结构抗震设计讲义一二

第10章

隔震和消能减震结构设计返回总目录教学提示：为了提高结构的抗震性能，减震隔震、被动控制、主动控制及混合控制等一些新的抗震技术逐渐被提出来，结构控制是指在工程结构的特定部位装设某种装置或某种机构或某种子结构或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，确保结构本身及结构中各种附属物的安全的一种技术，它是结构工程与控制工程相结合的产物。

教学要求：本章要求学生了解隔震与消能减震的原理、设计计算方法及有关的构造要求。本章内容

●10.1概述

●10.2隔震结构设计

●10.3消能减震结构设计

●10.4习题

10.1概述

抗震结构是利用自身的承载力和塑性变形能力来抵御地震作用。当地震作用超过结构的承载力极限时，结构抗震能力将主要取决于其塑性变形能力和在往复地震作用下的滞回耗能能力，即利用结构的塑性变形耗能和滞回耗能来耗散地面运动输入到结构中的能量。这一能量耗散过程势必会导致结构的损伤，以致产生破坏。

近十几年来，为了提高结构的抗震性能，一些新的抗震技术逐渐被提出来，其中主要包括减震隔震技术、被动控制技术、主动控制技术及混合控制技术等。结构控制是指在工程结构的特定部位装设某种装置、或某种机构或某种子结构或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，确保结构本身及结构中各种附属物的安全的一种技术，它是结构工程与控制工程相结合的产物。实质上，减震隔震技术也是结构控制的一种，属于被动控制技术。

我国在GB50011—2001《建筑抗震设计规范》(中纳入了隔震与消能减震的内容，并制定了《建筑隔震橡胶支座标准》、《夹层橡胶垫隔震技术规程》。以下仅对隔震作简要介绍。

10.2隔震结构设计

10.2.1结构隔震原理

结构隔震的本质是将结构与可能引起破坏的地面运动尽可能分离开来。为此，通常在结构基础与上部结构的结合处设置隔震装置，利用该装置来隔震或耗散地震能量，尽量避免或减少地震能量向上部结构的传输。

隔震系统应满足三个基本功能：①一定的柔度(柔性支承)：用来延长结构周期，降低地震作用；②耗能能力(阻尼、耗能装置)：降低支承面处的相对变形，限制位移在设计允许范围内；③一定的刚度、屈服力：在正常使用荷载下，结构不发生屈服和有害振动。

通过延长结构的基本周期，避开地震能量集中的范围，从而达到降低结构上的地震作用的目的，这就是结构隔震的原理。具体说明如图10.1所示。从图10.1(a)的加速度反应谱可以看出，周期延长，结构加速度反应减小，从而使作用在结构上的惯性力减小；而从图10.1(b)的位移反应谱可见，周期延长，位移反应增大。如果在结构中引入阻尼装置，则可减小结构的位移反应，相应的加速度反应也可降低。

(a)加速度反应谱(b)位移反应谱图10.1结构反应谱曲线10.2隔震结构设计10.2.2隔震系统的构成

隔震系统一般由隔震器、阻尼器、地基微震动与风反应控制装置等部分构成。

隔震器的主要作用是：一方面在竖向支撑建筑物的重量，另一方面在水平方向具有弹性，能提供一定的水平刚度，延长建筑物的基本周期，以避开地震动的卓越周期，降低建筑物的地震反应，能提供较大的变形能力和自复位能力。

阻尼器的主要作用是吸收或耗散地震能量，抑制结构产生大的位移反应，同时在地震终了时帮助隔震器迅速复位。

地基微震动与风反应控制装置的主要作用是增加隔震系统的初期刚度，使建筑物在风荷载或轻微地震作用下保持稳定。

常用的隔震器有叠层橡胶支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。目前国内外应用最广泛的叠层橡胶支座，它又可分为普通橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。

常用的阻尼器有弹塑性阻尼器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器、摩擦阻尼器等。

常用的隔震系统主要有叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑移加阻尼器隔震系统、摩擦滑移摆隔震系统等。10.2隔震结构设计10.2.3隔震结构的设计要点

1.隔震结构方案的采用

应根据建筑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，进行技术、经济可行性综合比较分析后确定。隔震主要用于高烈度地区或使用功能有特别要求的建筑以及符合以下各项要求的建筑：不隔震时，结构基本周期小于1.0s的多层砌体房屋、钢筋混凝土框架房屋等；体型基本规则，且抗震计算可采用底部剪力法的房屋；建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的基础类型；风荷载和其他地震作用的水平荷载不宜超过结构的总重力的10%。

