结构抗震设计论文

中南大学

结构抗震设计论文

学院土木工程学院专业班级

学号

姓名

2013/1/12

浅谈建筑结构的隔震减震技术

摘要：从地震的严重危害性证实了结构抗震性能的重要性，阐述了隔震与减震的原理及相关的分类，介绍了隔震减震

较传统方法的优点，表明了隔震与减震技术的良好发展前景。

关键词：隔震，减震，地震，结构，阻尼

Abstract：This paper verifies the significance of structural seismic performance from the aspect of serious seismic damage，expounds seismic re’

ducfion and seismic isolation principle and relevant classification，introduces its merits comparing to traditional methods，and demonstrates its

wonderful development prospect．

Key words：seismic isolation，seismic reduction，earthquake，structure，damping 一、引言

地震是一种自然现象，全世界每年大约发生50万次地震，大多数地震都需灵敏的仪器才能测量到，而人能直接感知的也就大约占1%左右[1]。我国是多地震的国家，地震区分布广大，历次大地震给人民生命财产带来了巨大损失。

我们国家的抗震设防目标是“小震不坏，中震可修.大震不倒”。这就要求结构构件具有足够的承载力和塑性变形能力。而传统的结构抗震是依靠结构自身的抵抗能力，让建筑物基础固结于地面，但地震反应的特点是由底向上逐渐放大，为了保证建筑物的安全，提高结构的承载力，必须加大构件的截面，这样既造成了较多的材料消耗，也使建筑物自重增大，得不偿失。

隔震和耗能减震是建筑结构减轻地震灾害的新技术、新方法和新途径。所谓隔震就是立足于“隔”，利用专门的隔震元件，以集中发生在隔震层的较大位移为代价，阻隔地震能量向上部结构的传递，使建筑物有更高的可靠性和安全性。《建筑抗震设计规范》(GB5011-201)中增加了“隔震与消能减震”的章节，说明我国正日益重视隔震与耗能减震技术与理论的研究，并致力于该技术的推广应用。

二、隔震

隔震设计是指在房屋底部设置由橡胶隔震支座和阻尼器等部件组成的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，增大阻尼，减少输入上部结构的地震能量，达到预期的防震要求[2]。也就是说，通过隔震层的大变形来减少上部结构的地震作用，减轻地震破坏程度，使建筑物只发生轻微运动和变形，从而保障建筑物的安全，隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右。

1.分类

1.1 地基隔震

绝缘：是希望通过地基自身降低输入波的方法，达到隔震的目的，软弱地基有降低输入加速度的性质。高刚性基础则还可利用地下逸散减震。屏蔽：屏蔽是通过在建筑物周围挖深沟或埋人屏蔽板等将卓越长周期的剪切波隔断的方法，但直下型输入波不能屏蔽。

1.2 基础隔震

基础隔震是通过在上部结构与基础之间安装隔震系统，隔离将基础和上部结构，降低水平地面运动向上部结构的传递量，减小上部结构振动。基础隔震可分为周期延长、能量吸收和绝缘等三种方法。

1.3 上部结构隔震

上部结构的隔震将之分为能量吸收和附加振动体两种形式。能量吸收型是通过在建筑物的任意层设置添加各种阻尼器以吸收地震能量。附加振动体形式则是通过在建筑物的任意层上加设振动体，并构成新的振动体系，将振动转移向附加振动体。

2.隔震减震加固方法

隔震减震加固是在结构基础部位设置专门的隔离层，阻止地面运动向上部结构传递。从抗震原理来看，实际上是增大结构周期，减小上部结构地震响应，这是一种间接抗震加固方法。隔震层应具有以下两个功能： (1)具有较大的竖向承载力，以承受上部结构的重量： (2)具有较小的水平刚度，以使上部结构产生的水平地震力足够小。

由于隔震层的水平刚度很小，使结构地震变形全部集中到隔震层。这种变形的集中性为设置阻尼消能减震带来方便。一方面将隔震层的变形控制在许可范围，另一方面与消能减震的原理相同，有利于进一步减小结构的地震响应。同时须注意的是，隔震层的非结构构件应具有较大的水平变形适应性。上部结构在地震作用下的振动近似为“整体平动”。而常规结构地震作用下的振动一般为自下而上“放大摆动”；隔震结构可以根据要求提供比常规结构高得多的阻尼值，以大量消耗结构振动能量，提高隔震结构的隔震特。由于采用隔震方法可大幅减少结构整体承受的地震作用力，因此对于整体抗震能力差的建筑，采用隔震方法进行抗震加固能从根本上改善其抗震性能。

隔震加固方案中隔震层可设置在待加固结构的不同部位，如基础、中间层等，也可设置在房屋的顶层，同时起到结构加层和抗震加固的目的，而且直接在屋顶施工，对用户造成的影响较小。目前，也有学者提出将隔震装置安放在结构的柱间、柱头或柱脚处，利用其耗能特性来减小层问位移，防止结构倒塌，而且便于施工。

隔震加固设计关键在于设计安全合理的临时支托方案，以便置换安装隔震装置和选用安全可靠的隔震装置及其布置方案，主要应考虑满足以下要求：①选用的隔震支座应满足竖向承载力的要求和最大水平变形要求，并留有较大的安全储备。隔震支座面压力宜取约1 OMPa，最大不超过1 5MPa。隔震支座的最大水平变形宜不超过支座橡胶总厚度的2．5倍或支座直径的50％。②避免在隔震支座之间出现较大的压缩沉降差，以确保上部结构在施工安装及使用过程中不出现损伤或裂缝。⑧合理布置隔震支座，尽量使隔震层的刚度中心与上部结构的质量中心相互重合，并具有较大的抗扭刚度矩。④应满足正常使用情况下的抗风要求，即通过选用足够数量的具有初始刚度(屈服前)的带铅芯橡胶支座作为抗风装置，以满足抗风要求。⑤采取必要措施消除相互碰撞的可能性。[3]

