隔震与耗能减震房屋设计.ppt
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1、2023/5/241延性结构延性结构在保证一定强度的条件下,具备足在保证一定强度的条件下,具备足够的刚度、变形能力和耗能能力够的刚度、变形能力和耗能能力隔震结构隔震结构通过隔震装置将结构和地震动隔开,通过隔震装置将结构和地震动隔开,从而减小震动从而减小震动消能减震结构消能减震结构通过采取一定的耗能装置或附通过采取一定的耗能装置或附加子结构,吸收或消耗地震传给肢体结构的能量,加子结构,吸收或消耗地震传给肢体结构的能量,从而减轻结构震动从而减轻结构震动制振结构制振结构通过自动控制系统主动地给结构施通过自动控制系统主动地给结构施加控制力,改变结构的振动特性,从而减小结构加控制力,改变结构的振动特性,
2、从而减小结构震动震动2023/5/242抗震结构抗震结构 利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用,吸收地震能量用,吸收地震能量 立足于立足于“抗抗”。隔震结构隔震结构 在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层,阻止在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层,阻止地震能量向上传递地震能量向上传递 立足于立足于“隔隔”。结构减震控制根据是否需要外部能源输入可分为结构减震控制根据是否需要外部能源输入可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。被动控制被动控制不需要外部能源输入提供控制力,不需要外部能源输入提供控制力,
3、控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息的控控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息的控制方法。制方法。2023/5/243主动控制主动控制需要外部能源输人提供控制力,控需要外部能源输人提供控制力,控制过程依赖于结构反应信息或外界干扰信息的控制过程依赖于结构反应信息或外界干扰信息的控制方法。制方法。被动控制的常用手段:基础隔震、耗能减震、吸被动控制的常用手段:基础隔震、耗能减震、吸振减震。振减震。目前,基础隔震应用与工程;减震、吸振处于研目前,基础隔震应用与工程;减震、吸振处于研究、探索并部分应用于工程实践的时期。究、探索并部分应用于工程实践的时期。9.1 基础隔震基础隔震1.基础隔震系统需具备以
4、下四种特性:基础隔震系统需具备以下四种特性:n承载特性:具有足够的竖向强度和刚度以支撑上承载特性:具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量;部结构的重量;n隔震特性:具有足够的水平初始刚度,在风载和隔震特性:具有足够的水平初始刚度,在风载和2023/5/244 小震作用下,体系能保持在弹性范围内,满足正小震作用下,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,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;结构为柔性隔震结构体系;复位特性:地震后,上部结构能回复到初始状态,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。满足正
5、常的使用要求。耗能特性:隔震系统本身具有较大的阻尼,地震耗能特性:隔震系统本身具有较大的阻尼,地震时能耗散足够的时能耗散足够的 能量,从而降低能量,从而降低 上部结构所吸收上部结构所吸收 的地震能量。的地震能量。2.早期隔震技术早期隔震技术2023/5/2452023/5/246基础隔震概念最早是由日本学者河合浩藏于基础隔震概念最早是由日本学者河合浩藏于1881年提出的,认为先在地基上纵横交错放置几层圆年提出的,认为先在地基上纵横交错放置几层圆木,圆木上做混凝土基础,再在混凝土基础上盖木,圆木上做混凝土基础,再在混凝土基础上盖房,以削弱地震传递的能量房,以削弱地震传递的能量1909年,美国的年
6、,美国的J.A.卡兰特伦茨提出了另外一种卡兰特伦茨提出了另外一种隔震方案,即在基础与上部建筑物之间铺一层滑隔震方案,即在基础与上部建筑物之间铺一层滑石或云母,这样地震时建筑物会发生滑动,以达石或云母,这样地震时建筑物会发生滑动,以达到隔离地震的目的到隔离地震的目的1921年,美国工程师年,美国工程师FL莱特在设计日本东京莱特在设计日本东京帝国饭店时,有意用密集的短桩穿过表层硬土,帝国饭店时,有意用密集的短桩穿过表层硬土,直接插到软泥土层底部,利用软泥土层作为隔震直接插到软泥土层底部,利用软泥土层作为隔震层层1923年年关东大地震关东大地震发生,附近同类建筑毁坏发生,附近同类建筑毁坏严重,但这个
