隔震与减振控制

1、基础隔震结构地震反应及特征基础隔震结构地震反应及特征1.基础隔震简介 所谓基础隔震,是在建筑物与基础之间设置一层具有足够可靠性的隔震层,控制地面运动向上部结构的传递。 建筑隔震属于结构被动控制的范畴,其本质思想是通过增加能够提供柔性和适当耗能装置(阻尼)的隔震层(系统),使隔震系统以上的结构和(或)构件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来,从而减小结构的地震反应,提高建筑结构的抗震可靠性。2.基础隔震原理 基础隔震技术是通过设置在结构物底部与基础顶面之间的隔震消能装置,来增加结构的变形能力和滞变阻尼。变形能力的增加,可以使得结构在地震作用下保持不倒,而阻尼的增大可以吸收更多的地震能量

2、,从而大大减小地震作用。同时,结构变形能力的增大导致了结构产生的第一振型周期变长,这与增大的阻尼相结合,就可以大大降低地震影响系数,并且结构物底部有足够的横向变形能力和滞变阻尼,使得结构底部的应力分布较为均匀,避免了常见的结构底部首先破坏的可能性。 下面用建筑物的地震反应谱说明基础隔震原理。图1给出了普通建筑物的加速度反应谱和位移反应谱。一般中低层钢筋混凝土建筑物刚性大、周期短,所以进入建筑物的加速度大,而位移反应小,如图中A点所示。现在延长建筑物周期,而保持阻尼不变,从而加速度反应被大大降低,位移反应却有所增加,如图中B点所示。再加大结构的阻尼,加速度反应继续减弱,位移反应得到明显控制,这就

3、是图中的C点。2.基础隔震原理 综上分析,延长结构周期、给予适当阻尼（增大）可使结构的加速度反应大大减弱。同时,让结构的大位移主要由结构物底部与地基之间的隔震系统提供,而不是由结构自身的相对位移承担,这样,结构在地震过程中发生的变形非常小,甚至像刚体那样作轻微平动,从而为结构的地震防护提供更加良好的安全保障。2.基础隔震原理隔震层在减震功能上均应满足下列四个基本要求:（1） 要在侧移变形前后稳定地支承建筑物的自重（2） 要能有效减少上部结构的地震作用（3） 要减小隔震层位移幅值（4） 要防止隔震层的水平位移变形在地震作用下向某一方向畸形发展,亦即减少残留位移。3. 建筑基础隔震体系的动力反应分

4、析方法3.1 结构体系的基本假设结构体系的基本假设： 对上部结构及隔震层等整个结构体系的分析均基于下述假设:（1）上部结构考虑线性地震反应,对隔震层考虑非线性地震反应 (2)每个结构层均可凝聚为相对于质心的3个自由度: 2个水平自由度和1个转动自由度。 (3)所有隔震支座顶部的隔震层楼板在平面内具有无限大刚性,隔震层楼板也同样具有3个自由度：2个水平自由度和1个转动自由度,并都相对于隔震层质心。 (4)要求上部结构在缩减振型时其保留振型数目应为3的倍数,且不得小于3。 (5)所有的子结构都通过隔震层楼板连接在一起。3.2 基础隔震的计算模型1) 单质点模型2) 双质点模型3) 多质点模型4)

5、无限质点模型5) 其他模型1) 单质点模型 夹层橡胶垫基础隔震体系隔震层刚度一般远小于上部结构的层刚度, 在地震作用下, 上部结构可视为整体平动, 研究隔震层剪力和位移可采用如图3所示的单质点模型. 图3 基础隔震体系单质点模型2) 双质点模型 如图4所示的双质点模型也是隔震体系地震反应分析的基本模型之一. 利用该模型可分析隔震体系上部结构与隔震层间的相互作用, 研究与单质点模型地震反应的异同.图4 基础隔震体系双质点模型3) 多质点模型 单质点和双质点模型可以给出隔震结构某些地震反应的很好近似, 然而, 对另外一些反应特性则必须将结构按如图5所示多质点模型研究, 如隔震结构层间剪力及其分布、

