工程结构抗震设计第8章 结构控制以及隔震和消能减震的设计原理
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8.1.1 结构控制的概念及其分类 （1）结构控制的概念 结构控制，是指在结构的特定部位，装设某种装臵 （如隔震支座等），或某种机构（如消能支撑、消能剪 力墙、消能器、消能节点等），或某种子结构（如调谐 质量等），或施加外力（外部能量输入），以改变或调 整结构的动力特性或动力作用，从而使结构在地震作用 下的动力反应（位移、速度、加速度）得到合理的控制， 确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安 全和处于正常的使用环境。
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8.2.3 隔震建筑设计计算要点 （1）初步选择橡胶隔震支座型号 依据橡胶隔震支座平均压应力限值（表8.1），按照 在永久荷载和可变荷载作用下组合的竖向压力设计值， 并根据结构的位移要求，初步选择橡胶隔震支座型号。 （2）确定水平向减震系数和水平向换算烈度 结构的层间剪力代表了水平地震作用取值及其分布， 可用来识别结构的水平向换算烈度。隔震层以上结构的 水平地震作用，沿高度可采用矩形分布；确定其水平地 震作用的水平向减震系数应按照下列规定。
第8章 结构控制以及隔震和消能 减震的设计原理
本章要点 介绍了结构振动控制的概念、分类及研 究应用情况，并结合《规范》重点介绍了橡胶隔震支座 基础隔震体系的设计计算要点、构造措施等，简单阐述 了消能减震结构的概念及设计要点。
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8.1 结构振动控制概述
随着社会的发展，诸如计算机、通讯、电力及医疗 等高、精、尖技术设备进入建筑，如何保证地震发生时 及发生后这些技术设备仍能正常运行而不致因建筑结构 反应使其破坏，引发或加重次生灾害；随着建筑物高度 的增加，如何保证结构因地震作用引起的震（振）动摇 晃不超过居住者所能承受的心理压力；在强烈地震作用 下如何最大限度地确保结构的安全，不致使人民生命财 产遭受重大损失。这些都是结构工程技术人员面临的一 个现实而重大的课题。另外，随着社会的进步和经济的 发展，人们对抗震减震、抗风的要求也越来越高。
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图8.1 隔震元件的荷载—位移曲线
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图8.2 传统抗震结构与隔ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 结构的反应对比
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（2）橡胶隔震支座的基本形态要求 橡胶隔震支座的形状系数是确保其承载能力和变形 能力的重要几何参数。 ①第一形状系数S1：橡胶隔震支座中每层橡胶层的 有效承压面积与其自由表面积之比。
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（3）橡胶隔震支座应具有由试验确定的以下参数 ①设计竖向荷载（10、12或15MPa）时的竖向刚度 和竖向变位。 ②竖向保持设计荷载、剪切变形为50%时，在水平 加载频率0.3Hz下的水平刚度和等效粘滞阻尼比。 ③竖向保持设计荷载、剪切变形为100%时，在水 平加载频率0.2Hz下的水平刚度和等效粘滞阻尼比。 ④竖向保持设计荷载、剪切变形为250%时，在水 平加载频率0.1Hz下的水平刚度和等效粘滞阻尼比。
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8.2.2 建筑隔震体系设计的一般规定 （1）隔震结构体系的适用范围 隔震结构体系可用于： ①医院、银行、保险、通讯、警察、消防、电力等 重要建筑； ②首脑机关、指挥中心以及放臵贵重设备、物品的 房屋； ③图书馆和纪念性建筑； ④一般工业与民用建筑。
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（2）隔震层的设臵 隔震层宜设臵在结构第一层以下的部位（亦即基础 隔震）。当位于第一层及以上时，隔震体系的特点与普 通隔震结构有较大差异，隔震层以下结构的计算也更复 杂，需做专门研究。 隔震层在罕遇地震下应保持稳定，且不宜出现不可 恢复的变形。橡胶隔震支座和隔震层的其他部件还应根 据隔震层所在位臵的耐火等级，采取相应的防火措施。
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⑤设计竖向荷载时的极限水平变位；应大于0.55d 和3ntr。 ⑥长期使用条件下，刚度、阻尼特性变化不超过初 期值的±20%；徐变量不超过0.05ntr且小于10.0mm。
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（4）隔震层中单独设臵的阻尼器，应具有由试验 确定的下列参数 ①第一刚度、屈服剪力或屈服位移和第二刚度； ②等效粘滞阻尼比； ③极限水平变形。 橡胶隔震支座、阻尼器使用前，应对上述规定的性 能参数进行抽样检测。试样应为工程中所用的各种类型 和规格的原型构件，且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%。