隔震层宜设置在结构第一层以下的部位。

2.隔震结构的抗震计算

1)验算橡胶隔震支座平均压应力和拉应力

橡胶隔震支座在永久荷载和可变荷载作用下组合的竖向平均压应力设计值，不应超过表10-1的规定，在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力。10.2隔震结构设计表10-1橡胶隔震支座平均应力限值

建筑类别甲类建筑乙类建筑丙类建筑平均压应力(MPa)1012152)用底部剪力法和时程分析法进行隔震结构的抗震计算采用底部剪力法时，隔震层以上结构的水平地震作用，沿高度可采用矩形分布；确定水平地震作用的水平向减震系数应按下列规定确定。(1)一般情况下，水平向减震系数应通过结构隔震与非隔震两种情况下各层最大层间剪力的分析对比确定。当结构隔震后各层最大层间剪力与非隔震对应层最大层间剪力的比值不大于表10-2中各栏的数值时，可按表10-2确定水平向减震系数。层间剪力的对比分析，宜采用多遇地震作用下的时程分析。10.2隔震结构设计表10-2确定水平向减震系数的比值划分

层间剪力比值0.530.350.260.18水平向减震系数0.750.500.380.25(2)砌体结构的水平向减震系数，宜根据隔震后整个体系的基本周期，按式(10-1)确定。

——水平向减震系数；

——地震影响系数的阻尼调整系数，按第4章式(4-33)确定；

——地震影响系数的曲线下降段衰减指数，按第4章式(4-32)确定；

——砌体结构采用隔震方案的特征周期，当小于0.4s时应按0.4s采用；

10.2隔震结构设计

——隔震后体系的基本周期，不应大于2.0s和5倍特征周期值的较大值(3)与砌体结构周期相当的结构，其水平向减震系数宜根据隔震后整个体系的基本周期，按式(10-2)确定。

(10-2)

式中：——非隔震结构的计算周期，当小于特征周期时应采用特征周期的较大值；

——隔震后体系的基本周期，不应大于5倍特征周期值；

——特征周期。。

其余符号同式(10-1)。10.2.3隔震结构的设计要点

10.2隔震结构设计(4)水平向减震系数不宜低于0.25，且隔震后结构的总水平地震作用下不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用。砌体结构及与其基本周期相当的结构，隔震后的基本周期可按式(10-3)计算：

(10-3)

式中：G——隔震层以上结构的重力荷载代表值；

——隔震层的水平动刚度，可按式(10-4)确定；

g——重力加速度。

隔震层的水平动刚度和等效黏滞阻尼比可按式(10-4)与式(10-5)确定：

(10-4)

(10-5)

式中：——第层隔震支座的水平刚度和等效黏滞阻尼比。10.2隔震结构设计验算多遇地震时，宜采用隔震支座剪切变形50%时的水平动刚度和等效黏滞阻尼；验算罕遇地震时，对直径小于600mm的隔震支座，宜采用隔震支座剪切变形不小于250%时的水平动刚度和等效黏黏滞阻尼比对直径不小于600mm的隔震支座，宜采用隔震支座剪切变形为100%时的水平动刚度和等效黏滞阻尼比。采用时程分析法计算隔震和非隔震结构时，计算简图可采用剪切型结构模型，当上部结构体型复杂时，应计入扭转变形的影响。计算结果宜采取平均值；当处于发震断层10km以内时，若输入地震波未考虑近场影响，对甲、乙类建筑计算结果尚应乘以近场影响系数；5km以内取1.5，5km以外取1.25。10.2隔震结构设计3)验算隔震支座在罕地遇地震作用下的水平位移隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移应按式(10-6)进行验算：(10-6)(10-7)式中：——罕遇地震作用下，第个隔震支座考虑扭转的水平位移；——第个隔震支座的水平位移限值；对橡胶隔震支座，不宜超过该支座橡胶直径的0.55倍和支座橡胶总厚度3.0倍二者的较小值；——罕遇地震下隔震层质心处或不考虑扭转的水平位移；——隔震层扭转影响系数；≤10.2隔震结构设计

罕遇地震下的水平位移宜采用时程分析法计算，对砌体结构及与其基本周期相当的结构，隔震层质心处在罕遇地震下的水平位移可按式(10-8)计算：(10-8)式中：——近场系数，距发震断层5km以内取1.5；5～10km取1.25；10km以外取1.0；——罕遇地震下的地震影响系数值，可根据隔震层参数，按5.3节的有关规定

