隔震结构的基本原理及动力分析
2024年建筑结构隔震与减震设计研究
2024年建筑结构隔震与减震设计研究随着地震活动的不断增多和人们对建筑安全性能要求的提高，建筑结构隔震与减震设计成为了一个重要的研究领域。
本文将从隔震技术原理、减震技术方法、结构设计要点、地震动力学分析、安全性评估、工程实例分析以及未来发展趋势等方面进行详细探讨。
一、隔震技术原理隔震技术是一种通过在建筑基础与上部结构之间设置隔震装置，以隔离地震波对建筑结构的直接作用，从而减少地震对建筑的破坏。
隔震装置主要包括橡胶隔震支座、滑动隔震支座和混合隔震支座等。
这些隔震支座具有良好的弹性和阻尼性能，能够在地震时吸收和分散地震能量，降低结构的振动幅度，保护建筑免受地震破坏。
二、减震技术方法减震技术主要是通过在建筑结构中安装减震装置，以减少地震时结构的振动响应。
常见的减震装置包括阻尼器、减震支撑和隔震沟等。
阻尼器可以通过消耗地震能量来减少结构振动，减震支撑则通过改变结构的动力特性来降低地震响应。
而隔震沟则通过在建筑周围设置一定深度的沟槽，利用沟槽的变形来吸收地震能量，从而减少结构的振动。
三、结构设计要点在进行建筑结构隔震与减震设计时，需要考虑以下几个要点：首先，要合理选择隔震与减震装置的类型和参数，确保装置能够有效地发挥隔震和减震作用；其次，要优化结构的动力特性，使结构在地震时具有较低的自振频率和较大的阻尼比，从而减少地震响应；最后，要加强结构的整体性和连续性，确保结构在地震时具有良好的整体受力性能。
四、地震动力学分析地震动力学分析是建筑结构隔震与减震设计的基础。
通过对地震波的传播规律、结构的地震响应以及隔震减震装置的动力性能进行深入分析，可以为结构设计提供科学的依据。
地震动力学分析包括时程分析、反应谱分析和能量分析等方法。
这些方法可以帮助设计师预测结构在地震时的动力响应，从而优化结构设计，提高结构的抗震性能。
五、安全性评估安全性评估是建筑结构隔震与减震设计的重要环节。
通过对结构在地震作用下的受力性能、变形情况和破坏机理进行全面评估，可以确定结构的安全性能水平。
建筑结构隔震减震原理技术
浅析建筑结构隔震与减震原理及技术[提要]：本文介绍了建筑结构地震反应机理与评价，也对减隔振系统模型与分析计算方法进行了论述，对建筑抗震理论研究及设计提供了借鉴的意见。
[关键词]：建筑抗震；结构隔震；减震原理tu352.11、引言建筑结构减振防灾关键技术是利用控制理论的基本思想，通过在建筑结构上附加隔减震装置，通过对地震、强风等动力作用的抑制和利用，实现提高建筑结构综合防灾能力，保障人民生命和财产安全，减轻和避免地震等自然灾害对建筑结构损伤作用的目的。
2、建筑结构地震反应机理与评价2.1、在不同服役期内结构抗震设防水准的简化计算方法（1）我国现行建筑抗震设计规范以50年为设计的基准期，要求结构在此期间满足具备正常的服役性能。
显然这种标准服役期是针对大多数普通建筑物而言的，不同的建筑物所要求的服役期长短可能会有所不同。
（2）关于抗震设防烈度和对应的地震重现期的规定以“中震”烈度为基础来确定“小震”和“大震”对应的烈度。
“小震”和“大震”的概率含义实际是平均意义上的一种人为的约定，对于给定的地区或场地，如果明确规定“小震”和“大震”的重现期分别为50年和1975年，相应的烈度就不能保持比“中震”减小1.55度和“大震”增加1.00度；反之，如果“小震”和“大震”明确为比“中震”减小1.55度和增加1.00度，相应的重现期就不能保持为50年和1975年，这是抗震设计规范中设防水准概率含义中存在的不明确的一方面。