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（2）结构控制的一般分类 结构控制常见的分类方法有： ①按照技术方法，可分为隔震技术、消能减震技术、 质量调谐减震技术、主动控制技术和混合控制技术。 ②按照是否有外部能源输入，可分为被动控制、主 动控制、半主动控制和混合控制四大类。
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（3）结构控制的发展简况 结构控制中的隔震、减震概念由来已久。早在一二 千年前，我国人民就开始成功应用隔震、消能、减震的 概念和技术，建成了遍布全国各地的宫殿、庙宇、楼塔、 民居、城墙等。这些古建筑结构物经历多次地震而屹立 不毁，完整保留至今者，大都不是采用“硬抗地震、加 强结构”的方法，而是采用“以柔克刚、隔震消能”的 途径，充分证明隔震、消能减震技术概念合理、安全有 效、简单易行。
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8.2 基础隔震结构
《规范》中的建筑隔震体系是指在建筑上部结构与 基础之间设臵隔震元件，以增大原结构体系的自振周期 和阻尼，减少输入上部结构的地震能量，达到预期防震 要求的建筑体系。它包括上部结构、隔震层和下部结构 三部分。《规范》中的隔震层是指在房屋底部设臵的由 橡胶隔震支座和阻尼器等部件组成的结构层，目的是隔 离地震能量并支承建筑物的重力。
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8.2.1 隔震元件的基本要求 （1）隔震元件的基本特性 为了达到明显的减震效果，隔震元件必须具有下述 基本特性： ①承载特性。隔震元件必须具有较大的竖向承载能 力，在建筑结构物使用状况下，安全地支承着上部结构 的所有重量和使用荷载，具有很大的竖向承载力安全系 数，确保建筑结构物使用状况下的绝对安全和满足使用 要求。 ②隔震特性。
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（3）隔震结构体系上部结构的地震作用和抗震措 施 隔震建筑隔震层以上结构的地震作用和抗震措施， 应符合下列要求： ①地震作用计算时，水平地震影响系数的最大值可 取相应设防烈度的水平地震影响系数最大值与本节三 （二）中所述水平向减震系数的乘积。 ②抗震措施，丙类建筑可根据水平向减震系数相应 降低有关对设防烈度的部分要求，并应计及竖向地震作 用不减少，保留设防烈度的部分要求。
8.1.1 结构控制的概念及其分类 （1）结构控制的概念 结构控制，是指在结构的特定部位，装设某种装臵 （如隔震支座等），或某种机构（如消能支撑、消能剪 力墙、消能器、消能节点等），或某种子结构（如调谐 质量等），或施加外力（外部能量输入），以改变或调 整结构的动力特性或动力作用，从而使结构在地震作用 下的动力反应（位移、速度、加速度）得到合理的控制， 确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安 全和处于正常的使用环境。
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8.2.3 隔震建筑设计计算要点 （1）初步选择橡胶隔震支座型号 依据橡胶隔震支座平均压应力限值（表8.1），按照 在永久荷载和可变荷载作用下组合的竖向压力设计值， 并根据结构的位移要求，初步选择橡胶隔震支座型号。 （2）确定水平向减震系数和水平向换算烈度 结构的层间剪力代表了水平地震作用取值及其分布， 可用来识别结构的水平向换算烈度。隔震层以上结构的 水平地震作用，沿高度可采用矩形分布；确定其水平地 震作用的水平向减震系数应按照下列规定。
第8章 结构控制以及隔震和消能 减震的设计原理
本章要点 介绍了结构振动控制的概念、分类及研 究应用情况，并结合《规范》重点介绍了橡胶隔震支座 基础隔震体系的设计计算要点、构造措施等，简单阐述 了消能减震结构的概念及设计要点。
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8.1 结构振动控制概述
随着社会的发展，诸如计算机、通讯、电力及医疗 等高、精、尖技术设备进入建筑，如何保证地震发生时 及发生后这些技术设备仍能正常运行而不致因建筑结构 反应使其破坏，引发或加重次生灾害；随着建筑物高度 的增加，如何保证结构因地震作用引起的震（振）动摇 晃不超过居住者所能承受的心理压力；在强烈地震作用 下如何最大限度地确保结构的安全，不致使人民生命财 产遭受重大损失。这些都是结构工程技术人员面临的一 个现实而重大的课题。另外，随着社会的进步和经济的 发展，人们对抗震减震、抗风的要求也越来越高。
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图8.1 隔震元件的荷载—位移曲线
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图8.2 传统抗震结构与隔ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 结构的反应对比
