第6章 隔震

§6.1 概述
（3）混合控制（Hybrid Control）
被动控制器 外荷载 （风、地震等） 被动控制力 结构 主动控制力 主动控制器 图 1-3 混合控制的工作原理 检测元件 反应
混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在 同一结构上的结构振动控制形式。 从其元素所起作用的相对大小来看，有两种组 合方式： • 一种是主从组合方式，即以某一控制为主控制部件， 其他部件通过主要部件实现对结构的控制。 • 另一种是并列组合方式，即两种控制各自独立工作， 对结构实施校正作用。
§6.1 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（如消能支撑、消能剪力墙、消能 节点、消能器等）、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、装修等 的安全或处于正常的使用状态。
（3）适用范围受到限制 传统抗震方法采用的是延性结构体系，允许结构部 件在强震时发生比较大的塑性变形，以消耗地震能量， 减轻地震反应，这种方法对于某些不容许在地震中出现 破坏的结构、或内部有贵重装饰、重要设备仪器的结构 是不适用的。
§6.1 概述
传统抗震方法存在的问题：
（4）施工难度大 结构构件和节点的钢筋配置过密，9度区甚至无法 排布。 （5）建筑物的高度受到限制等。 为克服传统抗震方法的缺陷，结构振动控制技术 （简称“结构控制”）逐渐发展起来。 结构控制的概念：通过对结构施加控制机构，由 控制机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结 构的振动反应，使它在外界干扰作用下的各项反应值 被控制在允许范围内。
隔震橡胶支座：普通型（无铅型GZP）、有铅型 （GZY）两种。
6.2.3 基础隔震装置 通常使用的橡胶支座，水平刚度是竖向刚度的 1%左右，且具有显著的非线性变形特征。 小变形时：其刚度很大，这对建筑结构的抗风性 能有利。 大变形时：橡胶的剪切刚度可下降至初始刚度的 1/5～1/4，这就会进一步降低结构频 率，减少结构反应。 当橡胶剪应变超过50%以后：刚度又逐渐有所回升， 起到安全阀的作用，对防止建筑的过量 位移有好处。
6.2.3 基础隔震装置
隔震橡胶支座隔震系统：
在天然橡胶中加入石墨也可 以大幅增加阻尼。
钢板叠层 橡胶支座
钢板叠层橡胶支座由橡胶片和薄钢板叠合而成
6.2.3 基础隔震装置
隔震橡胶支座隔震系统：
橡胶隔震支座剖面
安装完成的橡胶隔震支座
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 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。 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。
§6.1 概述
（3）混合控制（Hybrid Control）
目前，较为典型的几种混合控制装置有： AMD与TMD相组合， AMD与TLD相组合， 主动控制与基础隔震相组合， 主动控制与耗能减振相组合， HMS（液压－质量振动控制系统）与AMD相 组合等。
§6.1 概述
结构消能减震建筑的特点： 1. 消能减震装置可同时减少结构的水平和竖向 的地震作用，适用范围较广，结构类型和高 度均不受限制； 2. 消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. 由于消能减震结构不改变结构的基本型式， 除消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。
6.2.3 基础隔震装置
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。
§6.1 概述
消能减震技术的优越性： 1、安全性： 消能构件或消能装置在强震中能率先消耗的 地震能量，迅速衰减结构的地震反应并保护主体 结构和构件免遭破坏，确保结构的安全。 消能减震结构的地震反应比传统结构降低 40%—60%。 2、 经济性： 消能减震结构可以减少剪力墙的设置，减少 结构断面和配筋，可节约造价5%—10%。若用于 旧建筑物的抗震加固，则可节约造价10%—60%。 3、技术合理性： 结构越高、越柔，消能减震效果越显著
力
kp
ke
uy
位移
6.2.3 基础隔震装置 橡胶支座隔震装置的设计的关键是合理确定隔 震支座承受的应力。 我国建筑抗震设计规范规定：隔震层各橡胶隔震 支座，考虑永久荷载和可变荷载组合的竖向平均压应 力设计值不应超过下表的规定。在罕遇地震作用下， 不宜出现拉应力。
橡胶隔震支座平均压应力限值 建筑类别 甲类建筑 乙类建筑 平均压应力 10 12 （Mpa） 丙类建筑 15
目前，结构隔震技术已基本进入实用阶段，但减震与制振 技术，尚处于研究、探索并部分应用于工程实践的时期。
源自文库
§6.1 概述
结构控制可分四类：
（1）被动控制（Passive Control） ：不需要外 部提供能源。 上部减震：如调频质量阻尼器、耗能装置等； 基础减震：即基础隔震。 （2）主动控制（Active Control）：需要外部提 供能源； （3）半主动控制（Semi—Active Control） ：仅 需少量外部能源； （4）混合控制（Hybrid Control）：以上几种控 制类型的组合。
6.2.3 基础隔震装置 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。
