5-2与5-3 隔震与减震

5.2.2 基底隔震
1、原理 、
• 基底隔震是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，限制地震 基底隔震是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层， 动向结构物的传递。 动向结构物的传递。 • 基底隔震，主要用于隔离水平地震作用。隔震层的水平刚度显著 基底隔震，主要用于隔离水平地震作用。 低于上部结构的侧向刚度。此时可近似认为上部结构是一个刚体， 低于上部结构的侧向刚度。此时可近似认为上部结构是一个刚体， 如图8.18所示。 设结构的总质量为 ， 绝对水平位移为 ， 地震 所示。 如图 所示 设结构的总质量为m，绝对水平位移为y， 动的水平位移为x 隔震层的水平刚度为k，阻尼系数为c， 动的水平位移为 g，隔震层的水平刚度为 ，阻尼系数为 ，则底 部隔震系统的运动平衡方程为： 部隔震系统的运动平衡方程为：
中南加州大学医院在这次地震及其其后的余震中， 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， 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 成为防灾中心，起到十分重要的作用。 持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。
• R称为绝对隔震传递率 。 R值越小， 表明隔震效果 称为绝对隔震传递率。 值越小 值越小， 称为绝对隔震传递率 越好。 • 地震动与隔震结构的频率比 大于 2 时，隔震系 地震动与隔震结构的频率比β大于 统才有隔震能力。而且频率比越大，隔震能力越强。 统才有隔震能力。而且频率比越大，隔震能力越强。
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“地震时 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，并且把建 筑物周围挖空，从而地震时可对上部建 筑起到隔震
J.A.Calantarients提出的隔震结构 提出的隔震结构 右图是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 右图是中村太郎于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( first柔性层隔震结构(Flexible first-story building) 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（ 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( 隔震橡胶支座(The laminated rubber bearing)隔震系统。 )隔震系统。
ɺ ɺ m ɺɺ + c y + ky = c x g + kx y
g
• 上部结构绝对位移 （ 加速度 ） 振幅与地震动位移 上部结构绝对位移（ 加速度） 加速度）振幅的比值R为 （加速度）振幅的比值 为
ɺɺmax y max y 1 + 4ξ 2 β 2 = = R= ɺɺg max [(1 − β 2 ) 2 + 4ξ 2 β 2 ] 2 x g max x
§5.2 隔震装置及其工作原理
5.2.1 隔震结构概述
为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四种特性： 为达到明显减震效果，通常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； (1)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； (2)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 隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下， 在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时， 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； 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。 (3)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， (4)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。 而降低上部结构所吸收的地震能量。
抗震结构 隔震结构 消能减震结构 一.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， 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。 吸收地震能量。 立足于“ 立足于“抗”。 二.隔震结构 在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层， 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。 震能量向上传递。 立足于“ 立足于“隔”。
日本1997年度评定的隔震建筑中 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 1997年度评定的隔震建筑中， 数的40 40% 美国在1985年以后兴建的隔震房屋中， 1985年以后兴建的隔震房屋中 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 60. 我国在已建成的隔震房屋中， 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 60% 全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的60%。