计算；——罕遇地震下隔震层的水平动刚度，按式(10-4)确定。隔震层扭转影响系数计算，可按《抗震规范》介绍的方法确定。

10.2隔震结构设计4)计算隔震支座的水平剪力隔震支座的水平剪力应根据隔震层在罕遇地震作用下的水平剪力按各隔震支座的水平刚度分配；当考虑扭转时，尚应计及隔震支座的扭转刚度。隔震层在罕遇地震下的水平剪力宜采用时程分析法计算，对砌体结构及与其基本周期相当的结构，可按式(10-9)计算：(10-9)5)上部结构的计算当设防烈度为9度时和8度且水平向减震系数为0.25时，隔震层以上的结构应进行竖向地震作用的计算；当设防烈度为8度且水平向减震系数不大于0.5时，宜进行竖向地震作用的计算。10.2隔震结构设计对砌体结构，当墙体截面抗震验算时，其砌体抗震抗剪强度的正应力影响系数，宜按减去竖向地震作用效应后的平均压应力取值。上部结构为框架等钢筋混凝土结构时，隔震层顶部的纵、横梁和楼板体系应作为上部结构的一部分按设防烈度进行计算和设计。上部结构为砌体结构时，隔震层顶部各纵、横梁均可按受均布荷载的单跨简支梁或多跨连续梁计算。6)隔震层以下的结构计算隔震层以下结构(包括地下室)的地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行计算。10.2隔震结构设计隔震建筑基础的验算，应符合3.3节的有关规定。基础抗震验算和地基处理仍应按原设防烈度进行，甲、乙类建筑的抗液化措施可按提高一个液化等级确定，直至全部消除液化沉陷。10.2隔震结构设计10.2.4隔震结构的构造措施1.隔震层的构造要求隔震层应由隔震支座、阻尼器和为地基微震动与风荷载提供初刚度的部件组成，阻尼器可与隔震支座为一体，亦可单独设计。必要时，宜设置防风锁定装置。隔震支座和阻尼器的连接构造，应符合下列要求。(1)多层砌体房屋的隔震层位于地下室顶部时，隔震支座不宜直接放置在砌体墙上，并应验算砌体的局部承压。10.2隔震结构设计10.2隔震结构设计(2)隔震支座和阻尼器应安装在便于维护人员接近的部位。(3)隔震支座与上部结构、基础结构之间的连接件，应能传递支座的最大水平剪力。(4)外露的预埋件应有可靠的防锈措施。预埋件的锚固钢筋应与钢板牢固连接；锚固钢筋的锚固长度应大于20倍锚固钢筋直径，且不应小于250mm。隔震支座连接定位时，支座底部的中心，标高偏差不大于5mm，平面位置的偏差不大于3mm。单个支座的倾斜度不大于1/300。隔震建筑应采取不阻碍隔震层在罕遇地震发生大变形的措施。上部结构的周边应设置防震缝，缝宽不宜小于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍。上部结构(包括与其相连的任何构件)与地面(包括地下室和与其相连的构件)之间，宜设置明确的水平隔离缝；当设置水平隔离缝确有困难时，应设置可靠的水平滑移垫层。在走廊、楼梯、电梯等部位泉，应无融任何障书碍物。穿过波隔震持层的推设备增管、蒜配线饺应采央用柔串性连裂接等消以适乡丰应隔初震层荣在罕因遇地掩震下阶水平崇位移术的措森施；聚采用首钢筋芦或钢斯架接虏地的怕避雷察设备远，应起设置跌跨越书隔震钥层的均接地仓配线拥。2.隔震层浸顶部梁忧板体系滴的构造必要求为了鹅保证疲隔震谎层能兄够整摊体协奸调工凑作，腿隔震廊层顶帮部应杨设置乌平面苏内刚滩度足耀够大齐的梁裕板体冈系。淹当采木用装萍配整形体式喜钢筋记混凝垦土板防时，汽为使测纵横而梁体湖系能恩够传兄递竖览向荷艘载并欺协调爷横向拆剪力察在每害个隔民震支匆座的布分配郊，支灰座上琴方的患纵、骄横梁伞应采喷用现匠浇，捡同时症为增联大梁泽板的郑平面彩内刚伞度，殖需加鸡大梁掘的截跪面尺裂寸和李配筋徐，上丧部结任构为涂砌体令时，迈其构汽造应倾符合陶有关还底部氧框架荐砖房订的钢练筋10.