量使水 的振荡周期接近结构的固 f g tg 2h 2L L 有周期。水的振荡频率公 式为： 水面波的波长
水深

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。
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。



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
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


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。
在支撑杆或节点 板上开长圆孔
支撑交叉处通过钢框或钢环 的塑性变形消耗地震能量
偏心支撑
耦撑框架
液压质量控制装置—由液压缸、活塞、管路和质 量块构成，当结构由地面运动产生振动时，油缸 的活塞推动管路中的液体，使液体和质量随之振 动。结构的一部分振动能量传递给了该系统。 2.耗能减震原理 结构任意时刻的能量方程为：

粘弹性耗能装置—由粘弹性材料和约束钢板构成， 通过夹在钢板之间的粘弹性材料发生剪切变形而 耗散能量。
（3）粘滞耗能装置—由缸体、活塞、和液体构成， 活塞在缸体内往复运动，粘滞液体从一端流向另 一端产生阻尼力，阻碍结构的振动。 1972年建成的110层纽约世贸大厦共安装了1万个 粘弹性耗能装置；西雅图76层哥伦比亚大厦安装



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： 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； 隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和

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。

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。
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。