高层建筑隔震与消能减震技术及其应用

通海地震1970 M7.7 死者1.5万
瀾滄・耿馬地震1988 M7.6/7.2 死者743
传统抗震设计
主要依靠加大构件截面尺寸和配筋，提高结构的强度和延性来抵御地震。
这种手段是目前世界范围内普遍采用的减轻房屋地震灾害的主要途径。
基础隔震设计—釜底抽薪
地震発生
地震発生
時間
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减震效果100% 现实中不可行。
4.
2001年，建设部和国家质检总局联合发布GB50011-2001《建筑抗震设 计规范》 。 2008 年汶川大地震后，作局部修订成为 GB50011-2001《建 筑抗震设计规范》( 2008版)。
• 设计反应谱周期由3s延至6s，根据地震学研究和强震观测，在周期6s范围 内可给出比较可靠的数据。对周期大于6s的结构，设计反应谱应专门研究。 • 适当调整和提高结构抗震安全度， I 、 II 、 III 类场地的特征周期值 Tg 较 GBJ11-89增大了约0.05s。罕遇地震作用时,特征周期Tg值也适当延长。 • 考虑到不同结构类型建筑的抗震设计需要，提供了阻尼调整系数，以阻尼 比为0.05为标准，给出不同阻尼比地震影响系数曲线。
高层建筑隔震与消能减震 技术及其应用
南京工业大学 王曙光 2014.11.09
报告内容：
一 《混凝土结构设计规范》发展过程简介
二
《建筑抗震设计规范》发展过程简介
三
隔震和消能减震设计的基本原理
四
隔震和消能减震技术的常用装置
南京工业大学 工程抗震研究中心简介
南京工业大学由南京建筑工程学院和南京化工大学于2002年组建而成。工程抗震 研究中心成立于1999年，拥有教授5名，副教授2名，讲师3名，研究生70人。 主持国家973计划课题、国家自然科学基金、国家科技支撑计划等国家级项目20余 项，省部级项目60余项。 承担昆明长水国际机场、杭州湾大桥、青岛海湾大桥、宿迁海关大楼、宿新高速公 路桥、无锡苏宁广场等全国50余项大型建筑与桥梁工程的抗震咨询。 获得国家科技进步奖二等奖1项、江苏省科技进步奖一等奖2项、江苏省科技进步奖 二等奖1项、全国优秀建筑结构设计奖一等奖3项。
针对规范中尚未解决的问题 , 我国组识第四、五批课题进行科研攻关， 2002年，修订颁布GB50010-2002《混凝土结构设计规范》 。 • 继续补充、完善基本设计方法；从构件计算向结构设计过渡，增加了结构 分析的内容； • 利用分析手段的进步和混凝土力学的研究成果，引入混凝土本构关系及多 轴强度准则以解决复杂结构的设计问题； • 根据国情，适度提高结构安全度水平； • 通过适度提高混凝土强度等级及采用高强钢筋, 有效地解决了耗材问题。 • 同时配套颁布 GB50204-2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》， 对于在市场经济条件下加强施工控制, 强化质量验收, 实现混凝土结构的 安全可靠，起到重要作用。
1 属于主动 抗震技术
2 隔震效果最彻 底，降低地震 作用50-80%
3 适用于多高层 建筑抗震，在 高烈度区技术 经济效益尤为 明显。
基础隔震设计—釜底抽薪
叠层橡胶隔震支座
弹性滑移支座
消能减震设计-雪中送炭
消能减震设计指在房屋结构中设置消能器，通过消能器的相对变形和相对速 度提供附加阻尼，消耗输入上部结构的地震能量，达到预期防震减震要求。
2.
