建筑消能减震构件

2014级建筑工程技术专业专业必修课课程代码：JXZ21020混凝土结构设计主讲:张毅

二零一七年三月建筑消能减震结构应用2023/3/13终止我国城乡地震灾难的必然技术选择常用隔震装置--橡胶支座隔震消能、减震构件通过某种装置，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

中国不断重复的地震灾难我国地处世界两大地震带——环太平洋地震带和地中海－喜马拉雅地震带的交汇区域，是世界上地震活动最频繁的国家之一。自从我国有地震记录以来，死亡人数在20万以上的灾难性大地震有：1303年山西洪洞大地震、1556年陕西华县大地震、1920年宁夏海原大地震、1976年唐山大地震等。20世纪，全世界由于地震死亡的人数中，中国人约占60%。近几十年来，我国高震级地震频发，如邢台地震、海城地震、唐山地震、汶川地震、玉树地震、芦山地震、鲁甸地震等，均造成了大量人员伤亡和巨大经济损失。我国陆地面积约占全世界的1/14，而大陆破坏性地震却占了全世界的1/3。我国是世界上地震风险最高的国家,平均每5年发生1次7.5级以上地震,每10年发生1次8级以上地震。历史上，我国各省、直辖市和自治区均发生过5级以上的破坏性地震。隔震、消能减震与结构控制体系隔震、消能减震与结构控制体系

我国地震主要有以下几方面的特点：（1）多为浅源地震，震级高、破坏性大；（2）震级和烈度远高于原预期值，造成大灾难；（3）我国城乡人口集中，房屋密集，地震时伤亡惨重；（4）地震时人员伤亡有90%是由于房屋破坏倒塌以及伴随的次生灾害造成的，而我国城乡大量房屋设防标准偏低，房屋抗震能力普遍不足，小震大灾、中震巨灾的现象在我国频频发生，给人民生命财产带来巨大损失，也给国家社会稳定造成巨大影响。一次6〜7级地震，在发达国家仅造成几人至几十人死亡，而在我国可能造成数千人乃至数万、数十万人伤亡，导致地震大灾难。这迫使我们要从一次次地震灾难中吸取教训，对原有的抗震设防要求和抗震技术体系，进行反思和创新。我国正处于建设小康社会、步入以人为本的时期，我们这一代人有责任，在中国这片国土上，终止地震造成的一次次重复的大灾难!

此前，先建立了强度抗震体系（20世纪30年代），后又发展了强度-延性抗震体系（20世纪70年代），即现在的传统抗震体系。

这个抗震体系仍未能终止我国一次次重复的地震大灾难。

传统抗震技术体系一般建筑结构，在地震发生时，强地面运动引起结构的地震反应，结构固接于基础之上，尤如一个地面地震反应“放大器”，结构的地震反应随着高度将逐级被放大至2倍以上（图1a）。中小地震发生时，虽然主体结构可能还未破坏，但建筑饰面、装修、吊顶等非结构构件可能破坏而造成严重损失，室内的贵重仪器、设备可能毁坏而使用功能中断，甚至导致更严重次生灾害。当大地震发生时，主体结构可能破坏乃至倒塌，导致地震灾难。

为了减轻地震灾害，人们先后发展了下述抗震技术体系：（1）抗震“强度”体系：通过加大结构断面和配筋，增大结构的强度和刚度，把结构做得很“刚强”，以此来抗御地震，即“硬抗”地震（图1b）。这种体系，由于结构刚度增大，也将引起地震作用的增大，从而可能在结构件薄弱部位发生破坏而导致整体破坏。在很多情况下，这样“硬抗”地震很不经济，有时也较难实现。（2）抗震“延性”体系：容许结构构件在地震时被损坏，利用结构构件损坏后的延性，结构进入非弹性状态，出现“塑性铰”，降低地震作用，使结构“裂而不倒”（图1c）。对比“强度”体系，结构“延性”体系仅需要较小的断面和配筋，更为经济。“延性”体系从20世纪70年代建立，已成为我国和世界很多国家采用的“传统抗震体系”。它的设计水准是：在设定设计地震烈度下，小地震时不坏，中等地震时可能损坏但可修复，大地震时明显破坏但还不致倒塌。但超大地震时就无法控制了。图1传统抗震体系

