隔震减震与结构控制课件

地震工程学

第十三章

隔震减震与结构控制

翟永梅

同济大学土木工程学院

上海防灾救灾研究所

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TongjiUniversityShanghaiInstituteofDisasterPrevention

第十三章隔震减震与结构控制

&腌

&隔震的原理与方法

&减震的原理与方法

&结构主动控制初步

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13.1概述

震源

］产

U生

地震波

抵

建筑物所在场地

引

耳"I起

结构的地震反应

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结构抗震设计思想的演化与发展

地

震

内

力

大

地震位移反应地震剪力

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结构抗震设计思想的演化与发展

反应接近地面地震运动

刚性结构体系工一般不发生结构强度破坏

导致材料的浪费

减少结构物的刚性:

构体系

柔性结构体系避免结构与地面运

动发生类共振

地震动作用下结构

位移过大,实践上

.—的困难一减轻地震力

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结构抗震设计思想的演化与发展

适当控制结构物的刚度与强度

结构构件进入非弹性状态后仍具有较大的延性“延性结构体系”

"睇巅八

通过塑性变形消耗地震能量

实现延性结构体系

设计是工程师所追

“坏而不倒”求的抗震基本目标

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结构抗震设计思想的演化与发展

延性结构体系的结构被动抵御地震作用

装修与内部设备破坏>巨大经济损失

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13.1概述

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13.1概述

•从控制理论的观点，上述方法又分为两大类减震方法：

(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

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结构抗震设计思想的演化与发展

隔

辰：隔离装置

地震动隔开结构7

减小结构振动

其后眄.通过某种装置，将地震动与结构隔开，

上底附辰减弱或改变地震动对结构作用的强度或

主法

悬挂隔震方式，达到减小结构振动的目的

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结构抗震设计思想的演化与发展

香港汇丰银行（悬挂隔南加州大学医院（隔震结

震）构）

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结构抗震设计思想的演化与发展

通过采用耗能装置或附加子结构吸收或消耗地震传给

MM结构的能量，从而减轻结构的振动

地震结构减轻结构振动

耗能装置或附加子结构

「耗能减震

主要方法一吸振减震

一冲击减震

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结构抗震设计思想的演化与发展

主动控制（狭义的制震技术）

震

地

州

勾减小结构振动

A施

加

控

制

力

自动控制系统

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结构抗震设计思想的演化与发展

隔震技术实用阶段

减震

研究、探索并部分应

用于工程实践的时期

制振技术

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13.2隔震原理与方法

13.2.1隔震原理

结构物地面以上部分

A

厂悬挂隔震

隔震隔震层隔开

限制地震动向结构物的传递

基底隔震［---«'

V

固结于地基中的基础

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13.2隔震原理与方法

13.2.1隔震原理

隔震技术的原理：

(1)隔震系统的

柔性层使结构的振

动周期加大并远离

地震动的卓越周

期；

(2)增大了结构

㈤速聂氏史洛体系的阻尼。

图8-1匡登原理

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13.2隔震原理与方法

13.2.1隔震原理

基底隔震结构设计应注意：

(1).在满足必要的竖向承载力的前提下，隔震装置的水平

刚度应尽可能小，以使结构周期尽可能远离地震动的卓越

周期范围

(2).保证隔震结构在强风作用下不致有太大的位移。通常

要求在隔震结构系统底部安装风稳定装置或用阻尼器与隔

震装置联合构成基底隔震系统。

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13.2隔震原理与方法

13.2.2隔震分析模型

单质点模型

隔震建筑系统

f多质点模型

动力分析模型

空间分析模型

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13.2隔震原理与方法

13.2.2隔震分析模型一单质点模型

动力平衡方程

mx&&++h-

7结构的总质量；

mg左一隔震层的阻尼系数和水平刚度;

X&&X&X一上部简化刚体相对于地面的加速度、速8与位移;

XOLOL-地面加速度过程。

上部结构侧移刚度远上部结构近似

大于隔震层的水平刚度«=>为一个刚体单质点模型

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13.2隔震原理与方法

13.2.2隔震分析模型一多质点模型

隔震层水平动刚度计算式为

:闷L隔震支座数量

1

简A

化印=汇K,

修L第i个隔震支座

水平刚度为/»的水平动刚度

阻尼系数为C等效粘滞阻尼

结构层比计算式为：第i个隔震支座的

N\等效粘滞阻尼比

ZK0

图3-2隔震结构计算恸因

勺

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13.2隔震原理与方法

13.2.2隔震分析模型

隔震层以上结构

隔震装置的水平地震作用赢平向

有效降低

震系数的概念

层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系反映这一特点、

层间剪力最大比值0.530.350.260.18

水平向减震系数0.750.500.380.25

水平向减震系数不宜低于0.25,且隔震结构的总水平地震

作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用

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13.2隔震原理与方法

13.2.3隔震系统回顾

基础隔震的概念早在19世纪已有人提过，广义的隔震方案则更是

源渊流长，如北京故宫就设有糯米加石灰的柔性减震支座层；现代的

基础隔震理论和实践开始于上世纪70年代，基础隔震方案很多，下面

作简单介绍

1.早期隔震技术

河合浩藏的“地震时不受大震动的结构”