三、减震

消能减震设计指在房屋结构中设置消能装置，通过其局部变形提供附加阻尼，以消耗输入上部结构的地震能量，从而使主体结构构件在罕遇地震下不发生严重破坏[2]。

消能装置通常由阻尼器、耗能支撑等组成。消能部件可根据需要沿结构的两个主轴方向分别设置，宜设置在层间变形较大的位置，消能器应具有足够的吸收和耗散地震能量的能力和恰当的阻尼。消能装置不改变结构的基本形式，房屋的抗震构造与普通房屋相比不降低，其抗震安全性可有明显的提高。消能装置应安装在便于维护人员接近和操作的位置

1.分类

从控制理论的观点看，结构减震方法又可分为两大类：

1．1 被动控制方法：也被称作无源控制技术方法，包括隔震技术和减震技术，这种方法无外部能源供给。

1.2 主动控制方法：也被称作有源控制技术，区别于被动控制方法，这种方法有外部能源供给。

2．结构消能减震加固方法

结构消能减震加固主要是通过增加结构阻尼来达到减小结构地震响应的目的，属于一种间接抗震加固方法。这种加固方法通常不需对原结构构件进行较多的加固处理，具有较大的适用性。增加结构阻尼通常是设置专门的阻尼器。消能减震技术是在结构抗侧力结构上设置耗能装置，当结构产生变形时，耗能装置吸收结构振动能量，使结构阻尼比增大，地震作用减少，它可在全部楼层安装，也可在部分楼层或薄弱层上安装。按照规范的设计方法进行计算，消能减震方法的总地震力降低幅度主要与结构固有周期和阻尼比值大小有很大关系，结构固有周期越短，阻尼比就越大，总地震作用降低幅度也就越大。在实际工程中，往往可能只有部分楼层结构较薄弱，按时程分析计算可以发现，通过优化布置耗能装置，在结构薄弱层及相对位移较大的楼层进行布置，可以明显减小这些楼层的相对位移，达到对薄弱层或特定层进行加固的目的。[3]

四、应用与发展

隔震能使结构的基本周期延长，以避开地震动的卓越周期，明显地减轻结构的地震反应，使上部结构处于正常的弹性工作状态。隔震体系抗震措施简单明了，还能降低房屋造价，而且震后修复方便，震后只需对隔震装置进行必要的检

查更换，有明显的社会效益和经济效益。

消能减震技术具有构造简单，造价低廉，适用范围广，维护方便的优点，既适于新建工程，也适用于已有建筑物的抗震加固改造;既适用于普通建筑结构，也适用于抗震生命线工程。西雅图哥伦比亚大厦(7层)、匹兹堡钢铁大厦(64层)等许多工程都采用了该技术，沈阳市政府的办公楼也采用了摩擦耗能器进行了抗震加固，北京饭店和北京火车站也使用了粘性阻尼器进行加固[4]

通过地震实践、理论研究和实验验证证明，采用隔震结合消能减震技术建造的结构在烈度为7度的地震中所受到的地震力，基本只相当于非隔震结构在烈度为5．5度左右，结构基本在弹性范围内工作，相应的结构的加速度、速度与位移反应都降低了，保护了结构，减少或消除了结构构件的损坏。通过隔震和消能减震设计把非线性、大变形集中到一组构件上，我们就可以把设计、试验和制造的注意力都集中到这些结构构件上。由于结构处于弹性变形状态，我们可以简化结构分析的方法，分析也会更加可靠。隔震减震技术的运用使得建筑物在地震时更好的保护结构的框架和其他非结构单元，保护结构内的设施、工业设备、人等的安全，提升了建筑物的灾后可延续使用的几率。隔震技术的应用使得在设计方案的选择多样化，也改变了目前的结构设计思想。虽然这些技术尚在发展研究过程中，但在工程结构上广泛的应用前景及未来的发展还是相当可观的。结构减震控制的基本思想提出已有三十余年的时间，同一直被采用的延性设计方法相比，结构减震控制可以认为是结构抗震设计方法的一次革命。世界各国的众多学者，都在结构减震控制上进行了大量的理论研究与工程实践工作，一度形成了百花齐放、百家争鸣的局面。其中以日本为最，其在减震理论研究、设计方法、产品研发以及实际工程应用等方面总体处于领先位置。基于结构减震控制的基本原理多种多样，减震装置的类型名目也较为繁多，绝大多数的结构类型都可运用减震控

制方法，从桥梁到建筑，从多层结构到超高层结构，从钢筋混凝土结构到钢结构，这些结构模式都可适用。[5]

五、总结

隔震与消能减震技术已日益趋于成熟，将成为建筑抗震控制的主体，今后的研究可以集中在标准化、优化设计、细部构造、新产品的开发和完善方向，新产品的开发应以低价、高效和高性能为目标，为减轻地震灾害提供新的技术和方法，也将使我们在结构隔震与减震控制技术方面向世界先进水平方向发展。

参考文献

[1]丰定国，王社良.抗震结构设计[M].武汉:武汉理工大学出版社， 20 .

[2]cB50ll一201建筑抗震设计规范

[3]黎雪环，中华建设，2011年（7）：198-199.

[4]高小旺，龚思礼等.建筑抗震设计规范理解与应用[M].北京: 中国建筑工业出

版社，2003.

[5]洪鑫.山西建筑，2011年第37卷第11期：37-39.