隔震和耗能减震房屋设计共80页文档
隔震与耗能减震房屋设计培训教材(ppt 48页)
武汉理工大学出版社
9.隔震与耗能减震房屋设计
9.1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。
世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。
9.2.3 隔震系统的应用
• 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%。
9.1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（如耗能支撑、耗能
剪力墙、耗能节点、耗能器等）、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
9.1概述
② 结构自控(耗能减震）：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震的目 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、 底层设耗能缝的砖混结构。
9.1概述
震作用，适用范围较广，结构类型和高度均不受 限制； 2. 耗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. 由于耗能减震结构不改变结构的基本型式，除耗 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。
浅述建筑结构减震与消能减震设计word版
浅述建筑结构隔震与消能减震设计崔XX XX理工大学XX学院XX学员大队江苏XX 02XXXX内容摘要摘要：本文对建筑结构“隔震”与“消能减震”设计的基本原理及其特点进行简要的介绍和说明，并对结构抗震设计、隔震设计和消能减震设计进行分析和对比，供初学者参考。
主题词：抗震设计隔震设计消能减震设计1 引言地震是一种突发性的破坏性极强的自然灾害，罕遇的大地震会给建筑物及构筑物造成极大的破坏，造成极大的人员伤亡和经济财产损失。
回顾21世纪发生的几次大地震如尼泊尔大地震，汶川大地震，智利地震等无一不对人们和社会造成不可估量的破坏和损失。
当前的科技水平尚无法预测地震的到来，未来相当长的一段时间内，地震也是无法预测的。
而且即使做到了震前预报，如果工程设施的抗震性能薄弱，也难以避免经济损失。
地震时不可控的，但工程结构是可控的，因此，实施有效的抗震设防是当前防震抗灾的关键性工作，而隔震和消能减震技术在建筑结构中应得到广泛应用。
传统的建筑结构抗震设计是依靠增加结构的强度、刚度和延性来增加结构各构件的承载力和变形能力来抵御地震作用，，来实现“大震不倒，中震可修，小震不坏”的防御目标，立足于“抗”，是一种消极的设计方法。
随着科技水平的发展和传统抗震结构在地震中的表现，传统建筑结构抗震设计暴露出很多问题，不能满足现代建筑在抗震设防方面的需求。
所以抗震减灾事业的发展，不能局限于传统的建筑结构抗震设计，更应该搭上科技创新的这辆快车，用新技术来提高和改善建筑物的抗震性能。
在建筑物中设置隔震层和消能减震装置来减轻地震的破坏这种新型结构体系就是其中之一。
本文就这一新结构体系做一简要阐述。
2 “隔震设计”与“消能减震设计”的基本设计原理2.1 隔震设计“隔震”即隔离地震，分为基础隔震和层间隔震。
在建筑物适当部位设置隔离装置，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，达到预期的防震要求。
建筑隔震与消能减震设计
消能减震" 是在建筑物的抗侧力结构 中设置消 能器 , 消 耗部分地震能量 , 降 低结 构的地 震作 用 , 达到 预期设 防目 标 的房屋减震设计 。
[ 收稿日期] 2001 -12 -01 [ 作者简介] 唐家祥 , ( 1938 ) , 男 , 教授
22
建筑科学
第 18 卷
安全 度 , 但建设投资 常有 增加 , 现 阶段尚 不易 为一般 消费 者 所接受 。 2. 3 设计方案 隔震与消能减震设计" 系第一次纳入 我国« 建筑抗震 设 计规范», 为积极 、稳妥起见 , 做好设计方 案的技术 、经济比 较 是必要的 。 2. 4 隔震与消能部件 隔震和 消能减 震部件 的设计参 数和耐 久性应 由试验 确 定并在设计文件上注明 ; 施工安装前 应对工程 中所用各种 类 型和规格的隔 震 、消 能减 震原 型部件 进行 抽样检 测 , 每种 类 型和每一规格的数量不应少于 3 个 , 抽样检测 的合格率应 为 100 %。 消能部件应对结构提供足够的附加 阻尼 , 尚应根据其 结 构类型分别符合« 规范» 相应章节的要求 。 图 1 国外 18 个隔震工程有效性分析 不隔震结构基本周 期的 估计 : 普通 砌体 房屋 可取 T 1 = 0. 4s , 钢筋 混凝土框 架取 T 1 = 0. 075 H
表l隔震房屋和抗震房屋设计理念比较项目抗震房屋隔震房屋削弱上部结构与基础的结构体系上部结构和基础牢牢连接有关连接隔离地震能量向建筑物科学思想提高结构自身的抗震能力输入方法措施强化结构刚度和延性滤波消能减震是在建筑物的抗侧力结构中设置消能器消耗部分地震能量降低结构的地震作用达到预期设防目标的房屋减震设计
项 目 结构体系 科学思想 方法措施 抗震房屋 上部结构和基础牢牢连接 提高结构自身的抗震能力 强化结构刚度和延性 隔震房屋 削弱上部结构与基础的 有关连接 隔离地震能量向建筑物 输入 滤 波
结构隔震消能减震设计
结构隔震消能减震设计结构隔震和消能减震设计是地震工程领域中的重要技术，其目的是通过特殊的结构和材料设计，减少地震对建筑物及其内部设备的破坏。
一、结构隔震设计结构隔震是一种将结构物与土壤或地基隔开的设计方法，通过降低结构物受地震力的传递，减少地震对结构物的影响。
结构隔震设计一般包括以下几个方面：1.隔震系统选择：结构隔震系统通常包括隔震支座、隔震层和支撑系统。
常见的隔震支座有橡胶隔震支座、钢球隔震支座等。
不同类型的隔震支座具有不同的性能和适用范围，需要根据实际情况选择。
2.隔震层布置：隔震层一般位于地面以上，可以用于减震和减少地震波对建筑物的传递。
隔震层的布置要考虑结构的刚度、强度、稳定性等因素，以及地震的频率和能量。
3.支撑系统设计：支撑系统是隔震层与结构之间的连接，要具有良好的刚度和耐力，以保证隔震系统正常工作。
4.结构模型分析：隔震设计需要进行结构模型分析，考虑地震力、地震波特性、结构响应等因素，通过计算分析得出隔震设计的参数和指标。