右图是1891年河合浩藏的“地震时

不受大震动的结构”。其隔震思路是在

地基上并排铺设了数层圆木，并且把建

筑物周围挖空，从而地震时可对上部建

筑起到隔震作用

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J.A.Calantarients提出的隔震结构

右图是J.A.Calantarients于1909年提出

的隔震结构招dbuilding）方案

O这种隔震结构在建筑物结构与基础之

间用滑石层隔开，地震时建筑物可以滑

动。

中村太郎的隔震结构

右图是中村太郎于1927年提出的隔震结

构方案。在这种隔震系统中已使用阻尼泵来

耗散地震动的能量，并且在该建筑地下层柱

的上下端采用较接构造，建筑物可以水平自

由移动。

H1尼奈祖尼家

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柔性层隔震结构（13rl~q[a）fIs?~s?olAQn[[p[uZ）

柔性层结构隔震概念由Martel在1929年提出，由Green（1935年）和

Jacobasen（1938年）进一步加以研究与完善；下图是真岛健三郎于1934年的

柔性层结构。地震时，柔性层进入塑性，结构的刚度变小，结构的基本周

期延长，从而导致上部结构所受的地震作用减小。

1层部

分裸柱

1层平面图

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滚动支撑类隔震系统(Rollerbearingsysteni)

为克服柔性层结构所带来的缺陷，科学家们相继提出了多种滚动支撑

类隔震系统，工作元件有球形和椭圆形等多种，但由于其隔震是有向性的

,而地震是具有无向性，这些类型的隔震系统均未能推广应用。

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13.2.4常用隔震技术

令隔震橡胶支座(窗elaminatedrubberbearing)

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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。

南力口州大学医院(TheUniversityofSouthernCaliforniaTeachingHospital)

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(T&eOliveView

Hosp袱Z)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。

同济大学上海防灾救灾研究所?(S

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二)

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中南加州大学医院

地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；占地：4100平米;

最高高度：36o0m；铅芯多层橡胶隔震器68个，多层橡胶隔震器81个。

Rooflevel

MV^VV^^vv*******

Flooraboveisolators

场即狈groundsite____

010SECONDS

I」

中南加州大学医院在这次地震及其其后的余震中，6-8英尺高的花瓶

等没有一个掉下来，建筑物内的各种机器等均未损坏，医院功能得到维

持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。

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橄榄景医院在1971年圣费尔

南多地震中受到较大损害，10年

后重建，并增加了抗震强度。

在此次地震中，剪力墙产生

剪切裂缝，设备机器、医疗机械

及家具等翻倒，病历等资料掉

下、散乱。而且水管破裂，各层

浸水，建筑物不能使用，完全丧

失了医院的功能。橄榄景医院（抗震结构）

一九九四年九月十六日，台湾海峡发生了7・3级地震，震源距离

汕头市约200公里，汕头市烈度为6度，各类房屋摇晃厉害，居民惊

惶失措，水桶里的水溅出了1/3左右……而陵海路隔震楼上的人并没

有感到晃动，听到毗邻楼房和邻街喧闹声后下楼才知道发生了地

震。

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日本阪神大地震

一九九五年一月十七日发生了日本阪神大地震。震级7・2级.

在这次地震中，有二幢隔震结构建筑得到了地震观测记录。从

这些记录可以看到隔震房屋在大地震中发挥了隔震效果，证实了隔

震结构的有效性。

WEST大厦（西部邮政大楼）建筑面积46000m2,6层，是日本最大

的隔震建筑。该建筑距震源东北35公里，在基础、1层和6层进行了地

震记录观测。

地震观测方向

位置东西南北上下

6层10375377

1层10657193

基础300263213

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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

天然夹层橡胶支座构造如图所示。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。

铅芯隔震橡胶支座I短■为核T族物交检舒幽朦舲编喻妫微影评楞能■笫

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。

铅芯橡胶支座构造如图所示。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。

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下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑（T&e

WilliamClaytonBuilding,New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%。

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13.2隔震原理与方法

橡胶支座隔震

r钢板叠层橡胶支座

橡胶支座1铅芯橡胶支座

L石墨橡胶支座

在天然橡胶中加入

T石墨大幅度提高橡

胶支座的阻尼实际

中应用还不多

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13.2隔震原理与方法

橡胶支座隔震

钢板：

限制橡胶片的横向变形使支座

竖向刚度较纯橡胶支座大大增加

胶片：

总厚度越小所能承

受的竖向荷载越大

钢板叠层橡胶支座

支座内阻尼较小，常

需配合阻尼器一起使

用

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13.2隔震原理与方法

橡胶支座隔震

铅芯橡胶支座

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13.2隔震原理与方法

橡胶支座隔震:

小变形，刚度

大，抗风有利

水平刚度是竖向

刚度的1%左右具

力有显著的非线性

变形特征大变形，橡胶剪切刚

度下降，结构频率降

低，结构反应减少

橡胶剪应变超过50%.