传统抗震技术体系存在的问题及对策传统抗震技术体系长期存在下述难以解决的问题：（1）结构安全性问问题。在设计烈度内，，这种传统抗震震体系能避免结构倒塌，但当当遭遇超过设计计烈度的地震时时，将可能导致成片建筑结构倒塌，，引发地震灾难难。如2008年我国5·12汶川地震，地震前的汶川川是一个美丽的的县城，地震后后成为一片废墟墟。（2）建筑破坏问题题。在地震作用下，，传统抗震结构构钢筋屈服和混凝土裂缝，结结构出现延性，，国内外专家早早就指出“延性就是破坏”，导致建筑物结结构在震后难以以修复，虽未倒倒塌但又不能使用，成为“站立着的废墟”。2008年汶川地震后，，宜宾县隆兴乡震后援建的博爱学学校，使用仅4年，在2013年芦山地震中破坏严重，其塔楼及结构构底层柱有明显显破坏，震后修修复非常困难（图2）。图22009年新建的隆兴乡乡博爱学校在2013年芦山地震中塔塔楼及结构柱破破坏情况（3）建筑功能丧失失问题。在地震作用下，，传统抗震结构构的非弹性变形形和强烈振动，，引起建筑中的的非结构构件及及装修、吊顶等等的破坏，以及及室内设备、仪仪器、瓶罐等的的掉落破坏，必必然导致建筑使使用功能甚至城城市功能的丧失失，引起直接或或间接的人员伤伤亡或灾难。例例如，地震时医医院、学校、指挥中心、网网络、试验室、电台、机场场、车站、电站等的破坏，会导导致现代城市瘫痪或社会灾难难，后果是难以想象的！上述传统抗震技技术体系存在的的问题，在我国国凸显严重，原原因是：（1）我国建筑物的的抗震设防标准准偏低。除少数地区外，，我国大部分地地区的设计地震震动加速度为0.10 g；而日本、智利利为0.30 g，土耳其为0.20〜0.40 g，伊朗也已提高高为0.35 g。也即，我国建建筑物地震设防防标准（地震动动加速度）仅为为世界其他多地地震国家设防标标准的1/2〜1/4。如果同样的地地震发生在我国国，建筑物的破破坏和人员伤亡亡，要比其他国国家要严重得多多！（2）我国很多灾难难性地震发生在在中、低设防烈烈度区，或频繁繁发生超设防烈烈度的大地震，，引发大灾难。。唐山的设防烈度度为Ⅵ度（地震动加速速度0.05 g），1976年唐山大地震震震中烈度达Ⅺ度（地震动加速速度估计为0.90 g）；汶川的设防防烈度为Ⅶ度（地震动加速速度0.10 g），2008年5·12地震震中烈度达达Ⅺ度（地震动加速速度0.90 g）；青海玉树的的设防烈度为Ⅶ度（地震动加速速度0.10 g），2010年玉树地震烈度度达Ⅸ〜Ⅹ度（地震动加速速度0.50〜0.80g）；四川芦山的的设防烈度为Ⅶ度（地震动加速速度0.10 g），2013年芦山大地震破破坏烈度达Ⅸ〜Ⅹ度（地震动加速速度0.60〜0.90 g）；云南鲁甸的的设防烈度为Ⅶ度（地震动加速速度0.10 g），2014年8·3鲁甸大地震破坏坏烈度为Ⅸ〜Ⅹ度（地震动加速速度0.60〜0.80 g）。即实际地震震的地震动加速速度值为设计值值的6〜18倍！按照传统抗抗震技术建造的的结构，哪能防防御这种超级大大地震？大灾难难不可避免！目目前，我国大面面积、大幅度提提高设计标准,还不现实，再加加上传统抗震技技术体系长期存存在难以解决的的问题，在中国国这片国土上，，要终止地震造造成的一次次重重复的大灾难，，必须在原来采采用传统抗震技技术体系的基础础上，大力推广广采用创新的防防震技术新体系系——隔震、消能减震震、结构控制技技术体系——四十年来世界地地震工程最重要要的创新成果之一终止我国城乡地震灾灾难的必然技术术选择（二）隔震技术及其应用隔震体系是指在结构底部部或某层间设置置由柔性隔震装装置（如叠层橡橡胶隔震支座））组成的隔震层层，形成水平刚度很小小的“柔性结构”体系（图a）。