1994年 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，直下 17日 美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级M=6.7， M=6.7 型地震，死亡56 56人 7300人 损失很大。 型地震，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。 震中附近有两座医院，一座为隔震结构，另一座为抗震结构。 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 是橡胶支座隔震系统， ， 层加速度只有0.21g, 加速度折减系数为 。 而抗震结构橄榄景医院 加速度折减系数为1.8。 而抗震结构橄榄景医院(The 层加速度只有 Olive View Hospital)的底层加速度为 0.82g，而顶层加速度为 的底层加速度为 ，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。 度放大系数为 ，由此可见橡胶支座隔震系统的优越性。
2 .基底隔震结构设计原则 ： 基底隔震结构设计原则
• 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量小， 满足必要的竖向承载力的同时，隔震装置的水平刚度应尽量小， 以降低隔震结构的自振频率，使之低于地震动的优势频率范围， 以降低隔震结构的自振频率，使之低于地震动的优势频率范围， 保证结构地震反应的衰减较大。 保证结构地震反应的衰减较大。 • 在风荷载作用下，隔震结构不能有太大的位移。因此，结构底部 在风荷载作用下，隔震结构不能有太大的位移。因此， 隔震系统常需安放风稳定装置 风稳定装置， 隔震系统常需安放风稳定装置，使得在小于设计风载的风力作用 隔震层几乎不产生变形；而在超过设计风载的地震力作用下， 下，隔震层几乎不产生变形；而在超过设计风载的地震力作用下， 风稳定装置退出工作，隔震装置开始工作 开始工作。 风稳定装置退出工作，隔震装置开始工作。
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， 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
主动减震
基 底 隔 震
悬 挂 隔 震
耗 能 减 震
冲 击 减 震吸 振 减 振来自概述（续二） 概述（续二）
1、隔震 、 通过某种装置，将地震动与结构隔开， 通过某种装置，将地震动与结构隔开，减弱或改变地 震动对结构作用的强度或方式， 震动对结构作用的强度或方式，达到减小结构振动的目 的。 隔震方法： 隔震方法：基底隔震 悬挂隔震 2、被动减震 、 通过采用一定的措施或附加子结构， 通过采用一定的措施或附加子结构，吸收或消耗地震 传递给主结构的能量，达到减小结构振动的目的。 传递给主结构的能量，达到减小结构振动的目的。 被动减震方法： 被动减震方法： 耗能减震 冲击减震 吸震减震 3、主动减震 、 根据结构的地震反应，通过自动控制系统的执行机， 根据结构的地震反应，通过自动控制系统的执行机， 主动给结构施加控制力，达到减小结构振动的目的。 主动给结构施加控制力，达到减小结构振动的目的。
三.减震结构 在结构中的某些部位设置消能装置， 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。 置耗散或吸收地震能量，从而减小主体结构地震反应。。 立足于“消减” 立足于“消减”。
概述（续一） 概述（续一）
震源
传播途径
结
构
反 应
消 震
隔 震
被 动 减 震
橄榄景医院在1971年圣费尔 橄榄景医院在1971年圣费尔 1971 南多地震中受到较大损害，10年 南多地震中受到较大损害，10年 后重建，并增加了抗震强度。 后重建，并增加了抗震强度。 在此次地震中， 在此次地震中，剪力墙产生 剪切裂缝，设备机器、 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、 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， 散乱。而且水管破裂，各层浸水， 建筑物不能使用， 建筑物不能使用，完全丧失了医 院的功能。 院的功能。
5.2 抗震、隔震与减震 抗震、
§5.1 一、概述 二、基底隔震 §5.2 三、悬挂隔震 四、耗能减震 §5.3 五、冲击减震 六、吸振减震 七、主动控制减震 概述 隔震装置及其工作原理
减震装置及其工作原理
一、抗震、 一、抗震、隔震与减震概述 抗震
• 地震引起结构振动的全过程是：由震源产生地 地震引起结构振动的全过程是： 震动，通过传播途径传递到结构上， 震动，通过传播途径传递到结构上，从而引起 结构的振动反应。 结构的振动反应。 • 通过在不同部分采取振动控制措施，就成为不 通过在不同部分采取振动控制措施， 同的积极的抗震方法。 同的积极的抗震方法。
中南加州大学医院（隔震结构） 中南加州大学医院（隔震结构）
橄榄景医院（抗震结构） 橄榄景医院（抗震结构）
中南加州大学医院 地下一层，地上7 地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；占地：4100平米； 建筑面积：33000平方米；占地：4100平米； 平方米 平米 最高高度：36。0m；铅芯多层橡胶隔震器68 68个 多层橡胶隔震器81 81个 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。
橄榄景医院（抗震结构） 橄榄景医院（抗震结构）
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 下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑 William Clayton Building, New Zealand)和世界上使用铅芯橡胶支 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)。 座中基底面积最大的建筑 日本 。