隔震与减震技术介绍

1、隔震与减震一、概述二、基底隔震三、悬挂隔震 四、耗能减震五、冲击减震 六、吸振减震七、主动控制减震、概述?地震引起结构振动的全过程是：由震源产生地震动，通过传播途径传递 到结构上，从而引起结构的振动反应。?通过在不同部分采取振动控制措施，就成为不同的积极的抗震方法。1、消震通过减弱震源振动强度达到减小结构振动的方法。2、隔震通过某种装置，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，达到减小结构振动的目的。隔震方法：基底隔震悬挂隔震3、被动减震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。被动减震方法：耗能减震冲击减震 吸震减震4、

2、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，主动给结构施加控 制力，达到减小结构振动的目的。?两大类减震方法：(1)被动控制方法。这种方法无外部能源供给，也称无源控制技术。包括隔 震技术和被动减震技术。(2)主动控制方法。这种方法有外部能源供给，也称有源控制技术。?与传统的消极抗震方法相比，减震方法优点：(1)减小地震作用，降低结构造价，提高结构抗震可靠度。隔震方法能够控 制传到结构上的地震力，克服确定荷载的困难。(2)减小结构在地震作用下的变形，保证非结构构件不破坏，减小震后维修费用，对现代建筑，非结构构件的造价占总造价的80%以上。(3)隔震、减震装置的更换或维修比更换、维修结构

3、构件方便、经济。(4)精密加工设备、核工业设备等结构物，只能用隔震、减震的方法满足 严格的抗震要求-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低于上 部结构的侧向刚度。此时可近似为上部结构是一个刚体，如图8.18所示。 设结构的总质量为m绝对水平位移为y,地震动的水平位移为xg,隔震 层的水平刚度为k,阻尼系数为c,则底部隔震系统的运动平衡方程为：?my cy ky = cxgkxg?上部结构绝对位移(加速度)振幅与地震动位移(加速度)振幅的比值R为y y1 4 2 2q _ y ma

4、x _ y max _ rR1vzi .2x2. 2 ： 2 2xg maxxg max (1)4? R称为绝对隔震传递率。R值越小，表明隔震效果越好。?地震动与隔震结构的频率比B大于时，隔震系统才有隔震能力。而且频 率比越大，隔震能力越强。基底隔震结构设计的一般原则：? 在满足必要的竖向承载力的的同时，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，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不能太大。因此，结构底部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

5、下，风稳定装置退出工作，隔震装置开始工作。1、方法 （具体原理和应用见P255 P260）（ 1）滚子隔震? 主要有滚轴隔震和滚珠（球）隔震两种。（ 2）橡胶垫块隔震（ 3）悬挂基础隔震（ 4）摇摆支座隔震（ 5）滑动支座隔震叠层橡胶支座隔震技术规程（CECS126:2001）三、悬挂隔震1、方法? 悬挂隔震是将结构的全部或大部分质量悬挂起来，使地面运动传递不到主体质量，产生不了惯性力，从而起到隔震作用。具体原理见图8.35 和P261。2、应用? 悬挂结构在桥梁、房屋建筑、火电厂锅炉架等方面有大量应用。著名的43 层香港汇丰银行新大楼，采用的就是悬挂结构。? 悬挂结构悬杆受力大，需采用高强钢

6、。而高强钢韧性差，在竖向地震作用下易拉断。为减小竖向地震作用，可在吊点设减震弹簧，并配合使用阻尼器。四、耗能减震1、方法? 耗能减震是通过采用附加子结构或一定措施，消耗地震传递给结构的能量。?地震时，结构在任意时刻的能量方程为： Et=Es+ Ef式中， Et 为输入结构的能量，Es 为主体结构的耗能；Ef 为附 加子结构的耗能。? 主结构耗能组成：Es = Ev+ Ec+ Ee+ Ey式中，Ev为结构振动动能；Ee为结构振动势能；Ec为结构粘 滞阻尼耗能；Ey为结构塑性变形耗能。? 耗能减震原理：从能量的观点，地震输入结构的能量是一定的，通过耗能装置消耗掉一部分能量，则结构本身需消耗掉的能量

7、减小，意味着结构反应减小。从动力学的观点出发，耗能装置的作用，相当于增大结构阻尼，从而使结构反应减小。2、耗能装置? 耗能装置可以是安放在结构物能产生相对位移的阻尼器，也可以是由结构物的某些非承重构件设计成的耗能构件。? 这些耗能装置在风或小震作用下应具有较大的刚度。但强烈地震发生时，耗能装置应率先进入非弹性状态，产生较大的阻尼，大量消耗输入结构的地震能量。? 试验表明，耗能装置可消耗地震输入能量的90以上。? 工程结构抗震采用的耗能装置? 阻尼器：软钢阻尼器、挤压铅阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器? 耗能支撑：耗能交叉支撑、摩擦耗能支撑、耗能偏心支撑、耗能隅撑? 耗能墙 ：带竖缝剪力墙、周边

8、耗能墙、水平缝摩擦墙、阻尼器剪力墙（具体原理和应用见P263 P268。 ）五、冲击减震1、 原理? 冲击减震是依靠附加活动质量与结构之间的非完全弹性碰撞达到交换动量和耗散动能而实现减小结构地震反应的技术。具体工作原理见P268P271。? S.F.Masri 研究平稳随机振动的冲击减震问题，获得以下结论：（ 1）冲击减震器能够减轻平稳随机振动，但减震效果不如抑制简谐振动的效果。（ 2）冲击减震器的最优活动间隙与安装部位的位移有关。（ 3）主振结构阻尼越小，冲击减震效果越好。（ 4）如冲击减震系统的激励是高斯过程，它的响应仍然接近高斯过程。2、 1 应用（见P272）六、吸振减震? 吸振是通过