（3）目前抗震设防标准中的“三水准二阶段”设计，名义上以“小震”时的抗震强度验算为主要对象，由于其概率水准并不是“小震”时的实际值，而是发生基本烈度地震的概率水准，因此是在一定延性要求之下对基本烈度地震的验算。
工程界迫切希望有一个简单的抗震设防水准估计方法，以便了解设防烈度随服役期的变化规律，因此本项目假定“小震”和“大震”的概率定义是确定的，与“中震”相比其烈度差异在平均意义上分别为-1.55和+1.00度(对9度区为+0.50度)。
隔震、减震结构计算与分析——理论依据
把方程(1.2a)至(1.2c)带入方程(1.1)，然后前乘 ，产生以下 N 个矩阵方程：
T
t dY t 2 Y t p g t IY j j
j 1
J
(1.4)
其中 p j
T
f i 并定义为荷载函数 j 的模态参与系数。 pnj 项与第 n 个振型相关。注意对于每个
对于间隔内的线性荷载
2
3
(1.11)
0 R i 0 R i
Ri Ri 1 R i 1 t
对于间隔内的三次曲线
是指定的 其中 Ri 和 R i
6 R R 2 R 2R R i i i 1 i 1 i t 2 t
Ri Ri 1 R t
图 1.1 模态荷载函数
根据线性微分方程的基本理论，方程(1.11)的通解是一个齐次解和一个特解的和，并且为下列形 式：
yt b1S t b2C t b3 b4t b5t 2 b6t 3
与此解相关的速度与加速度为：
t 2 y t 2 yt Rt y
(1.10)
STRAT V7.0 隔震、减震计算与分析
求解的微分方程为下列形式：
t R t t 2 y t 2 yt Ri 1 tR y R i 1 i 1 i 1 2 6 Rt Ri 1 tR i 1 t 2 t 3 Ri 1 R ，在间隔 i 1 到 i 2 6
t Cu t Kut F t f j g j t u
j 1
J
(1.1)
所有可能的时间相关荷载类型（包括风、波浪和地震）可以表示为 J 空间向量 f j （该向量不 是随时间变化的函数）之和以及第 j 时间函数 g j t 。 动力自由度的数量等于系统中集中质量的数量。许多出版物主张在求解方程(1.1)前，通过静力 凝聚消除所有无质量位移。静力凝聚法减少了所要求解的动力平衡方程的数量；然而，它明显增加 了凝聚后刚度矩阵的密度和带宽。在建筑结构中，每个隔板只有三个集中质量，这种方法很有效并 应用于建筑分析程序中。 然而，对于任意结构系统的动力求解，消除无质量位移法通常在数值上并不是有效的。因此， 现代版本的 SAP 程序不使用静力凝聚以保持刚度矩阵的稀疏性。
抗震设计中——隔震技术系统介绍
隔震技术介绍本文源于上海大学隔震网，基于让广大读者更好了解隔震技术，将之copy至此。
切勿乱传。
谢谢配合。
前言：我国地处全球两大地震带之间，是一个多地震国家，地震带主要分布在：东南-台湾和福建沿海一带，华北-太行山沿线和京津唐渤地区，西南-青藏高原、云南和四川西部，西北-新疆和陕甘宁部分地区。
回顾过去的历史，地震给人类带来了巨大的灾难和损失。
本网站希望能为人们提供一个了解隔震结构的平台，提供隔震理论与技术，以及实际工程应用等相关资料，并时刻关注隔震结构前沿发展，期望使人们对隔震建筑有全面的了解，以推动我国隔震建筑全面、快速、健康发展。
隔震结构与普通结构建造成本比较：相比于普通建筑结构，采用隔震设计的建筑物，尽管增加了隔震部分的成本，但可以使上部建筑的设防烈度降低了一度，从而减少了相关的成本。
隔震理论：隔震结构基本信息在人类漫长的发展历史过程中，经历了无数次强烈地震，仅上个世纪的百年中，由地震引起的伤亡人数超过 5 万人的强震就多达近20次。