地震时，上部部结构“悬浮”在柔性的隔震震层上，只做做缓慢的水平平整体平动，从从而“隔离”从地面传至上上部结构的震震动，使上部部结构的震动反应应大幅降低，，从而保护建建筑结构、室室内装修、非非结构构件、室内设备备、仪器等不受任任何损坏，使隔震震结构在大地震中成为“安全岛”。隔震体系把传统统抗震体系通过加加大结构断面和配筋的“硬抗”概念和途径，改为为“以柔克刚”的减震概念和途径，是中华文化化“以柔克刚”哲学思想在结构防防震工程中的成功运用。从结构动力学分析，，隔震结构是把结结构的自振周期大大延长（即“柔性结构”），从TS1延长至TS2，则结构加速度反应将从XS1降为XS2，降为原来传统抗抗震结构加速度反应的1/4〜1/8（图b）,结构抗震性能大幅幅提高（图4）。我国近代隔震技术与国国际基本同时起步步，但发展较快。。我国首幢砂垫层层隔震建筑由李立立教授主持于1980年建成；由刘德馨、曾国国林主持的石墨砂砂浆滑移层隔震房房屋于1986年建成；我国最初建成的的这几幢隔震房屋屋至今尚未经历地地震考验，而由于于砂垫层或砂浆滑滑移层在地震后没没有复位功能，故故未能推广应用。关于隔震房屋，于1989—1993年在汕头市建成的我我国第一幢夹层橡橡胶垫隔震房屋，，在1994年9月6日中国台湾海峡7.3级地震中经受了考考验。此后，相继在云南、河河南、新疆、四川川、山西、北京、、福建等地建成了了多幢夹层橡胶支支座隔震房屋，有有些还成功经历地地震考验。目前，隔震房屋已逐渐渐在我国推广应用用，至2015年年底，已建成隔震建筑筑超过6000栋。与传统抗震结构相相比，隔震结构有有下述的优越性：（1）确保建筑结构在大大地震时的安全。隔震体系可使结结构的地震反应降降为传统结构地震震反应的1/4〜1/8，使隔震结构有很很宽的“防巨震安全极限边边界”，在超烈度大地震震时成为“安全岛”，保护几代人的生生命和财产安全!（2）地震时上部结构保保持弹性，结构在在地震中不损坏，，避免震后很困难的的修复工作。（3）可实现性能化防防震设计，实现地地震设防的“双保护”,即既保护结构安全全,也保护非结构构件件、室内设备仪器器等的使用功能不不中断。这对于医医院、学校、指挥挥中心、网络、实实验室、广播电视视台、机场、车站站、电站、各种生生命线工程等尤为为重要，能避免大地震发生生时城市功能陷于于瘫痪，避免大地地震发生时的直接接灾害或次生灾害害。（4）适用于规则建筑筑结构,也适用于非规则建建筑结构。隔震后后的结构地震反应应大幅降低，结构构的水平变形（层层间变形或扭转变变形等）都集中在在柔软的隔震层而而不发生在建筑结结构本身，从而保护功能要求较高高的复杂建筑结构构，在地震中不被被损坏。这适合于保障学学校、医院、高档档住宅、办公大楼楼、影剧院、机场场、交通枢纽等的的地震安全。（5）采用隔震技术,投资增加不多。当隔震技术应用用于防震性能要求求较高或高烈度地地区时，还能降低低建筑结构造价。（6）隔震技术不仅可用于新建建建筑，也可用于对对既有结构进行隔隔震加固，能大幅提高地震震安全性。