1978 年，国家建委批准颁布 TJ11-78《工业与民用建筑抗震设计规范》。
• 1976年的唐山大地震中，大量砖混结构和单层工业厂房遭受严重破坏。震 后，大批科研技术人员在灾区展开了全面的专题调查工作。
• 在总结建筑震害基础上，对TJ11-74规范进行及时修订，形成TJ11-78《工 业与民用建筑抗震设计规范》。在设计原理和方法上，两者没有原则差别。 • TJ11-78按“中震作用”进行抗震验算，但采用结构影响系数C对地震作用 进行折减，相当于按比中震降低1～2度的地震进行承载力验算。 • 将采用振型分解法计算结构地震荷载和内力的规定，由附录移到正文。结 构影响系数的划分更为详尽。增加了砖房设置构造柱等许多抗震构造措施 的内容。
二、《建筑抗震设计规范》发展过程简介
解放前, 我国没有自己的抗震设计规范。解放后，我国工程抗震设计主要 参考前苏联的《地震区建筑抗震设计规范》。 1959年，我国编制包括各类工程结构的《地震区建筑抗震设计规范》(草 案) ，未颁布。 1964年，我国编制《地震区建筑抗震设计规范》(草案)，首次引入结构系 数C折减结构的地震荷载，以弥补弹性理论计算结果与弹塑性结构客观实际之 间的差距。未颁布。 1959 年和 1964 年，我国两次编制的《地震区建筑抗震设计规范》(草案) 虽然未正式颁布，但对工程抗震设计仍起了一定的作用。 1. 1974 年，国家建委批准颁布 TJ11-74《工业与民用建筑抗震设计规范》 (试行)，是我国正式颁布的第一本工程抗震设计规范。
4.
GBJ10-89《混凝土结构设计规范》是我国第一本基于自主科研确立的适 合我国国情的混凝土结构设计规范。
• 70年代末~80年代末，我国组织约40个单位、200位专家, 分立科研课题， 延续12年开展三批系统试验研究, 涵盖混凝土结构学科的全部领域，试验 试件近10万个, 发表论文上千篇。这批空前丰富的科研成果, 基本奠定了我 国现代混凝土结构理论的基础。
2.
3.
起步阶段的这3批规范, 在我国早期基本建设中发挥了应有作用。由于其从 无到有的奠基地位, 对以后设计、施工、科研、教学都产生了深远影响。 但因我国经济发展水平等历史条件所限, 以及文化大革命极左思潮的影响, 片面地将“技术先进”理解为“节约材料”。因此这三批规范、标准的安 全储备都偏低较多。
1
属于主动 抗震技术
2
减震效果2030％
3
适用于多高层 建筑抗震、超 高层建筑与大 跨桥梁抗风。
隔震设计：
1. 减震效果很好，理论减震效果可达75%左右，建筑设计中减震效果一般可达50%， 相当于使输入地震作用降低1度。 2. 适用范围受制于建筑高度、高宽比等影响，目前世界上最高的隔震建筑为175m左 右。 3. 产品安装、施工难度大，工期延长。
• 提出楼层最小地震剪力控制系数，由于地震影响系数在长周期段下降很快， 不能反映地震地面运动的速度和位移在结构上产生的地震作用，可能导致 高层建筑和大跨度空间结构的计算地震内力偏小，对此进行了控制和补偿。
5.
2010年，住建部和国家质检总局联合发布GB50011-2010《建筑抗震设 计规范》。
• 基本延续GB50011-2001的主要抗震设计理念和方法，如：三水准设防原 则和两阶段设计方法、小震作用下的截面抗震验算采用不同荷载与地震作 用效应组合的多系数表达式、引用承载力抗震调整系数、对楼层最小地震 剪力的控制等。 • 对场地分类和场地土液化判别、地震影响系数曲线作了微调； • 小震作用下的截面抗震验算增加了以竖向地震为主的效应组合工况； • 细化概念设计和各类结构抗震措施的内容； • 增加大跨度屋盖建筑、地下建筑和钢支撑混凝土框架和钢框架混凝土筒体 结构、钢筋混凝土框排架结构和多层钢结构厂房抗震设计内容; • 新增对有专门要求的建筑进行抗震性能设计的要求，并提供了关于性能化 设计的原则规定和参考指标。
消能减震设计：
1. 减震效果一般，建筑设计中，小震作用下的地震力减震效果一般可达 15~20% ， 大震下结构层间位移减震效果可达30%左右。 2. 适用范围广阔，几乎没有限制，钢筋混凝土结构、钢结构、木结构，建筑、桥梁、 构筑物，抗震、抗风等。 3. 产品安装、施工难度小，工期影响小
阻尼比和地震影响系数曲线
三、隔震和消能减震设计的基本原理
地震是危害我国最严重的自然灾害！
邢台地震1966 M6.8 死者8064 昌馬地震1932 M7.6 死者7万 海原地震1920 M8.5 死者24万 畳渓地震1933 M7.5 死者2万 四川汶川地震2008 M8.0 死者7万 古浪地震1927 M8.0 死者4万 海城地震1975 M7.5 死者1328 唐山地震1976 M7.8 死者24.2万 華県地震1556 死者83万
6.