1976年7月28日凌晨3时28分，在我国河北省北部工业重镇唐山市发生了里氏7.8级强地震，中心区烈度达到11度。
地震引起的死亡人数为242769，受伤人数达到164851，倒塌房屋总数近322万间。
日本在经历了 1923 年的关东大地震(1923年l月17日，死亡100000人)仁后，对建筑物的抗震及防灾给予了足够的重视。
然而在1995年1月17日凌晨5时46分，兵库县南部发生了强烈地震(死亡5500人，受伤人数约为35000人，全部损坏或部分损坏的房屋达 180000 户，1995年2月16日读卖新闻消息)，造成巨大的人员和经济财产损失，对稳步发展的现代抗震结构提出了新的疑问。
传统抗震结构地震反应的计算分析理论在经历了20世纪 20-30年代的静力计算理论， 40-50年代的反应谱计算理论后，于60年代又逐步过渡到动力分析理论方面。
无可置疑的是经过数十年的研究和工程实践，人类在抵抗地震这种突发自然灾害、保障人类生命安全方面确实取得了显著的进步。
基础隔震建筑结构动力时程分析的精细积分法
基础隔震建筑结构动力时程分析的精细积分法地震灾害严重威胁着人类生命、财产安全。
而人类也正是在与地震斗争的过程中不断进步,抗震理论与技术得以不断发展和完善,各种新的防灾减灾技术层出不穷。
在这样的背景下,基础隔震技术应运而生。
基础隔震结构是指通过在基础顶部与结构底部设置隔震层,从而使结构分为上部结构和基础两部分。
近些年来,国内外学者对应用基础隔震系统的建筑结构进行了分析计算和试验研究,研究表明,在结构的设计过程中,只要选择合适的刚度和阻尼,结构在地震动下的加速度反应大幅降低。
由于原理简单明了、造价低、减震效果好,隔震结构已经成为了新世纪以来建筑结构抗震的发展新趋势。
所以对采用基底隔震体系的结构进行动力分析具有重要的现实意义。
本文基于哈密顿理论,应用动力时程分析法来研究应用叠层橡胶基础的框架结构和框架-剪力墙结构在多遇地震作用下的变化过程。
对于框架结构采用层剪切模型,通过计算得到了结构的层抗推刚度后,再根据地震过程中中间楼层与上下两楼层之间的运动方程关系,推导出了结构的整体刚度矩阵。
对于框架-剪力墙结构,其上部结构采用并联铁摩辛柯梁模型,考虑地震作用下结构的剪切变形和弯曲变形,基于哈密顿体系和精细积分法导出层单元刚度矩阵,应用有限元法集成上部结构整体刚度矩阵。
应用达朗贝尔原理分别列出地震动下上部结构和隔震层的运动方程,再利用数值代换的方法将两方程合并成同一方程。
最后,采用动力时程分析的精细积分法并用MATLAB语言编制相应程序对工程实例进行动力时程分析,求得高精度的地震响应值。
结果表明,基础隔震结构相对于传统抗震结构基础隔震结构的层间位移、速度、加速度等都有明显减小,减震效果明显。
总之,本课题的研究对建筑结构抗震工程具有现实意义。
基础隔震原理
基础隔震原理隔震技术是一种重要的地震防护手段，它可以有效减小地震对建筑物和设备的破坏程度，保护人们的生命财产安全。
基础隔震作为隔震技术的重要组成部分，具有重要的意义。
本文将介绍基础隔震的原理及其应用。
基础隔震是指通过在建筑物的基础和地基之间设置隔震装置，使建筑物在地震作用下产生相对于地基的位移，从而减小地震对建筑物的影响。
基础隔震的主要原理可以概括为“软硬结合”，即在建筑物的基础和地基之间设置具有一定变形能力的隔震装置，通过隔震装置的变形吸收地震能量，减小地震对建筑物的冲击力，从而达到减震效果。
基础隔震的主要隔震装置包括橡胶隔震支座、钢板隔震支座等。
橡胶隔震支座是一种常用的隔震装置，它由上下两个钢板和中间的橡胶垫组成，可以在地震时产生相对位移，吸收地震能量。