7、建筑却保持完好严重,但这个建筑却保持完好2023/5/2471924年,日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱年,日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱脚与基础之间插入轴承的隔震方案脚与基础之间插入轴承的隔震方案1927年,日年,日本的中村太郎论述了加装阻尼器吸能装置,在隔本的中村太郎论述了加装阻尼器吸能装置,在隔震理论方面进行了有益的探索震理论方面进行了有益的探索在这一阶段,虽然有了清晰的隔震概念和一定的在这一阶段,虽然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理论基础,但限于当时的水平与条件,基础隔震理论基础,但限于当时的水平与条件,基础隔震技术的应用未被很好地研究与开发隔震技术的应用未被很好地研究与开发基础
8、隔震第一次用于旧房的加固改造是美国盐湖基础隔震第一次用于旧房的加固改造是美国盐湖城市政大楼城市政大楼 新西兰于新西兰于1981 年建成的威廉克雷顿大楼,是世界年建成的威廉克雷顿大楼,是世界上第一个采用铅芯橡胶支承的结构上第一个采用铅芯橡胶支承的结构1982 年日本建成第一座现代隔震建筑年日本建成第一座现代隔震建筑,是一座两层是一座两层民宅。民宅。2023/5/248洛杉矶南加州大学洛杉矶南加州大学(USCUniversity)医院经受医院经受1994 年年1 月月17 日美国加州北岭日美国加州北岭6.7 级地震,日本级地震,日本West 大厦大厦1995 年年1 月月17 日日本兵库县南部阪神
9、日日本兵库县南部阪神7.2 级级地震中表现出良好的隔震性能,这使得隔震技术地震中表现出良好的隔震性能,这使得隔震技术越来越为广大的工程人员和社会所接受。越来越为广大的工程人员和社会所接受。世界上首座使用铅芯橡胶支座的建筑是世界上首座使用铅芯橡胶支座的建筑是1981 年在年在新西兰建造的惠灵顿新西兰建造的惠灵顿William Clayton 大楼大楼,这是一这是一座四层高的钢筋混凝土办公楼座四层高的钢筋混凝土办公楼,紧靠惠灵顿断层。紧靠惠灵顿断层。1985 年年,美国建成的加州圣丁司法事物中心是美美国建成的加州圣丁司法事物中心是美国的第一座隔震建筑国的第一座隔震建筑,也是世界上第一座采用高阻也是
10、世界上第一座采用高阻尼橡胶隔震支座的建筑。尼橡胶隔震支座的建筑。1986 年在西昌市建成一幢采用石墨砂浆层隔震的年在西昌市建成一幢采用石墨砂浆层隔震的建筑建筑 2023/5/2491995 年在新疆独山子建成一幢采用聚四氟乙烯滑年在新疆独山子建成一幢采用聚四氟乙烯滑移板隔震的房屋。移板隔震的房屋。1993年在汕头建成第一幢叠层橡胶垫隔震房屋,年在汕头建成第一幢叠层橡胶垫隔震房屋,已经受已经受7.3 级台湾海峡地震考验级台湾海峡地震考验 1994 年在安阳建成无黏结叠层橡胶垫隔震房屋。年在安阳建成无黏结叠层橡胶垫隔震房屋。目前隔震技术的应用程度在日本等国家,已经成目前隔震技术的应用程度在日本等国
11、家,已经成为建筑的主导;我国将在为建筑的主导;我国将在2008年(在应用面积上)年(在应用面积上)首次超过日本。首次超过日本。2023/5/2410日本东京帝国饭店日本东京帝国饭店2023/5/2411汕头市陵海路汕头市陵海路3838号,世界第一号,世界第一幢橡胶支座隔震住宅楼幢橡胶支座隔震住宅楼 房子与地面中间,有一条比手指宽的缝隙房子与地面中间,有一条比手指宽的缝隙 隔震楼的楼梯都是悬空的,避免与地面发隔震楼的楼梯都是悬空的,避免与地面发生直接接触生直接接触 2023/5/2412沈沈阳阳在在1996年年就就建建成成了了国国际际上上第第一一座座采采用用滑滑移移减减震震技技术术的的建建筑筑,
12、现现在在是是辽辽宁宁省省建建设设科科学学研研究究院院的的一一座座住住宅宅楼楼,这这座座看看似似普普通通的的砖砖混混结结构构楼楼可可以以抵抵抗抗破破坏坏力力高高达达10度度烈烈度度的的强强烈烈地地震震而而不不倒倒。2023/5/2413J.A.Calantarients提出的隔震结构提出的隔震结构 下图是下图是J.A.Calantarients于于1909年提出的隔震结构年提出的隔震结构(Base-isolated building)方案。这种隔震结构在建方案。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。物可以滑动。中村太郎的隔