位移以后，刚度又逐渐有

所回升，起到安全阀

的作用，有利于防止

、建筑的过量位移.

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13.2隔震原理与方法

橡胶支座隔震：

设计的关键一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下表的规定。

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丙类建筑

平均压应力(Mpa

)101215

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；

在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力

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13.2隔震原理与方法

橡胶支座隔震：

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:

罕遇地震作用下，第^第i个隔震支座的水平位移限值；

，个隔震支座考虑扭'I>对橡胶隔震支座，不应超过该支

转的水平位移「-I座有效直径的0.55倍和支座各橡

<\u\胶层总厚度3.0倍二者的较小值

w.

第i个隔震支座的扭转影响系

罕遇地震下隔震层质心处

数，应取考虑扭转和不考虑扭

或不考虑扭转的水平位移

转时支座计算位移的比值；当

隔震层以上结构的质心与隔震

层刚度中心在两个主轴方向均

无偏心时，边支座的扭转影响

系数不应小于1.15

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13.2隔震原理与方法

令常用隔震装置一其它隔震装置:

已用于墨西哥城内一座五

层钢筋混凝土框架结构的

学校建筑中，安放在房屋

底层柱脚和地下室柱顶之

间。为保证不在风载下产

生过大的水平位移，在地

下室采用了交叉钢拉杆风

稳定装置

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13.2隔震原理与方法

其它隔震装置：摇摆式隔震支座

是一种摇摆隔震支座。在杯形基础

内设一个上下两端有竖孔的双圆筒

摇摆体。竖孔内穿预应力钢丝束并

锚固在基础和上部盖板上，起到压

紧摇摆体和提供复位力的作用。在

摇摆体和基础壁之间填以沥青或散

粒物，可为振动时提供阻尼。经试

验证实：当地面加速度幅值达

330cni/s2时，被隔震房屋的加速度

反应被降低到无隔震反应的1/3左

右。我国山西省的悬空寺，历史上

经历多次大地震而仍完整无损。分

析认为是其特有的支撑木柱起到了

摇摆支座隔震的作用

山西悬空寺

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13.2隔震原理与方法

其它隔震装置：不倒翁式隔震

伊朗人设计的不倒翁式隔

震房屋。该房屋顶面半径

显著大于底面半径，能起

提供复位力的作用。

图8-8不倒翁式隔震房屋

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13.3减震原理与方法

13.3.1耗能减震原理

地震结构减轻结构振动

U2

耗能构件

地震时，结构在任意时刻的能量方程为:

结构主体自能量观点:E,一定E/E\

身的耗能.

结构地震反应的降低

」E，二E’+E"f%

地震过程中输入

给结构的能量动力学观点:耗能装置的作用,

附加耗能构件的

耗能相当于结构的阻尼

必使结构地震反应\

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13.3减震原理与方法

13.3.1耗能减震原理

风和小震=>结构।~~>减轻结构振动

［耗能

耗能装置岂占较大的刚度港上结构的使用性能

强烈地震作用结构减轻结构振动

0耗能

耗能装置反受非弹性状态大量消耗地震能量

进入

有试验表明，耗能装置可做到消耗地震总输入能量的90%以上。

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13.3减震原理与方法

13.3.1耗能减震原理：

耍髓鬻T非线性时

程反应分析方法

;式估'通常需要耗能信心

耗能元件附加给结构的有效阻尼比可按丁

的试验数据，以确

算：〈立结构动力方程中

设置耗能

结构在预期位移

r下的总应变能

£=%/(4"WJ

耗能减震结构的..所有耗能部件在结

附加有效阻尼比构预期位移下往复

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13.3减震原理与方法

13.3.2耗能减震装置

阻尼器

耗能交叉支撑

耗能墙

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13.3减震原理与方法

13.3.2耗能减震装置一阻尼器

支撑处

安装于梁柱连接处

有相对变形或相

阻尼器

对位移的地方框架与剪力墙的连接处

上部结构与基础连接处

r与速度相关的粘弹型阻尼器

阻尼器f

以摩擦或金属屈服为特征的位移相关型阻尼器

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13.3减震原理与方法

13.3.2耗能减震装

最大长度915mm,最小长度595mm,冲程320mm

粘弹型阻尼器

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13.3减震原理与方法

13.3.2耗能减震装置一阻尼器

摩擦阻尼器

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13.3减震原理与方法

13.3.2耗能减震装置一阻尼器

各种形状的软钢阻尼器（弹塑性阻尼器）

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13.3减震原理与方法

13.3.2耗能减震装置一耗能支撑

□耗能交叉支撑

□摩擦耗能支撑

□耗能偏心支撑

□耗能耦撑

□屈服约束支撑

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