6、层间位移、楼板谱、上部结构高阶振型反应、非线性结构中各振型能量的传递、基础的提离与倾覆等问题。图5 基础隔震体系多质点模型4) 无限质点模型 一种更复杂的隔震分析模型是如图6所示的无限质点模型. 该模型将上部结构视为无限自由度均匀连续的竖向剪切梁结构. 采用该模型可利用解析方法更系统地研究结构参数和隔震系统参数在更大范围内变化时, 隔震结构的地震反应特点. 上部结构均匀或某些特殊光滑变化的质量分布和刚度分布结构也适用该模型进行分析。图6 基础隔震体系无限质点模型5) 其他模型 除以上分析模型, 针对不同情况隔震结构计算和研究还会采用其他分析模型, 如考虑结构质量和刚度偏心的多质点扭转模型; 考

7、虑隔震结构空间相互作用和隔震支座相互影响的空间隔震结构分析模型. 3.3 隔震层的滞回特性 隔震层的滞回特性由隔震支座决定, 其简化的滞回曲线有以下几种： 1) 线弹性滞回曲线 2) 粘滞型滞回曲线 3) 双线性滞回曲线 4) 库仑摩擦滞回曲线 5) 其他类型滞回曲线1) 1) 线弹性滞回曲线线弹性滞回曲线 弹性曲线是最简单的滞回曲线, 线性隔震结构隔震效果好, 且高阶反应小, 但由于无阻尼参与, 隔震层位移较大, 一般不宜单独采用. 普通橡胶垫支座的滞回曲线为线弹性2) 粘滞型滞回曲线粘滞型滞回曲线 在线弹性隔震层附以粘滞阻尼器, 隔震层滞回曲线为粘滞型滞回曲线. 阻尼器布置多, 滞回曲线越

8、饱满, 结构的高阶反应变的越显著3) 3) 双线性滞回曲线双线性滞回曲线 在线弹性隔震层附以铅挤压阻尼器、滑移摩擦阻尼器或钢阻尼器, 隔震层滞回曲线可简化为双线性滞回曲线. 阻尼器的数量可决定滞回曲线的屈服系数和非线性系数. 该滞回曲线模型最常用4) 4) 库仑摩擦滞回曲线库仑摩擦滞回曲线 滑移隔震支座的滞回曲线可视为库仑摩擦滞回曲线. 该曲线无恢复力特性, 结构残留位移可能较大, 由于该曲线的强非线性, 结构的高阶反应较大. 该类型隔震层一般应附以恢复力装置.5) 5) 其他类型滞回曲线其他类型滞回曲线 普通夹层橡胶支座附以特定阻尼器还会形成其他类型恢复力曲线: 如Ramberg-Osgoo

9、d型、刚度硬化型、I型阻尼器型等滞回曲线. 这些滞回曲线在隔震分析中较少用到.4.隔震层分析模型 基础隔震结构地震响应的性能主要取决于隔震层动力性能的设计，即隔震层滞回关系和参数的设计。 目前，模拟隔震层实际的剪力-位移滞回关系曲线的主要模型有：线性和双线性模型。 图7 有阻尼线性隔震系统动力模型图8 双线性隔震系统动力模型（1）有阻尼线性隔震系统 右图所示为由线性弹簧和粘滞阻尼器组成的线性隔震系统，其力-位移滞回曲线有一有效斜率Kb，代表隔震系统的抗切刚度（1.1）有阻尼线性隔震系统参数抗切刚度Kb粘滞速度阻尼Cb自振周期Tb速度阻尼系数b（1.2）线性隔震系统动力方程 采用线性隔震系统的结

10、构体系，其动力方程为：其中，阻尼矩阵和刚度矩阵可分别表示为：下标0表示基底无约束的自由-自由结构矩阵，即基底隔震器具有零水平刚度和阻尼的结构。Kb和Cb分别为隔震器的恢复刚度和阻尼系数。（2）双线性隔震系统 右图所示为一双线性隔震系统，该模型中有两个线性弹簧，其中一个与一库伦阻尼相串联，其滞回曲线是双线性的，有两个斜率，分别代表初始刚度和屈服刚度，对应于隔震层的弹性变形和塑性变形。（2.1）双线性隔震系统参数 滑动刚度Kb1（初始刚度或弹性刚度） 滑动或屈服时有较小刚度Kb2（屈服后刚度或塑性刚度）（2.1）.双线性隔震系统参数 双线性模型的另一个重要参数为屈服比QY/W,即隔震层的屈服力QY