13、震结构中村太郎的隔震结构 上图是中村太郎于上图是中村太郎于1927年提出的隔震结构方案。年提出的隔震结构方案。2023/5/2414 在这种隔震系统中已使用阻尼泵来耗散地震动的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铰接能量,并且在该建筑地下层柱的上下端采用铰接构造,建筑物可以水平自由移动。构造,建筑物可以水平自由移动。柔性层隔震结构柔性层隔震结构 柔性层结构隔震概念由柔性层结构隔震概念由Martel在在1929年提出,由年提出,由Green(1935年年)和和Jacobasen(1938年年)进一步加以研进一步加以研究与完善;下图是真岛健三郎于究与完善
14、;下图是真岛健三郎于1934年的柔性层年的柔性层结构。地震时,柔性层进入塑性,结构的刚度变结构。地震时,柔性层进入塑性,结构的刚度变小,结构的基本周小,结构的基本周 期延长,从而导致期延长,从而导致 上部结构所受的地上部结构所受的地 震作用减小震作用减小。2023/5/2415滚动支撑类隔震系统滚动支撑类隔震系统 为克服柔性层结构所带来的缺陷,科学家们相继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,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
15、震系统均未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。能推广应用。2023/5/24163.最新隔震技术最新隔震技术(1)隔震橡胶支座)隔震橡胶支座(The laminated rubber bearing)隔隔震系统。震系统。2023/5/24172023/5/24182023/5/2419应用实例应用实例1994年年1月月17日,美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震,日,美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震,震级震级M=6.7,死亡,死亡56人,伤人,伤7300人,损失很大。人,损失很大。震中附近有两座医院,一座为隔震结构,另一座震中附近有两座医院,一座为隔震结构,另一座为抗震结构。为抗震结构。
16、中南加州大学医院(隔震结构)中南加州大学医院(隔震结构)橄榄景医院(抗震结构)橄榄景医院(抗震结构)2023/5/2420南南 加加 州州 大大 学学 医医 院院(The University of Southern California Teaching Hospital)是是橡橡胶胶支支座座隔隔震震系系统统,这这栋栋八八层层医医院院基基础础加加速速度度为为 0.49g,而而顶顶层层加加速速度度只有只有0.21g,加速度折减系数为加速度折减系数为1.8。而而抗抗震震结结构构橄橄榄榄景景医医院院(The Olive View Hospital)的的底底层层加加速速度度为为 0.82g,而而顶顶
17、层层加加速速度度为为2.31g,加加速速度度放放大大系系数数为为2.8,由由此此可可见见橡橡胶胶支支座座隔隔震震系系统统的优越性。的优越性。2023/5/2421中南加州大学医院中南加州大学医院地下一层,地上地下一层,地上7层,建筑面积:层,建筑面积:33000平方米;占地:平方米;占地:4100平米;最高高度:平米;最高高度:36。0m;铅芯多层橡胶隔震器;铅芯多层橡胶隔震器68个,多层橡胶隔震器个,多层橡胶隔震器81个。个。2023/5/2422中南加州大学医院在这次地震及其其后的余震中,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,建筑物内的英尺高的花瓶
18、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。防灾中心,起到十分重要的作用。2023/5/2423橄榄景医院在橄榄景医院在1971年年 圣费尔南多地震中受圣费尔南多地震中受 到较大损害,到较大损害,10年后年后 重建,并增加了抗震重建,并增加了抗震 强度。强度。在此次地震中,剪力在此次地震中,剪力 墙产生剪切裂缝,设墙产生剪切裂缝,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,建筑物不下、散乱。而且水管破裂,各层浸水,建筑物
