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6.结构隔震、消能减震设计6.1概述抗震设计：依靠结构的强度、刚度和延性来抵御地震作用立足于“抗”，是一种消极设计方法传统抗震方法存在的问题：（1）结构的安全性难以保证传统抗震方法以既定的“设防烈度”作为设计依据，由于地震的随机性，建筑结构的破损程度及倒塌的可能性难以控制，当发生突发性超烈度地震时，房屋可能会严重破坏。6.1概述（2）建筑费用和成本大幅度增加传统方法是在设计时提高材料强度、加大构件（结构）刚度，其结果是断面越大，刚度越大，使用面积减少，建筑物自重增大，地震作用亦随之增大。（3）适用范围受到限制传统抗震方法采用的是延性结构体系，允许结构部件在强震时发生比较大的塑性变形，以消耗地震能量，减轻地震反应，这种方法对于某些不容许在地震中出现破坏的结构、或内部有贵重装饰、重要设备仪器的结构是不适用的。6.1概述（4）施工难度大结构构件和节点的钢筋配置过密，9度区甚至无法排布。（5）建筑物的高度受到限制等。为克服传统抗震方法的缺陷，结构振动控制技术（简称“结构控制”）逐渐发展起来。结构控制的概念：通过对结构施加控制机构，由控制机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的振动反应，使它在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。6.1概述结构控制的概念：在工程结构的特定部位装设某种装置（如隔震垫等）、或某种机构（如消能支撑、消能剪力墙、消能节点、消能器等）、或某种子结构（如调频质量等）、或施加外力（外部能量输入）、或调整结构的动力特性，使工程结构在地震（或风）的作用下，其结构的动力反应（加速度、速度、位移）得到合理的控制，从而确保结构本身及结构中的人、仪器设备、装修等的安全或处于正常的使用状态。结构控制技术按控制措施实施的方式不同，一般分为被动控制（PassiveControl）、主动控制（ActiveControl）、半主动控制（Semi—ActiveControl）和混合控制（HybridControl）四类。6.1概述（1）被动控制（PassiveControl）①隔震：在建筑物适当部位设置隔震装置，切断或削弱地面运动向上部结构的传递，并提供适当的阻尼，从而使上部结构的地震作用大大降低，耗能能力加强。如叠层橡胶垫支座、高阻尼橡胶垫支座、滑移隔震支座和混合隔震装置等。外荷载结构反应（风、地震等）被动控制装置图1-1被动控制的工作原理6.1概述②结构自控：通过在结构中优选耗能材料和耗能杆件，设置多道抗震防线达到耗能减振的目的。常见的有：竖向通缝SW（剪力墙）、周边缝SW、双功能连梁、带抗震连梁的SW、顶层为刚性连梁的SW、偏交支撑、梁端设塑性铰的框架、悬挂式结构、底层设消能缝的砖混结构。6.1概述③结构附加装置控制：在结构的适当位置安放耗能减振装置，以达到耗能减振的目的。主要有：各种耗能支撑、预应力摩擦墙、金属阻尼器、摩擦阻尼器、调频质量阻尼器（TMD）、调频液体阻尼器（TLD）、粘滞流体阻尼器和粘弹性阻尼器等等。6.1概述（2）主动控制（ActiveControl）指有外加能源的控制，其工作原理为：外荷载结构反应（风、地震等）控制力控制器检测元件图1-2主动控制的工作原理6.1概述常见的类型有：主动调频质量阻尼器(ActiveTunedMassDamper,简称AMD)；主动支撑系统（ActiveBrace）；主动拉索控制器（ActiveTendon）；主动空气挡风板控制器（ActiveAerodynamicAppendayes）等。6.1概述（3）混合控制（HybridControl）混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构上的结构振动控制形式。从其元素所起作用的相对大小来看，有两种组合方式：一种是主从组合方式，即以某一控制为主控制部件，其他部件通过主要部件实现对结构的控制。被动控制器外荷载被动控制力结构反应（风、地震等）主动控制力主动控制器检测元件图1-3混合控制的工作原理6.1概述另一种是并列组合方式，即两种控制各自独立工作，对结构实施校正作用。目前，较为典型的几种混合控制装置有：AMD与TMD相组合，AMD与TLD相组合，主动控制与基础隔震相组合，主动控制与耗能减振相组合，HMS（液压－质量振动控制系统）与AMD相组合等。6.1概述结构消能减震建筑的特点：1.消能减震装置可同时减少结构的水平和竖向的地震作用，适用范围较广，结构类型和高度均不受限制；2.消能减震装置应使结构具有足够的附加阻尼，以满足罕遇地震下预期的结构位移要求；3.由于消能减震结构不改变结构的基本型式，除消能部件和相关部件外，结构设计仍可按照《规范》对相应结构类型的要求执行。6.1概述消能减震技术的优越性：1、安全性：消能构件或消能装置在强震中能率先消耗的地震能量，迅速衰减结构的地震反应并保护主体结构和构件免遭破坏，确保结构的安全。消能减震结构的地震反应比传统结构降低40%—60%。2、经济性：消能减震结构可以减少剪力墙的设置，减少结构断面和配筋，可节约造价5%—10%。若用于旧建筑物的抗震加固，则可节约造价10%—60%。3、技术合理性：结构越高、越柔，消能减震效果越显著6.2结构隔震设计结构隔震主要有基底隔震和悬挂隔震两种6.2.1基底隔震原理在结构物底部与基础顶面之间设置隔震消能装置，使之与固结于地基中的基础顶面分开，限制地震动向结构物传递。6.2.1基底隔震原理为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四种特性：(1)承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量；(2)隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；(3)复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正常的使用要求。