钢板隔震支座则是利用钢板的弯曲变形来吸收地震能量，具有较大的变形能力。
基础隔震技术的应用范围非常广泛，可以用于各种类型的建筑物，如住宅、商业建筑、工业厂房等。
在地震频发的地区，基础隔震技术尤为重要，它可以有效减小地震对建筑物和设备的破坏程度，提高建筑物的抗震性能，保护人们的生命财产安全。
除了在新建建筑中应用基础隔震技术，对于一些现有建筑物也可以通过加固改造的方式引入基础隔震技术，提高建筑物的抗震性能。
这对于一些历史建筑或者特殊用途的建筑物来说尤为重要，可以有效延长建筑物的使用寿命，提高抗震能力。
总的来说，基础隔震作为隔震技术的重要组成部分，具有重要的意义。
它通过“软硬结合”的原理，利用隔震装置的变形能力来吸收地震能量，减小地震对建筑物的影响。
基础隔震技术的应用范围广泛，可以用于各种类型的建筑物，并且可以通过加固改造的方式引入现有建筑物中。
基础隔震技术的发展将对提高建筑物的抗震性能，保护人们的生命财产安全起到重要作用。
抗震结构设计与分析研究
抗震结构设计与分析研究抗震结构设计与分析是地震工程领域的重要研究内容之一，旨在通过合理的结构设计和精确的分析方法，使建筑物能够在地震发生时保持稳定，最大限度地减少地震灾害造成的人员伤亡和财产损失。
本文将从抗震结构设计和抗震分析两个方面进行探讨。
首先，抗震结构设计是抗震工程中的核心环节。
在结构设计过程中，需要考虑地震荷载的作用、结构物的强度和刚度以及结构构件的连接方式等重要因素。
地震荷载通常包括静力荷载和动力荷载两部分。
静力荷载是地震发生时结构物所受到的重力荷载、风荷载和爆炸荷载等静态荷载的总和，而动力荷载则是由地震引起的地震荷载。
为了确保结构的抗震性能，设计人员应选择合适的结构型式和材料。
不同的结构型式在地震作用下的响应行为存在差异，如剪力墙结构、框架结构和框架-剪力墙混合结构等。
此外，材料的选择也对结构的抗震性能具有重要影响，如混凝土、钢材和钢纤维混凝土等。
设计人员还应考虑结构的刚度和强度，进行合理的选择和计算。
另外，抗震分析是抗震设计的重要手段之一。
通过分析结构在地震作用下的响应，可以评估结构的抗震性能，并进一步完善结构设计。
常见的抗震分析方法包括静力分析和动态分析。
静力分析是根据结构在静态地震荷载作用下的平衡条件进行分析，主要用于评估结构的强度和刚度。
而动态分析则是通过将地震作用转化为能够描述结构动力响应的动力荷载，进一步考虑结构的动力特性和地震波的响应。
在进行抗震分析时，需要进行合理的模型建立和地震荷载的输入。
模型建立要充分考虑结构的几何形状、材料性能和构件连接方式等因素。
通常采用有限元法进行模型建立和分析计算。
地震荷载的输入包括地震波的选择、地震波参数的确定和地震波的时程等。
这要求设计人员具备丰富的地震动力学知识和经验。
此外，为了提高结构的抗震性能，还可以采取一系列增强措施。
例如，增设剪力墙、加固节点、采用基础隔震或减震装置等。
这些措施的选择和设计应考虑结构的特点和设计要求，并进行合理计算和施工。
层间隔震技术评述
层间隔震技术利用的是地震波在不同介质之间传播时产生的反射和透射现象。 当地震波通过隔震层时，由于材料的阻尼和弹性性质，地震波的能量得到消耗和 减弱，从而减小了对上部结构的影响。此外，隔震层的水平刚度较低，可有效降 低结构在地震作用下的位移和加速度，提高结构的抗震性能。
在实际应用中，层间隔震技术具有以下优点和不足。优点方面，首先，该技 术可显著提高结构的抗震性能，有效降低地震引起的结构破坏。其次，层间隔震 技术适用于各种类型的结构，如高层建筑、桥梁、厂房等，具有广泛的应用前景。