11、与结构重量W之比。隔震层屈服位移为Xy，由QY和Kb1确定。（2.1）双线性隔震系统参数 研究表明，利用等效周期TB和等效阻尼B可以有效地描述双线性隔震系统的力学性能。上述等效值可以由图b）所示双线性模型剪力-位移滞回曲线得到。其中，等效刚度、等效周期分别为：（2.2）双线性隔震系统动力方程 右图为一固定在双线性隔震系统上的剪切型结构。库伦阻尼器用一滑动器表示，其屈服力为QY，屈服后将使系统刚度改变；Cb是隔震器的速度阻尼系数，双线性隔震系统的动力方程为 5 .问题及讨论 1）隔震理论与技术虽取得了长足的进步, 但问题仍然不少. 我国抗震规范中, 隔震层等效刚度和等效阻尼按规范指定加载幅值与频

12、率的试验确定, 根据试验确定的参数对隔震结构进行分析, 进而得出隔震层位移与剪力. 但由此得出的隔震层位移与频率并不一定与试验条件一致. 这表明, 由于没有考虑隔震层的非线性, 导致规范本身的非自恰性.3）反应谱法是隔震结构计算设计的另一简便方法. 但该方法简单地采用了等效周期和等效阻尼的概念, 并采用统一的以等效阻尼为参数的结构反应降低系数公式, 其应用隔震参数范围和精度值得进一步研究. 2）日本的简易分析法将隔震层简化为双线性模型, 由内含的统计关系式保证了规范自身的自恰性. 但该方法首先要确定地震输入总能量, 且不说输入能力本身就难以确定, 实际结构最大反应未必与输入总能量总是相关的.

13、有研究表明, 结构最大反应与地震输入瞬时能量有较大的相关性, 而这方面的研究还很不够.4）结构滑移隔震主要问题在于, 由于无位移恢复能力, 隔震层位移不宜控制. 在规范化方面与现行计算设计方法衔接困难. 研究表明: 滑移隔震体系参数较少, 应用反应谱法比较方便; 对在卓越周期反应较大的结构, 滑移隔震能显著降低其地震作用, 其最大反应由摩擦系数决定,故滑移隔震体系采用反应谱分析方法, 表现出比一般结构反应谱计算更高的可靠性. 因此, 反应谱法可成为滑移隔震体系计算和设计的一种简易方法.5）对于竖向隔震体系 在技术方面, 竖向隔震的障碍在于, 难于在提供有效竖向支承的前提下,大幅提高隔震结构竖向

14、名义周期. 研究表明, 隔震参数设计不合理反而会导致负作用, 竖向基础隔震不能简单采用未经设计的隔震装置. 在应用方面,由于竖向地震作用对高耸、大跨结构影响比较显著, 而对一般宜采用隔震的底层普通建筑结构影响不显著, 竖向基础隔震还没有应用到普通建筑结构中.6.前景 基础隔震技术可在两个方向进行研究. 一个方向是, 简化基础隔震措施, 提高结构基础隔震的可靠度, 降低隔震层造价和上部结构造价,在中低烈度区一般建筑结构中推广使用隔震技术;另一个方向是, 不必考虑或较少考虑隔震成本, 最大程度完善和优化包括结构竖向基础隔震在内的基础隔震理论和技术, 确保有特殊要求或重要建筑结构在地震作用下的最大安

15、全性和可靠性. 隔震体系隔震层以上部分一般为层数不多、刚度较大的结构, 在较大地震作用下也处于弹性反应状态, 因此可以简化为常见的多自由度剪切模型; 并联隔震体系隔震层滞回模型, 在保证一定精度的前提下, 可简化为如图1所示的双线性滞回模型, 其中初始刚度为无穷大, 屈服后回复刚度为kr , 屈服剪力为nG, 其中G为隔震层( 含隔震层) 以上结构自重, n为隔震层屈服剪力系数。 并联基础隔震体系隔震层滞回模型3.并联基础隔震系统地震反应特征与隔震层参数的优选 建筑物橡胶垫基础隔震和滑移基础隔震是国内外常见的基础隔震体系，两者有着不同的隔震策略、隔震效果和适用性，将两者并列设置, 共同承受上部结构的重力荷载形成并联基础隔震体系，该隔震系统中, 滑移支座起到阻尼器的作用, 橡胶垫支座可采用普通夹层橡胶垫。经过合理的参数选择和设计，通常可以收到更好的经济技术效果。 并联基础隔震体系简图 在并联基础隔震体系力学模型中, 需确定两个隔震层参数: 回复刚度kr 和屈服剪力系数G。 在并联隔震体系中, 隔震层回复刚度有重要的作用, 但不可过大, 否则过大的最大剪力将出现在第一结构层, 隔震体系的隔震效果将明显降低。确定回