GB50010-2010《混凝土结构设计规范》为目前正在执行的规范。
在 GB50010-2002 修订后期 , 第六批课题研究工作已经展开。 2010 年， 修订颁布GB50010-2010《混凝土结构设计规范》 • 补充了结构方案、结构防连续倒塌、既有结构设计和无粘结预应力设计的 原则规定； • 修改了正常使用极限状态验算的有关规定； • 增加了500MPa级带肋钢筋，以300MPa级光圆钢筋取代235MPa级钢筋； • 补充复合受力构件设计的相关规定，修改受剪、受冲切承载力计算公式； • 调整钢筋保护层厚度、钢筋锚固长度和纵向受力钢筋最小配筋率有关规定； • 补充修改了柱双向受剪、连梁和剪力墙边缘构件的抗震设计相关规定； • 补充修改了预应力混凝土构件及板柱节点抗震设计的相关要求。规范中以 黑体字标志的条文为强制性条文，必须严格执行。
减震效果很好， 结构位移过大。
减震效果好， 结构位移可控， 振动衰减缓慢。
减震效果好， 结构位移可控， 振动衰减迅速。
基础隔震设计—釜底抽薪
在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由叠层橡胶隔震支座和阻尼 装置等部件组成具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期， 减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求。
刘伟庆教授 副校长
周叮教授 特聘教授
王曙光教授
徐秀丽教授
李雪红教授
主要研究方向
结构抗震与减震控制研究
新型结构体系抗震性能研究
研究方向
高层、复杂结构非线性分析
结构抗震性能鉴定与加固
一、《混凝土结构设计规范》发展过程简介
解放前, 我国没有自己的标准规范。沿海和大城市建造的混凝土结构都是 直接引用国外规范进行设计、施工。 1. 上世纪 50 年代，我国受原苏联规范 HNTY123-55 的影响较大。该规范采 用三个系数（荷载的超载系数、材料的匀质系数、构件的工作条件系数）, 按三种极限状态（强度、变形、裂缝）进行设计。上世纪60年代初，我国 基本照搬该规范颁布《钢筋混凝土结构设计规范》(草案) 。 上世纪60年代中期，修订颁布GBJ21-66《钢筋混凝土结构设计规范》、 GBJ10-65《钢筋混凝土工程施工及验收规范》。由于缺乏系统的科学研 究、试验验证以及工程调研，核心内容仍是参照原苏联规范。 上世纪70年代初, 国家建委组织专家自主编制各种材料结构设计规范以及 配套的荷载、抗震、地基基础等标准。1974年，颁布TJ10-74《钢筋混凝 土结构设计规范》，综合考虑荷载、材料、结构形式、受力性能等因素 , 采用综合安全系数计算方法，内容在很大程度上仍受原苏联规范的影响。
3.
1989年，建设部批准颁布GBJ11-89《建筑抗震设计规范》，1990年开 始实施，TJ11-78继续过渡3年后废止。过渡期结束后，1993年局部修订。
• 由单水准设防过渡到三水准设防，提出“小震不坏、中震可修、大震不倒” 的三水准抗震设防目标。 • GBJ11-89直接取“小震作用”进行抗震验算。第一阶段抗震设计时，进 行小震作用下结构弹性层间变形验算，并提出结构弹性层间位移角限值。 第二阶段抗震设计，为了达到“大震不倒”的设防目标，对位于高烈度区 的甲类建筑和带薄弱部位的结构，要求进行罕遇地震作用下的弹塑性变形 验算，提出了结构弹塑性位移角限值。 • 除采用底部剪力法和振型分解反应谱法之外，对于特别不规则的和较高高 层建筑，要求采用时程分析法进行补充计算，同时对输入的地震加速度时 程,即地震波的选择提出要求。 GBJ11-89除了在强度验算时将确定性设计方法改为基于概率可靠度的设 计方法外，还增加了变形验算的内容。
• 1989年，我国自主编制了GBJ10-89《混凝土结构设计规范》，采用基于 可靠度理论的概率极限状态设计方法, 适当提高了安全储备, 系统建立了各 种受力状态、各类基本构件的计算模式和配套构造措施，形成了较为系统、 完整的设计理论。
5.
GB50010-2002《混凝土结构设计规范》水平有了进一步提高。