6.2.1基底隔震原理(4)耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能量。基底隔震的适用范围：高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的多层和中高层结构6.2.2基础隔震装置隔震装置由隔震器、阻尼器和复位装置组成隔震器的作用：支承上部结构全部质量，延长结构自振周期，同时具有经历较大变形的能力阻尼器的作用：消耗地震能量，抑制结构可能发生的过大位移复位装置的作用：提高隔震系统早期刚度使结构在微震或风载作用下，能够具有和普通结构相同的安全性目前应用最多的隔震装置为隔震橡胶支座6.2.2基础隔震装置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。6.2.2基础隔震装置铅芯隔震橡胶支座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。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。6.2.2基础隔震装置6.2.2基础隔震装置下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑(TheWilliamClaytonBuilding,NewZealand)和世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。6.2.2基础隔震装置•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%。1994年9月16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。6.2.2基础隔震装置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，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。中南加州大学医院（隔震结构）橄榄景医院（抗震结构）6.2.2基础隔震装置•中南加州大学医院是橡胶支座隔震系统。地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；最高高度：36.0m；铅芯多层橡胶隔震器68个，多层橡胶隔震器81个。•地震时，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。•在这次地震及其其后的余震中，建筑物内的各种机器均未损坏，医院功能得到维持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。6.2.2基础隔震装置•橄榄景医院为抗震结构，其底层加速度为0.82g，而顶层加速度为2.31g,加速度放大系数为2.8。•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。•10年后重建，并增加了抗震强度。6.2.3悬挂隔震实例“鸡腿建筑”最初的希望将地面空间还给城市，还给市民的理想也随之被扭曲。即使建筑师自己不去否定鸡腿建筑，它们也注定要被结构师否定，尤其是在地震危险性较高的地区。香港人自以为占了块风水宝地，永远不会地震，确实那也真的没被怎么震过，于是肆无忌惮的在山坡和港湾建造了大量的鸡腿建筑，而且还相当骨感，真让人替他们担心。建筑的形式不是由单单由建筑师决定的，也不是单单由结构师决定的，还有追求经济利益的业主。底部沿街楼层对开敞的大空间有挥之不去的商业热情，建筑师和结构师的工作就是尽量满足这种商业需求。在香港拥挤的高楼大厦中，NormanFoster设计的悬挂式的汇丰银行大楼是为数不多的既获得了底部大空间又不采用鸡腿结构的高楼，更可贵的是它的底部大空间真的还给了城市和市民，而没有做成商场或气派的大堂。不管是Foster本人的理想使然，还是业主或市政府要求这样，总之香港汇丰银行大楼通过炫耀技术的悬挂结构，代替了鸡腿建筑，实现了柯布的早期理想。6.2.3悬挂隔震实例和田先生则以自己敏锐的抗震思维，通过将隔震和悬挂合二为一，为底部开敞的悬挂结构赋予了更充分的结构抗震的合理性，建筑理想的实现多么依赖于结构工程技术的进步。在清水建设的支持下，在清水建设技术研究所的门口按照和田先生的想法建造起来一座四层的钢筋混凝土悬挂隔震示范建筑，如下页的小图所示。6.2.3悬挂隔震实例6.2.3悬挂隔震实例底层只有一个核心筒，三层的使用空间通过高强钢索悬挂在核心筒上。四周不再需要一根立柱，而核心筒顶上的隔震构造成为它的一大亮点。它的结构体系非常明确。另外在核心筒和楼板之间留有变形缝，缝里面还设置有阻尼器，将二者在地震中出现相对变形时，阻尼器将发挥其耗能能力，降低结构的地震响应。这样的结构体系与和田先生的抗震思想一脉相承，有专门用来耗能的可更换部件，有控制结构变形模式的整体型关键构件，以柔克刚，以不变应万变。6.2.3悬挂隔震实例6.3结构消能减震6.3.1结构消能减振体系的分类结构消能减振体系由主体结构和消能部件（消能装置和连接件）组成，可以按照消能部件的不同“构件型式”分为以下类型：（1）消能支撑：可以代替一般的结构支撑，在抗震和抗风中发挥支撑的水平刚度和消能减振作用。消能装置可以做成方框支撑、圆框支撑、交叉支撑、斜杆支撑、K型支撑等6.3.1结构消能减振体系的分类消能方框消能圆框消能装置消能装置消能装置(a)方框支撑(b)圆框支撑(c)交叉支撑(d)斜杆支撑(e)K型支撑图X-1消能支撑6.3.1结构消能减振体系的分类（2）消能剪力墙：可以代替一般结构的剪力墙，在抗震和抗风中发挥支撑的水平刚度和消能减震作用。消能剪力墙的形式主要有：消能缝消能缝消能缝消能缝弹塑性材料(a)竖缝剪力墙(b)横缝剪力墙(c)斜缝剪力墙(d)周边缝剪力墙(e)整体剪力墙图X-2消能剪力墙6.3.1结构