建筑减震隔震技术原理及应用

建筑减震隔震技术原理及应用四川省建筑科学研究院同济大学结构工程与防灾研究所葛庆子博士减隔震技术服务中心副主任甘孜·康定2014.11.19减震隔震技术推广与应用专题培训2020/1/16Contents1.工程抗震基本知识2.建筑减隔震技术基本原理3.减隔震建筑设计方法简介4.减隔震建筑施工方法简介5.相关国家规范、规程及文件1工程抗震基本知识唐山大地震，1976年2020/1/16开滦煤矿医院（砖混结构）唐山市机车车辆厂（单层厂房结构）150万人口中死亡24万，伤16万直接经济损失100亿元震后重建费用100亿元1工程抗震基本知识唐山大地震，1976年震级7.8级，震中烈度11度2020/1/16河北矿业学院图书馆（装配式框架结构）路北区市中心震后惨状（仅毛主席语录碑站立）1工程抗震基本知识汶川大地震，2008年，震级8.0级，震中烈度11度2020/1/16直接经济损失达8451亿。69225人遇难17939人失踪374640人受伤650多万间房屋倒塌2300多万间房屋损坏2020/1/16一次地震，表示地震大小的震级只有一个由于同一次地震对不同地点的影响不一样，随着距离震中的远近会出现多种不同的烈度1工程抗震基本知识烈度I：是指某一区域的地表和各类建筑物遭受地震影响的平均强弱程度震级与烈度的区别震级M：表示地震本身大小的一种度量，表示地震释放的能量大小震级差一级，能量约差32倍（比如：7级3400万，8级11亿）213MI2020/1/16最大振幅地震动的强度特性定量反映地震动的周期分布特征揭示地震动循环作用程度的强弱考察频谱持时1工程抗震基本知识地震动三要素破坏作用分类地表破坏建筑物破坏次生灾害静力破坏：建筑物的破坏因地表破坏引起动力破坏：建筑物的破坏由于地震地面运动的动力作用引起抗震防灾规划2020/1/161工程抗震基本知识城市抗震防灾规划3D模型示意图工程抗震设防与抗震防灾规划之间的关系2020/1/16城市规划城市建设管理运营灾前灾时灾后灾害发生抗震防灾规划工程抗震设防紧急(自动)处置系统应急系统应急预案灾后恢复重建紧急处置应急响应抢险救灾临灾预警1工程抗震基本知识国家标准《城市抗震防灾规划标准》GB50413已经完成修编。2020/1/161工程抗震基本知识地方标准《四川省城市抗震防灾规划标准》已经完成征求意见稿。地标提出了灾后48小时内靠自身力量进行最大限度地自救的规划原则，并针对应急保障功能的需求提出具体的规划要求和措施四川省人民政府令第266号《四川省建设工程抗御地震灾害管理办法》自2013年6月1日起施行2020/1/161工程抗震基本知识第二章城乡抗震防灾规划第五条抗震设防区的城市总体规划应当包括城市抗震防灾规划。抗震设防区的城镇体系规划、镇总体规划和乡、村规划应当包括抗震防灾专篇。市（州）、县（市、区）住房城乡建设、城乡规划主管部门组织编制本行政区域内的城市抗震防灾规划，应当委托具有城乡规划编制或建筑设计资质的单位承担具体编制工作。第八条编制城市抗震防灾规划应当征求有关部门、单位、专家及公众意见，符合国家《城市抗震防灾规划标准》。第十条省住房城乡建设主管部门负责组织设市城市的抗震防灾规划和省域、市（州）域城镇体系规划中抗震防灾专篇的技术审查，法律、法规另有规定的，从其规定。2020/1/161工程抗震基本知识1工程抗震基本知识甘孜藏族自治州抗震形势2020/1/16——抗震设防烈度9度设计基本加速度0.4g——抗震设防烈度8度设计基本加速度0.2g——抗震设防烈度7度设计基本加速度0.15g——抗震设防烈度7度设计基本加速度0.1g——龙门山断裂带——鲜水河断裂带——安宁河断裂带1/25/186/276/501工程抗震基本知识2020/1/16设防烈度的意义设防烈度7度8度9度多遇地震（小震）35（55）70（110）140设防地震（中震）100（150）200（300）400罕遇地震（大震）220（