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。
6.2.3 基础隔震装置
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)。
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%。
（2）建筑费用和成本大幅度增加 传统方法是在设计时提高材料强度、加大构件 （结构）刚度，其结果是断面越大，刚度越大，使用 面积减少，建筑物自重增大，地震作用亦随之增大。
§6.1 概述
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。 （2）建筑费用和成本大幅度增加 传统方法是在设计时提高材料强度、加大构件（结构）刚 度，其结果是断面越大，刚度越大，使用面积减少，建筑物自 重增大，地震作用亦随之增大。
§6.2 结构隔震设计 结构隔震主要有基底隔震和悬挂隔震两种。 6.2.1 基底隔震概念 在结构物底部与基础顶面之间设置隔震消能装置， 使之与固结于地基中的基础顶面分开，限制地震动向 结构物传递。
6.2.2 基础隔震特性 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：
(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；
注：1. 对需验算倾覆的结构，平均压应力设计值应包括水平地震作用效 应；2. 对需进行竖向地震作用计算的结构，平均压应力设计值应包括竖向 地震作用效应。
6.2.3 基础隔震装置 隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位移， 应符合下列要求：
u i u i
ui iu c
6.2.3 基础隔震装置
§6.1 概述
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。
§6.1 概述
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。
§6.1 概述 （1）被动控制（Passive Control）
外荷载 （风、地震等） 结 构 被动控制装置 图1-1 被动控制的工作原理 反应
① 隔震：在建筑物适当部位设置隔震装置，切断或 削弱地面运动向上部结构的传递，并提供适当的 阻尼，从而使上部结构的地震作用大大降低，耗 能能力加强。 如叠层橡胶垫支座、高阻尼橡胶 垫支座、滑移隔震支座和混合隔震装置等。
6.2.3 基础隔震装置 • 隔震装置由隔震器、阻尼器和复位装置组成。 • 隔震器的作用：支承上部结构全部质量，延长结构 自振周期，同时具有经历较大变形的能力。 • 阻尼器的作用：消耗地震能量，抑制结构可能发生 的过大位移。 • 复位装置的作用：提高隔震系统早期刚度，使结构 在微震或风载作用下，能够具有和普通结构相同的 安全性。 • 目前应用最多的隔震装置为隔震橡胶支座。此外： 滚珠隔震装置 、滑动支座隔震、摇摆隔震支座等， 应用少。
(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；
6.2.2 基础隔震特性 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：
(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。
(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。
6.2.2 基础隔震特性 基底隔震的适用范 围： 高度不超过40m， 以剪切变形为主且 质量和刚度沿高度 分布比较均匀的多 层和中高层结构。 大量试验研究工作表明：合理的结构隔震设计一 般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从 而可以有效地减轻结构的地震破坏，提高结构物的地 震安全性。
第六章 隔震、减震与结构控制初步
§6.1 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，吸收地震能量。立足于“抗”，是 一种消极设计方法。
1）刚性结构体系 地震作用太大，结构像碉堡，材料浪费严重 2）柔性结构体系 可以避免共振，地震作用小，但结构水平位移过 大，影响正常使用。 3）延性结构 在保证一定强度的前提下，具有足够的刚度、变 形能力和耗能能力。
§6.1 概述
② 结构自控：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振 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、 底层设消能缝的砖混结构。
§6.1 概述
③ 结构附加装置控制：在结构的适当位置安放耗能 减振装置，以达到耗能减振的目的。 主要有： 各种耗能支撑、预应力摩擦墙、 金属阻尼器、摩擦阻尼器、 调频质量阻尼器（TMD）、 调频液体阻尼器（TLD）、 粘滞流体阻尼器和粘弹性阻尼器等等。
§6.1 概述
（2）主动控制（Active Control） 指有外加能源的控制，其工作原理为：
外荷载 （风、地震等） 结 构 控制力 控制器 检测元件 反应
常见的类型有：图1-2 主动控制的工作原理 主动调频质量阻尼器(Active Tuned Mass Damper, 简称AMD)； 主动支撑系统（Active Brace）； 主动拉索控制器（Active Tendon）； 主动空气挡风板控制器（Active Aerodynamic Appendayes）等。