称2隔震结岭构设计混凝土液托梁的虹要求；扰上部结皇构为框烫架等钢与筋混凝津土结构末时，其脱构造宜个符合关穿于框支暴层的有或关要求析。现浇产面积厚菠度不应改小于50净mm，且宿应双天向配脚置直四径6mm～8m肢m、间企距150底mm～25森0m妥m的钢筋辉网。关赖于砌体骗结构的清构造要候求和混炮凝土结峡构的有圆关要求蕉详见规面范相应道条文。10.探2隔震结煌构设计10特.3消能除减震拌结构啦设计10.春3.1结构济消能盲减震形原理消能减嚷震结构碧是通过颠在结构(称为主厉结构)中设贼置一蔽定的粮消能称装置(称为阻炮尼器)来耗窑散地继震输嘉入能腿量，饭从而辫减小鄙主体如结构驶的地老震反启应，咸避免抹结构搞产生令破坏嫂或倒闭塌，楼实现逐抗震觉设防机目标烫。享安装思消能岁装置稳的结寸构，寸其消画能减挺震原声理可悔从能窗量的刘角度少来说弄明。焦在贿地震敞作用萌下，掩普通溜结构俩的能赢量关四系如隆下。EEQ古=EK医+ED壤+E曲S打(1导0-1浴0)式中：EEQ新——地震作虎用对体更系输入阳的能量慨；EK—忍—体系肝动能溜；ED双——体系兆阻尼洽耗能议；ES—盲—体系变办形能，狸由弹性臂变形能苏、塑性独变形能居和滞膝回耗能绣三部分困组成，包即(10另-11及)地震结驴束后，膝体系的应速度为0，其潮弹性吐变形捞恢复题，故援动能军和兔弹性叼应变递能些等于0，因此宿能量方壮程(10医-10猎)成为(10跟-12瓜)式(1头0-愿12未)表明，左地震对锁体系的志输入能衬量规最终由椒体系的浸阻尼耗劲能招、体忌系的塑锤性变形强能却和滞砖回耗能天所耗散肌。因此择，从能注量观点移来看，轨只要结盐构的阻浸尼耗能着、体系动的塑性富变形耗躁能和滞折回耗能演的能力软大于地闻震输入抖能量，棚结构即皆可有效芒抵抗地问震作用衡不产生辩倒塌。伙安装孤消能装验置的结叹构地震扰结束时栽的能量级平衡方洞程如下近。(10庸-13啦)式中肌，阔为卖消能冬减震斧装置疤的耗污能。船根据疼分析谢，在伯同样坝地震策作用被下，肥附加穿阻尼武器对白结构纲的地羽震输仆入能寸量贿基本篮没有养影响瞧。式(1点0-脏13萄)与式(10隔-12酱)相比，耗体系的咱耗能能臭力增加鞭了金，从而催使得原陶主体结叔构塑性曾变形耗御能和滞只回耗能尸的需求清减少，劝减轻了购其损伤狭程度，盗甚至无趋损伤。10避.3消能倦减震貌结构有设计10窃.3茶.2消能隶减震作装置推的类侧型抽消能杀减震涉结构喇中的顶附加池耗能惨减震会元件躬或装牛置一连般统雪称为顷阻尼滴器。白根据扁附加板阻尼蚀器耗枝能机蚀理的洲不同筑，阻晒尼器困可分牺为速艘度相尖关型虎和位走移相泥关型麻两大麦类。(1)速度相钳关型阻保尼器通感常由黏肿滞材料兵制成，千故也称括为黏滞席型阻尼劳器。(2)位移相稀关型阻手尼器通普常用塑大性变形锦性能好练的材料安制成，桂利用其桂在反复伍地震荷嫩载作用苦下的良酬好的滞垒回耗能猎性能来托耗散地发震能量炼，故也隆称为滞伏迟型阻当尼器。优速戒度相关伍型阻尼海器包括猫黏滞型复阻尼器哭和黏弹秘性阻尼玻器，这孙种类型陪阻尼器陕的优点弟是：阻萄尼器从漠小振幅喂到大振千幅都可朝以产生鬼阻尼耗梦能作用般，但这躲种阻尼依器一般颂采用黏忌性或黏伪弹性材死料制作押，阻尼乌力往往内与温度安有关。等位移那相关型怀阻尼器轨包括金租属屈服祖型阻尼纹器和摩避擦型阻颂尼器，问属于滞蜓迟型阻叮尼器。厚金属屈担服型阻挎尼器一看般采用膜低碳钢始、铅等踩材料制衡成。10均.3消能减蒸震结构客设计阻尼器女应满足高下列要娘求。(1苍)阻尼器爱应具有搞足够的万吸收和或耗散地恭震能量虎的能力孔和恰当池的阻尼弄；阻尼甚器附加餐给结构舌的有效犁阻尼比父宜大于10贤%，超过20%时宜膏按20%计算悟。(2)阻尼器婚应具有亡足够的兼初始刚尝度，并蚕满足下驰列要求钩。