310）400（510）620规范中设计使用的加速度峰值（cm/s2）烈度概率密度函数（50年一遇）63.2%10%2~3%我国抗震设计要求：小震不坏中震可修大震不倒1工程抗震基本知识2020/1/16实际可能遭受的地震强度汶川地震卧龙波东西向加速度时程曲线（cm/s2）020406080100-600-400-20002004006008001000加速度峰值（cm/s2）时间（s）东西向948cm/s21工程抗震基本知识2020/1/16静力理论反应谱理论动力理论结构抗震理论发展周期（s）谱值00.020.050.080.12加速度反应谱傅里叶变换得到1工程抗震基本知识2020/1/1600.16.02max()gTT2maxmax0.45gT5gT()Ts21max[0.2(5)]gTT10.02(0.05)/820.0510.061.7我国的规范反应谱值：max地震影响设防烈度6789多遇地震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32罕遇地震-0.50（0.72）0.90（1.20）1.40g15.0g30.0注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度取和的地区2020/1/162建筑减隔震技术基本原理隔震被动耗能主动控制半主动控制智能控制(1)橡胶隔震支座;(2)铅芯隔震支座;(3)摩擦隔震支座(1)粘滞阻尼器;(2)粘弹性阻尼器(3)摩擦阻尼器;(4)软钢阻尼器(5)TMD和TLD(1)AMD;(2)HMD(1)变阻尼半主动;(2)变刚度半主动(1)磁流变阻尼器;(2)SMA;(3)PZT2建筑减隔震技术基本原理典型地震动的卓越周期约为0.1~1.0s，因此自振周期为0.1~1.0s的中低层结构在地震时容易发生共振而遭受破坏。2020/1/16结构基础隔震体系是在上部结构物底部与基础顶面（或底部柱顶）之间设置隔震层而形成的结构体系。如图所示，它包括上部结构、隔震装置和基础或下部结构。2020/1/162建筑减隔震技术基本原理非隔震隔震2020/1/16抗震房屋隔震房屋结构体系上部结构和基础牢牢连接削弱上部结构与基础的有关连接科学思想提高结构自身的抗震能力隔离地震能量向结构的输入方法措施强化结构刚度和延性延长结构自振周期、增大阻尼2建筑减隔震技术基本原理2020/1/162建筑减隔震技术基本原理隔震与非隔震结构对比9度罕遇地震非隔震广州大学2020/1/162建筑减隔震技术基本原理隔震与非隔震结构对比150103259939度罕遇地震隔震广州大学隔震技术反应谱理论2020/1/162建筑减隔震技术基本原理2020/1/16位移楼层抗震结构隔震结构隔震结构的隔震层水平刚度低，在地震过程中整个结构体系的周期变长，变形集中在隔震层，上部结构基本上是刚体运动。2建筑减隔震技术基本原理上部结构的加速度反应降低为传统结构加速度反应的1/4~1/122020/1/162建筑减隔震技术基本原理2020/1/16根据隔震层位置的不同，隔震结构主要分为：1)基础隔震2)层间隔震2建筑减隔震技术基本原理根据隔震装置的不同，隔震结构主要分为：1)橡胶支座隔震2)平板滑移隔震3)组合隔震4)摩擦摆隔震5)隔震砖隔震层间隔震2020/1/16北京工业大学、福州大学联合研究2010年北京2建筑减隔震技术基本原理2020/1/162建筑减隔震技术基本原理层间隔震9度罕遇地震层间隔震2020/1/162建筑减隔震技术基本原理层间隔震工程厦门市湖里中学教学楼——厦门市示范工程橡胶支座隔震系统2020/1/16叠层橡胶支座（LNR）LaminatedRubberBearing铅芯橡胶支座（LRB）Lead-RubberBearing高阻尼支座（HDRB）High-dampingRubberBearing2建筑减隔震技术基本原理橡胶支座隔震系统2020/1/162建筑减隔震技术基本原理上预埋板卡榫支座本体下预埋板锚定钢棒典型橡胶支座结构2典型橡胶支座结构1橡胶支座隔震系统2020/1/162建筑减隔震技术基本原理竖向压力15MPa，水平位移400%试验2020/1/16项目位于四川茂县，是“5.12”地震后灾区重建的代表性隔震建筑之一。