9、附加子结构，使结构的振动发生转移，即使结构的振动能量 在原结构与子结构之间重新分配，从而达到减小结构振动的目的。? 目前工程结构应用的吸振装置主要有三种，它们是：被动调频质量阻尼器、质量泵和质量放大器。? 具体的工作原理和形式见P272 P277。七、主动控制减震1、概念? 主动控制减震体系是利用外部能源，在结构受地震激励振动过程中，瞬时改变结构动力特性和施加控制力，以减少结构地震反应的自动控制体系。（ 1）传感器。安装在结构上，测量结构所受外部激励和结构反应或两者，将测得的信息传递给控制器的处理器。（ 2）处理器。处理测得的信息，根据给定的控制算法，计算所需的控制力，并将控制信息传递给控制器

10、的致动器。（ 3）致动器。根据控制信息，由外部供给能源产生所需的控制力，从而减少结构振动反应。? 主动控制体系中的控制器由三部分组成：（ 1）开环控制。根据外部激励信息调整控制力。（ 2）闭环控制。根据结构反应信息调整控制力。（ 3）开闭环控制。根据外部激励和结构反应的综合信息调整控制力。? 主动控制已广泛用于电子工程、机械工程、航天航空工程等领域，但在土木工程中应用该方法尚是新的研究方向。（具体原理和形式见P278P280）基础隔震适用范围建筑抗震设计规范规定隔震和消能减震设计，主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震设防烈度为8、9 度的建筑。对于一些重要建筑，为了实现对使用功能的特殊要求

11、，适当增加投资是必要的，因而都可采用隔震和消能减震设备。所谓使用功能有特殊要求的，例如：要求地震时不中断使用功能（ 首脑、指挥机关、消防、公安、医院） ；要求地震时不损坏信息系统和重要设备（ 银行、保险、通讯 ） ；要求减轻次生灾害（ 存放有毒、爆炸等物品的建筑） ；要求地震时生命安全有更大保证（ 幼儿园、小学、医院病房等地震时人群不便疏散的建筑） ；要求用“隔震和消能减震”技术弥补某些类型结构在抗震方面的不足或满足其抗震设计要求等。对于多层砌体、一般框架和抗震墙房屋，规范强调隔震和消能减震设计主要用于8、9 度区。这是因为试设计和试点工程表明，在6、7 度区建造隔震房屋虽可提高房屋的抗震安全

12、度，但建设投资常有增加，现阶段尚不易为一般业主接受。建筑隔震是在上部结构与基础之间加设一隔震层，隔震层对整个结构系统起两大作用：1 、由于隔震层的刚度很小，使整个隔震结构体系的自振周期大大增长，上 部结构的地震加速度反应大大减小；2 、隔震层采用高阻尼的元件组成，使整个隔震结构体系的阻尼加大，有效 地吸收地震波输入上部结构的能量，大减小地震对上部结构的打击力。这两项作用，可使上部结构的加速度反应一般仅相当于不隔震情况下的 1/41/8 ,不仅达到了减轻地震对上部结构损坏的目的，而且一般使建筑物的装修及室内设备也得到有效的保护，乃至不影响室内设备的正常运行，地震时人员 可照常停留在室内。基础隔震

13、技术的出现，可使抗震设防 超越“小震不坏，大震不倒”的设计思 想，达到更高的抗震安全可靠度水准，使建筑物在强烈地震中不发生较严重的损 伤；另外由于强震地面运动固有的复杂性的预测工作的高难度，使人们逐渐认识到在结构抗震设计中以人为确定的地面运动强度和谱特性为目标的传统抗震设 计方法包含着由于地面运动不确定性可能引起的风险，为了减低这种风险，除了应加强设计地震的研究以外，更为现实的途径是使结构具有抗御不同地面运动特 性的能力，使类似于共振的现象在地震中不可能出现， 隔震技术即可满足这种要 求。多层房屋夹层橡胶垫隔震技术该项目创立了一种崭新的隔震建筑新概念、新理论、新体系、新的设计方法 和建造技术。

14、应用该技术建成的隔震房屋，采用设于房屋底部的夹层橡胶垫进行 隔震，在风荷载下，夹层橡胶垫具有足够的水平刚度，房屋位移很少，与一般房 屋无异，而在强地震发生时，夹层橡胶垫产生水平柔性变形，地面震动被隔开， 能将房屋的地震加速度反应减少至l /4 - l /12,确保房屋在任何突发强地震 中不损坏、不倒塌，确保安全，并保护房屋内所有装修、物品、设备或仪器不受 损坏。1993年9月建成了我国第一栋采用夹层橡胶垫的隔震房屋，也是当年世界 上采用夹层橡胶垫隔震的最高、最大的住宅楼。该技术目前已开始推广应用，现 已建成或即将建成的19幢多层建筑，面积约7. 4万平方米。隔震结构房屋的土 建造价比传统防震结构房屋节省7%,施工安装方便。使用寿命可达70年以上， 具有显著的经济效益和社会效益。隔震减震建筑结构构造(03SG610-1)2、通过快速老化对比试验，揭示了橡胶隔震支座的耐久性机理，从理论上确认 了支座优良的耐久性。支座耐久性曾经是本技术应用中的重要障碍1)单片橡胶在20c环境温度下，10年后基本性能降低到不能继续使用的状态。 (2)橡胶支