19、不能使用,完全丧失了医院的功能。能使用,完全丧失了医院的功能。一九九四年九月十六日,台湾海峡发生了一九九四年九月十六日,台湾海峡发生了7.3级地级地震,震源距离汕头市约震,震源距离汕头市约200公里,汕头市烈度为公里,汕头市烈度为6度,各类房屋摇晃厉害,居民惊惶失措,水桶里度,各类房屋摇晃厉害,居民惊惶失措,水桶里2023/5/2424陇南邮政职工住宅楼(陇南邮政职工住宅楼(8区,基础隔震,未破坏)区,基础隔震,未破坏)2023/5/24252023/5/24262023/5/2427伊斯坦布尔国际机场防震候机楼伊斯坦布尔国际机场防震候机楼2023/5/2428伊斯坦布尔国际机场防震候机楼伊斯
20、坦布尔国际机场防震候机楼2023/5/2429 的水溅出了的水溅出了1/3左右左右而陵海路隔震楼上的人并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。楼才知道发生了地震。(2)隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡)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隔震橡胶支座 天然夹层橡胶支座构造如图天然夹层橡胶支座构造如图 所示。天然夹层橡胶支座具所示。天然夹层橡胶支座具 有较大的竖向刚度,承受建有较大的竖向刚度,承受建 筑物的重量时竖向变形
21、小,筑物的重量时竖向变形小,而而水水平平刚刚度度较较小小,且且线线性性性性能能好好。由由于于天天然然夹夹层层橡橡胶胶支支座座的的阻阻尼尼很很小小,不不具具备备足足够够的的耗耗能能能能力力,所所以以在在结结构构使使用用中中一一般般同同其其它它阻阻尼尼器器或或耗耗能能设设备备联合使用。联合使用。2023/5/2430铅芯隔震橡胶支座铅芯隔震橡胶支座 铅芯橡胶支座构造如图所示。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有消耗地震能量的能力,故铅芯橡胶支座在结构使用中受
22、到广泛欢迎。使用中受到广泛欢迎。叠层橡胶支座中间钻孔灌入铝芯提高支座大变形时的吸能能力橡胶片橡胶片钢板钢板2023/5/24312023/5/2432世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑(The William Clayton Building,New Zealand)和世界上使和世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本日本)。2023/5/2433日日本本1997年年度度评评定定的的隔隔震震建建筑筑中中,采采用用铅铅芯芯橡橡胶胶支支座座隔隔震震房房屋屋占占总总数数的的40%,美美国国在在1985年年以以后后兴兴
23、建建的的隔隔震震房房屋屋中中,完完全全或或部部分分采采用用铅铅芯芯橡橡胶胶支支座座的的隔隔震震房房屋屋占占总总数数的的60.7%,我我国国在在已已建建成成的的隔隔震震房房屋屋中中,完完全全或或部部分分采采用用铅铅芯芯橡橡胶胶支支座座的的隔隔震房屋占总数的震房屋占总数的60%。4.隔震原理隔震原理基础上部部分基础上部部分隔震层隔开隔震层隔开限制地震动向限制地震动向结构物的传递结构物的传递固结于地基中的基础2023/5/2434从图中可以看出,对建筑物地震反应有重要影响的从图中可以看出,对建筑物地震反应有重要影响的主要因素有两个:一是结构的周期,一是阻尼比主要因素有两个:一是结构的周期,一是阻尼比
24、普通非隔震中低层建筑物的刚度大、周期短,其基普通非隔震中低层建筑物的刚度大、周期短,其基ABCABC2023/5/2435 本周期正好在地震输入能量最大的频段上因此相应本周期正好在地震输入能量最大的频段上因此相应的加速度反应比地面运动放大得多,而位移反应却较的加速度反应比地面运动放大得多,而位移反应却较小,如图中小,如图中A点所示如果延长建筑物的周期,而保点所示如果延长建筑物的周期,而保持阻尼不变,则加速度反应被大大降低,但位移反应持阻尼不变,则加速度反应被大大降低,但位移反应却有所增加,如图中却有所增加,如图中B点所示如果继续加大结构的点所示如果继续加大结构的阻尼,加速度反应则继续减弱,且位
25、移反应也得到明阻尼,加速度反应则继续减弱,且位移反应也得到明显降低,如图中显降低,如图中C点这就是说,通过延长结构的周点这就是说,通过延长结构的周期并给予较大的阻尼,就可使结构上的加速度反应大期并给予较大的阻尼,就可使结构上的加速度反应大大降低同时,对结构产生的较大位移可由上部结构大降低同时,对结构产生的较大位移可由上部结构底部和基础顶部之间设置的隔震层来提供,而不由上底部和基础顶部之间设置的隔震层来提供,而不由上部结构自身的相对位移来承担这样,上部结构在地部结构自身的相对位移来承担这样,上部结构在地震过程中就会发生接近平移的运动,大大提高了上部震过程中就会发生接近平移的运动,大大提高了上部结
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