采用铅芯橡胶隔震支座、天然橡胶隔震支座和弹性滑板支座。项目位于山东潍坊市，是目前中国最高的隔震建筑。采用1.3-1.5m直径的铅芯和天然橡胶隔震支座。项目位于宁夏银川市，是目前中国较高的隔震建筑之一，总高度约65米。采用铅芯橡胶隔震支座和天然橡胶隔震支座，支座最大直径1200mm。港珠澳大桥是连接香港、珠海市、澳门的大型跨海通道，是列入《国家高速公路网规划》的重要交通建设项目。。采用的高阻尼橡胶隔震支座最大规格为1670*1670（mm），最大竖向承载力为3000T,是中国目前最大尺寸的高阻尼隔震橡胶支座。四川茂县2建筑减隔震技术基本原理到目前为止，隔震建筑已应用在我国广东，福建，山西，陕西，云南，四川，宁夏，内蒙古，新疆，河北，河南，江苏，北京，天津，台湾等省市自治区。隔震建筑数量：在我国设计和建成隔震房屋三千多幢（数量仅次于日本）。山东潍坊宁夏银川港珠澳大桥2020/1/162建筑减隔震技术基本原理橡胶支座隔震结构复位测试——支座处影像2020/1/162建筑减隔震技术基本原理橡胶支座隔震结构复位测试——屋顶影像平板滑移隔震系统2020/1/162建筑减隔震技术基本原理我国古代建筑隔震现代平板滑移隔震平板滑移隔震系统2020/1/162建筑减隔震技术基本原理平板滑移隔震支座平板滑移隔震支座摩擦摆隔震支座2020/1/16摩擦摆支座（FPS）复摩擦摆支座（MFPS）2建筑减隔震技术基本原理2020/1/162建筑减隔震技术基本原理摩擦摆隔震支座组合隔震系统并联基础隔震隔震橡胶支座和滑移支座在隔震层并联设置，分别承担上部结构的重力荷载，并联基础隔震将两种支座结合起来，通过合理的配置，可有效提高隔震的效果。串联基础隔震建筑隔震橡胶支座和滑移支座在隔震层串联设置，共同承担上部结构的重力荷载。串联基础隔震相当于有两个隔震层。串并联基础隔震滑移支座与橡胶支座串联后，再进行并联组成的隔震系统。2020/1/162建筑减隔震技术基本原理既有建筑隔震改造2020/1/162建筑减隔震技术基本原理既有建筑隔震改造示意图2建筑减隔震技术基本原理凿毛柱面安装钢板、扩大基础安装钢板、扩大基础凿断柱子安置预埋件和支座上下连接整浇被动减震结构的力学装置与构件2020/1/16减震结构力学装置减震构件被动减震结构能量消耗装置黏滞阻尼器黏滞阻尼构件(黏滞、油、黏弹性)塑性滞回装置塑性滞回构件(软钢、铅、摩擦)附加质量装置TMD装置等2建筑减隔震技术基本原理减震结构构成单元的定义2020/1/16主结构减震结构减震构件减震阻尼器连接构件减震阻尼器+连接构件粘滞阻尼装置塑性滞回装置2建筑减隔震技术基本原理位移相关型阻尼器金属消能器:通常又分为软钢消能器和记忆合金消能器两种摩擦消能器:PALL型摩擦装置（板式摩擦阻尼器）、双向摩擦消能器、Sumitome型摩擦消能器、筒制振器、摩擦剪切铰消能器等铅阻尼器:铅挤压阻尼器、铅剪切阻尼器、铅节点阻尼器、异型铅阻尼器等粘弹性阻尼器:沥青橡胶组合粘弹性阻尼器、粘弹性橡胶剪切阻尼器、超塑性硅氧橡胶粘弹性剪切阻尼制震系统、杠杆粘弹性阻尼器等2020/1/162建筑减隔震技术基本原理锥型钢板耗能器改进的软钢阻尼器2020/1/162建筑减隔震技术基本原理软钢阻尼器滞回曲线2020/1/162建筑减隔震技术基本原理屈曲约束支撑2020/1/162建筑减隔震技术基本原理屈曲约束支撑构造示意图普通支撑与屈曲约束支撑的受力性能比较屈曲约束支撑的几种典型的截面形式2020/1/162建筑减隔震技术基本原理低屈服点剪力钢板耗能器2020/1/162建筑减隔震技术基本原理低屈服点剪力钢板耗能器破坏