四、实践经验层间隔震体系在国 内外已有许多成功应用的案例
五、总结本次演示对层间隔震体 系的理论研究进行了详细探讨
参考内容二
引言
层间隔震体系是一种有效的地震工程策略，通过在建筑物楼层之间设置隔震 层来吸收和分散地震能量，从而降低地震对建筑结构的影响。这种体系的出现为 现代建筑地震安全性提供了新的可能性。本次演示将深入探讨层间隔震体系的减 震机理和减震性
综上所述本次演示对层间隔震技术的评述，可以得出以下结论。层间隔震技 术是一种有效的地震工程手段，可显著提高结构的抗震性能，降低地震引起的结 构破坏。然而，该技术在实际应用中也存在一些局限性，需要进一步研究和改进。
未来的研究方向和意义包括深入研究隔震材料和系统的可靠性问题开展更多 的实际工程应用研究。
能，旨在为相关领域的研究和应用提供有益的参考。
减震机理
层间隔震体系的减震机理主要依赖于隔震层的设置。隔震层通常由具有高阻 尼特性的材料构成，如橡胶、聚乙烯等高分子材料。当地震发生时，这些材料可 以有效地吸收和分散地震能量，减少地震对上部结构的影响。此外，合理的几何 形状和尺寸设计
以及上部结构的优化也是层间隔震体系减震性能的重要因素。
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隔震结构的基本原理及动力分析
摘要：本文根据现行的《建筑抗震设计规范》，介绍了隔震结构的基本原理、实用范围和设计与分析方法，并通过一隔震结构的设计实例说明隔着结构的优越性。
关键词：基础隔震；地震响应；时程分析法；
引言
目前，我国和世界各国普遍采用的传统抗震方法是将建筑物设计为“延性结构”，通过适当控制调整结构物的自身刚度和强度，使结构构件(如梁、柱、墙、节点等)在强烈地震时进入非弹性状态后具有较大的延性，从而通过塑性变形消耗地震能量，减轻建筑物的地震反应，使整个结构“裂而不倒”，这就是“延性结构体系”[1~3]。
它的设防目标是“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”。
实践证明，这种方法对减轻地震灾害起到了积极作用，但是这种传统的结构抗震方法有其明显的不足，随着我国经济的高速发展，对建筑功能要求越来越高，结构的形式越来越多样化、复杂化，很多重要的建筑（电力、通讯中心、核电站、纪念性的建筑、海洋平台等）结构及内部设备的破化将造成巨大的经济损失。
对这类建筑的抗震性能提出更高的要求——结构不允许进入塑性工作阶段，因此采用传统抗震方法很难满足此类建筑抗震要求。
面对新的社会要求，各国地震工程专家一直寻求新的结构抗震设计途径，以隔震为代表的“结构振动控制技术”便是这种努力的结果[4~6]。
1、隔震结构的基本原理
结构隔震体系是指在建筑物上部结构的底部与基础面之间设置某种隔震装置，使之与固结于地基中的基础地面分离开来的一种结构体系[6]。
隔震结构的基本原理可以用图1进一步阐明。
图中三条曲线表示不同的阻尼大小，为普通中低层建筑的自振周期，为隔震层建筑的自振周期。
（a）加速度反应谱（b）位移反应谱
图1隔震原理
从图中可以看出，结构自振周期延长，结构的地震加速度反应减小，地震位移反应增大；结构阻尼增大，结构的地震加速度反应和位移反应均减小。
隔震系统的水平刚度远远低于上部结构的抗侧刚度，因此，结构的自振周期大大延长，
避开地震动的卓越周期，使结构的地震加速度反应大大减小，变形主要集中消耗在隔震层，输入到结构的地震能量主要被隔震层消耗，而上部结构相对变形非常小。
同时，加大隔震层的阻尼，消耗地震输入能量，能够很好的抑制隔震层位移和减小上部结构的加速度。