在达到到基本相同的要求求下，造价比传统方法更更低。抗震、隔震、减震震技术比较。抗震：结构自振周期很很难远离地面卓越越周期，地震时容容易发生一定程度度的共振，结构震震动反应可放大至至200%以上，大地震时会会严重威胁结构和和内部设施的安全全。消能减震：通过增大结构阻尼尼来消耗能量，以减轻结构地震反反应，可减震20%～50%（即降低至80%～50%），但结构震动放放大系数仍大于1，为1.20〜1.80。能实现降低结构构位移（地震变形形）反应的目标，，减少结构的破坏坏程度，提高结构构的抗倒塌安全性性。隔震：通过延长结构自自振周期，避开振振动共震区，有效效隔离地震。可减减震75%〜90%（即降至25%〜10%或1/4〜1/8），大幅提高结构构安全性。震动放放大系数远小于1，为0.10〜0.30。能大幅减低结构构加速度反应（地地震作用）的目标，，既能在大地震中中保护结构安全，，也能保护内部设设施完好无损，使使用功能不中断。。抗震、隔震、减震震结构；地震损坏维修代价价比较。图15为日本YusukeWADA教授对日本传统抗抗震结构与减震、、隔震结构在震后后维修代价随地震震烈度变化的趋势势图。可以看出：在烈度较小地震时时，抗震结构尤其是是延性设计的结构构就会发生损坏，，包括非结构构件件或室内设备仪器器，震后维修代价价较大；而减震结构构的损坏较较轻微，震震后维修费费用较低；；而隔震结结构完好无无损。当烈度较大大地震时，延性设计计的结构破破坏程度就就会加剧甚甚至倒塌，，直到失去去维修价值值；而减震震结构在较较大烈度地地震时的破破坏主要还是减减震装置的的破坏，在在经历地震震后，只需需更换、维维修损坏的的减震装置置；而隔震震结构完好好无损。在影响烈度度特高地震震时，延性设计计的抗震结结构已经倒倒塌；减震震结构比强强度设计的的抗震结构构破坏程度度轻些，维维修代价低低于抗震结构；而隔隔震结构仍仍然完好，，仅在隔震震层（隔震震支座或柔柔性管线连连接等）有有轻微损坏坏，稍加维维修即可恢恢复正常。。北京新机场场航站楼隔隔震设计与与应用北京新机场场北京新机机场位列新新世界“七大奇迹”榜首，拥有有世界规模模最大的单单体机场航航站楼，是是全球最大大的单体隔隔震建筑，，2016年9月20日，伴随着着最后一块块顶板的浇浇筑完成，，地下结构构提前实现现封顶，为为地上结构构施工全面面展开，奠奠定了坚实实的基础。。在建设过过程中，有有好多奇迹迹，隔震设设计与应用用就是其中中之一，下下面，听听听北京市建建筑设计研研究院（集集团）有限限公司结构构总工程师师束伟农教教授是怎么么解读的。。结构体系航站楼主体体结构采用用钢筋混凝凝土框架结结构，主体体混凝土结结构分为19个单元（图图3），单元之之间的分缝缝在地下按按伸缩缝和和沉降缝设设置，地上上按抗震缝缝设置，混混凝土柱网网为9m×9m和9m×18m。中央大厅厅（C区）长宽两两个方向的的尺度较大大（518m××395m），建筑功功能复杂，，屋顶钢结结构支承条条件复杂，，采用隔震震措施，隔隔震目标为为降低一度度。为满足建筑筑布局灵活活多变的功功能要求。。经综合考考虑，航站站楼主体结结构采用现现浇钢筋混混凝土框架架结构，钢钢筋混凝土土柱均为圆圆柱。主楼楼混凝土结结构楼板均均采用钢筋筋混凝土全全现浇主次次梁楼盖体体系。航站楼屋顶投影影面积约为为35万平方米，，南北长约约1000m，东西宽约1100m