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（2）橡胶隔震支座的基本形态要求 橡胶隔震支座的形状系数是确保其承载能力和变形 能力的重要几何参数。 ①第一形状系数S1：橡胶隔震支座中每层橡胶层的 有效承压面积与其自由表面积之比。
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（3）橡胶隔震支座应具有由试验确定的以下参数 ①设计竖向荷载（10、12或15MPa）时的竖向刚度 和竖向变位。 ②竖向保持设计荷载、剪切变形为50%时，在水平 加载频率0.3Hz下的水平刚度和等效粘滞阻尼比。 ③竖向保持设计荷载、剪切变形为100%时，在水 平加载频率0.2Hz下的水平刚度和等效粘滞阻尼比。 ④竖向保持设计荷载、剪切变形为250%时，在水 平加载频率0.1Hz下的水平刚度和等效粘滞阻尼比。
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8.2.2 建筑隔震体系设计的一般规定 （1）隔震结构体系的适用范围 隔震结构体系可用于： ①医院、银行、保险、通讯、警察、消防、电力等 重要建筑； ②首脑机关、指挥中心以及放臵贵重设备、物品的 房屋； ③图书馆和纪念性建筑； ④一般工业与民用建筑。
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（2）隔震层的设臵 隔震层宜设臵在结构第一层以下的部位（亦即基础 隔震）。当位于第一层及以上时，隔震体系的特点与普 通隔震结构有较大差异，隔震层以下结构的计算也更复 杂，需做专门研究。 隔震层在罕遇地震下应保持稳定，且不宜出现不可 恢复的变形。橡胶隔震支座和隔震层的其他部件还应根 据隔震层所在位臵的耐火等级，采取相应的防火措施。
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⑤设计竖向荷载时的极限水平变位；应大于0.55d 和3ntr。 ⑥长期使用条件下，刚度、阻尼特性变化不超过初 期值的±20%；徐变量不超过0.05ntr且小于10.0mm。
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（4）隔震层中单独设臵的阻尼器，应具有由试验 确定的下列参数 ①第一刚度、屈服剪力或屈服位移和第二刚度； ②等效粘滞阻尼比； ③极限水平变形。 橡胶隔震支座、阻尼器使用前，应对上述规定的性 能参数进行抽样检测。试样应为工程中所用的各种类型 和规格的原型构件，且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%。
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（2）结构控制的一般分类 结构控制常见的分类方法有： ①按照技术方法，可分为隔震技术、消能减震技术、 质量调谐减震技术、主动控制技术和混合控制技术。 ②按照是否有外部能源输入，可分为被动控制、主 动控制、半主动控制和混合控制四大类。
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（3）结构控制的发展简况 结构控制中的隔震、减震概念由来已久。早在一二 千年前，我国人民就开始成功应用隔震、消能、减震的 概念和技术，建成了遍布全国各地的宫殿、庙宇、楼塔、 民居、城墙等。这些古建筑结构物经历多次地震而屹立 不毁，完整保留至今者，大都不是采用“硬抗地震、加 强结构”的方法，而是采用“以柔克刚、隔震消能”的 途径，充分证明隔震、消能减震技术概念合理、安全有 效、简单易行。
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8.2 基础隔震结构
《规范》中的建筑隔震体系是指在建筑上部结构与 基础之间设臵隔震元件，以增大原结构体系的自振周期 和阻尼，减少输入上部结构的地震能量，达到预期防震 要求的建筑体系。它包括上部结构、隔震层和下部结构 三部分。《规范》中的隔震层是指在房屋底部设臵的由 橡胶隔震支座和阻尼器等部件组成的结构层，目的是隔 离地震能量并支承建筑物的重力。
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8.2.1 隔震元件的基本要求 （1）隔震元件的基本特性 为了达到明显的减震效果，隔震元件必须具有下述 基本特性： ①承载特性。隔震元件必须具有较大的竖向承载能 力，在建筑结构物使用状况下，安全地支承着上部结构 的所有重量和使用荷载，具有很大的竖向承载力安全系 数，确保建筑结构物使用状况下的绝对安全和满足使用 要求。 ②隔震特性。
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（3）隔震结构体系上部结构的地震作用和抗震措 施 隔震建筑隔震层以上结构的地震作用和抗震措施， 应符合下列要求： ①地震作用计算时，水平地震影响系数的最大值可 取相应设防烈度的水平地震影响系数最大值与本节三 （二）中所述水平向减震系数的乘积。 ②抗震措施，丙类建筑可根据水平向减震系数相应 降低有关对设防烈度的部分要求，并应计及竖向地震作 用不减少，保留设防烈度的部分要求。