从减震效果考虑，适合采用隔震体系的建筑最好满足以下条件：
（1）体型基本规则的低层和多层，高度不超过40m，以剪切变形为主的建筑结构。
根据日、美等国的经验，不隔震时基本周期小于1.0秒的结构，减震效果最佳。
（2）坚硬的场地适合于隔震建筑。
我国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的反应谱特征周期均较小，这样可避开隔震后的结构周期，避免场地土与建筑物之间发生共振，故可建造隔震建筑。
（3）要求风荷载和其它非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%，有利于隔震结构具有可靠的抗倾覆能力。
2、设计与分析方法
我国现行隔震设计规范规定，对结构的地震响应分析主要采用时程分析法。
为了和传统的抗震设计衔接起来，使隔震结构的设计能够被广大的工程结构设计人员方便地掌握和使用，引入了分部设计法和水平向减震系数两个重要的概念。
（1）分部设计法是将整个隔震结构体系分成：上部结构(隔震层以上结构)、隔震层、下部结构（隔震层以下结构）和基础四部分，分别进行设计。
（2）水平向减震系数概念，是在设防烈度多遇地震下，结构隔震与非隔震时，各层层间剪力比的最大值。
而在实际隔震结构设计中，为了提高隔震结构的抗震设防目标，水平向减震系数取层间剪力比最大值的1/0.7倍。
水平向减震系数代表了隔震设计的减震效果。
3、计算算例
采用意实际工程算例说明隔震结构的优越性，选用四个实际的地震波，分别是EL-Centro波、Taft波，加速度峰值小震下调幅至0.7m/s2，相当于8度区（0.2g）设防烈度。
其动力参数见下表1所示：
表1非比例阻尼隔震结构的参数
表2输入EL-Centro波，上部结构的最大层间位移和剪力
表3输入Taft波，上部结构的最大层间位移和剪力
由表2和表3中的数据可以看出，隔震建筑与非隔震建筑相比较，结构的层间位移和剪力均大幅减小，使得结构具有更大的安全度。
4 结论
通过上述理论和算例分析可知，与传统的抗震结构相比，隔震结构具有如下优点：
从抗震概念上讲，传统的抗震体系采用“硬抗”的旧概念，即加强结构自身的刚度和强度来“抵抗”地震作用；而隔震体系应用了“以柔克刚”的新概念，即调整整个结构的动力特性（主要是刚度和阻尼）来减少、消耗地震输入的能量。
因此，隔震结构明显有效的减轻了结构的地震反应，提高了整个结构的安全度。
结构的地震反应明显减小，使得上部结构的建筑设计更加自由、灵活，增大建筑设计自由度，例如：在高烈度区，可采用大开间单元建筑、不规则建筑结构物。
地震中，隔震建筑的主要变形集中在隔震层，整个上部结构“基本”平动，层间水平位移很小。
因此防止了建筑物内部设备、家具等物品的振动、倾倒和非结构构建的损坏，大大减轻了地震中次生灾害的发生。
参考文献
[1] GB50011—2001,建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2001
[2] 李杰,李国强编著. 地震工程学导论[M].北京: 地震工程出版社, 1992
[3] 周锡元,俞瑞芳.建筑结构抗震设计方法的新进展[J]．建筑结构, 2006, 36(1): 25 —33
[4] 唐家祥,刘再华.建筑结构基础隔震.武汉:华中理工大学出版社,1993.
[5] 日本免震构造协会编，叶列平译. 图解隔震结构入门. 北京：科学出版社, 1998.
[6] 周福霖. 工程结构减震控制[M]. 北京: 地震出版社, 1997.。