速喘度线性馅相关型父阻尼器密与斜撑令、填充毒墙或梁巩组成耗浅能部件的时，该君部件在询阻尼器牌耗能方应向的刚允度应符毯合式(1床0-手14耽)要求记：孕≥(1妥0-倚14肆)式中炒：——支承始构件辩在阻恶尼器著方向塌的刚象度；——阻尼贯器的术线性接阻尼哲系数蕉；——消能怠减震腐结构证的基秘本自胆振周汉期。10心.3消能崭减震府结构艇设计位移相浙关型耗绸能器与得斜撑、胆填充墙惹或梁组悠成消能丑部件时珍，该部盆件恢复阀力滞回啦模型的驳参数宜权符合下先列要求爱：途≤(10助-15尽)孟≥恢(10黄-16爱)式中朵：——阻尼器掩在水平裁方向的筐初始刚颗度。——阻尼器羽的屈服贵位移。——设置天耗能枝部件闯的结锄构层渐间刚比度。——设置遥耗能孟部件惕的结蚂构层盖间屈酿服位吩移。(3)阻尼滤器应努具有险优良驼的耐贴久性闲能，行能长纯期保恩持初竿始性慎能。(4)阻尼器像构造应悉简单、强施工方忍便、易卧维护。(5播)阻尼慢器与逮斜支魂撑、量填充掘墙、慨梁或身节点栏的连他接，敏应符哑合钢泽构件杀连接蠢或钢谷与钢宰筋混数凝土鼠构件欣连接麻的构伸造要熔求，验并能霜承担甜阻尼有器施睬加给匀连接倾节点俗的最肤大作内用力速。10.应3消能减厌震结构权设计10涨.3嫂.3消能减晋震结构熟的设计眠要点1.阻尼庙器的并设置细消能灰减震捡结构椅应根抚据罕昏遇地餐震作防用下值的预忘期结来构位蒜移控焦制要准求，元设置反适当遣的阻球尼器培，耗醒能部山件可票由阻腰尼器色及斜芽支撑铲、填为充墙闭、梁抄或节寺点等免组成烟。坟消层能减脖震结粒构中谎的阻巷尼器静应沿皆结构敬的两些个主绩轴方蛛向分号别设佛置，仍阻尼屡器宜衣设置键在层访间变日形较弓大的系位置嘉，其朝数量暮和分冻布应户通过点综合饿分析差合理沈确定回。10币.3消能减即震结构叹设计10.妈3.3消能传减震衣结构自的设敞计要枯点2.阻尼绍器附漂加给允结构夏的有根效阻魂尼比铅和有闹效刚从度计稿算榴当杯采用屯底部家剪力泥法、邀振型鸟分解篮反应驻谱法嗓和静益力非私线性很法时剪，阻越尼器礼附加匠给结输构的缎有效络阻尼跃比，谎或按匠式(1搁0-寺17钢)估算乓：(10瞎-17拔)式中：——耗能阻减震骄结构京的阻完尼比睁；——所有谣耗能斑部件捕在结倒构预希期位沙移下梅往复么一周捎所消放耗的两能量婚；——设置耗忽能部件语的结构代在预期左下的总肿应变能研。10贡.3消能途减震司结构娃设计不考虑蛮扭转影慈响时，士消能减耀震结构挪在其水寸平地震竟作用下胖的总应淘变能，查可按式(1浙0-聋18穴)估算丝式：(1毫0-搏18扛)式中亚：——质点i的水平禁地震作黑用标准形值；——质点i对应己与水雀平地盲震作抛用标有准值冷的位拼移。蒜速来度线狼性相踏关阻梳尼器虽在水宪平地哀震作座用下舒所消油耗的唐能量肢可按下式(1驴0-好19宁)估算扯：(1格0-贯19旅)式中阅：——消能馒减震肃结构侨的基川本自晋振周委期；——第j个阻建尼器啄的线酬性阻慌尼系腾数；——第j个阻缩慧尼器撕的耗涨能方比向和签水平杜面的特夹角每；——第j个阻尼朱器两端局的相对链水平位碎移。10筝.3消能归减震纲结构草设计当阻热尼器扁的阻道尼系忽数和椅有效档刚度猪与结喊构振描动周暖期有织关时滩，可分取相葱应于尘消能阳减震详结构快基本理自振杯周期菊的值猪。铺位移浊相关献型、糕速度棵非线模性相小关型杨和其原他类煌型阻员尼器奇在水夕平地近震作比用下炮所消纳耗的