隔震设计的优点在于能大幅度减少地震对结构物的破坏，提高结构物的抗震性能和安全性。
然而，隔震设计也存在一些挑战，如隔震支座的设计和施工比较复杂，造价较高等问题。
消能减震设计是通过在结构中引入特殊的减震装置，通过消耗、分散地震能量，减小地震对建筑物的影响。
消能减震设计一般包括以下几个方面：1.减震器选择：减震器是消能减震设计的核心装置，根据荷载类型和地震响应要求，可以选择液压减震器、摩擦式减震器、摇摆巨型减震器等减震器。
不同类型的减震器各有优劣，需要根据具体工程的特点和要求选择合适的减震器。
2.减震器布置：减震器的布置是消能减震设计中的关键环节，需要考虑结构的刚度、强度、减振效果等因素，合理地布置减震器，以达到最佳减震效果。
3.减震装置与结构连接：减震装置与结构的连接需要具有适当的刚度和耐力，以保证减震器的正常工作。
连接部位的设计和施工要符合相关的规范和标准，确保结构的安全性。
隔震与消能减震设计简介
抗震结构 隔震结构 消能减震结构 一.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用， 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。 吸收地震能量。 立足于“抗”。 立足于“ 二.隔震结构 在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层， 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。 震能量向上传递。 立足于“ 立足于“隔”。
柔性层隔震结构( first柔性层隔震结构(Flexible first-story building) 柔性层结构隔震概念由Martel在1929年提出，由Green(1935年)和 Jacobasen(1938年)进一步加以研究与完善；下图是真岛健三郎于1934年的 柔性层结构。地震时，柔性层进入塑性，结构的刚度变小，结构的基本周 期延长，从而导致上部结构所受的地震作用减小。
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）
中南加州大学医院 地下一层，地上7 地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；占地：4100平米； 建筑面积：33000平方米；占地：4100平米； 平方米 平米 最高高度：36。0m；铅芯多层橡胶隔震器68 68Байду номын сангаас 多层橡胶隔震器81 81个 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。
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： 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： 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； (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； 隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下， (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， 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； 刚度较小，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，满足正常的使用要求。 (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。 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， (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。 而降低上部结构所吸收的地震能量。
新《减震抗震设计规范》中的隔震与消能减震资料
新《减震抗震设计规范》中的隔震与消能减震资料3、隔震和消能减震设计的主要优点隔震体系能够减小结构的水平地震作用，已被理论和国外强震记录所证实。
国内外的大量试验和工程经验表明：“隔震”一般可使结构的水平地震作用降低60％左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施、人员在地震时的安全性，增加震后建筑物继续使用的能力。
采用消能方案可以减少结构在风作用下的位移已是公认的事实，对减少结构水平和竖向地震反应也是有效的。
4、隔震和消能减震设计的适用范围1)、隔震设计的适用范围规范12.1.3条对隔震结构提出了一些使用要求。
根据研究：隔震结构主要用于体型基本规则的低层和多层建筑结构。
日本和美国的经验表明，不隔震时基本周期小于1.0秒的建筑结构减震效果与经济性均最好，对于高层建筑效果较差。
国外对隔震建筑工程的较多考察资料表明：硬土场地较适合于隔震建筑；软弱场地滤掉了地震波的中高频分量，延长结构的周期有可能增大而不是减小其地震反应。
墨西哥地震就是一个典型的例子。
日本“隔震结构设计技术标准”（草案）规定，隔震建筑适用于一、二类场地。
我国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的反应谱周期均较小，故都可建造隔震建筑。
隔震设计中对风荷载和其他非地震作用的水平荷载给予一些限制（规范12.1.3条3款）是为了保证隔震结构具有可靠的抗倾覆能力。
就使用功能而论，隔震结构可用于：医院、银行、保险、通讯、警察、消防、电力等重要建筑；首脑机关、指挥中心以及放置贵重设备、物品的房屋；图书馆和纪念性建筑；一般工业与民用建筑；建筑物的抗震加固。
2)、消能设计的适用范围消能部件的置入，不改变主体承载结构的体系，又可减少结构的水平和竖向地震作用，不受结构类型和高度的限制，在新建和建筑抗震加固中均可采用。
二、隔震与消能减震设计要求1、设计方案建筑结构的隔震和消能减震设计，应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，与建筑抗震设计的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析后，确定其设计方案。
隔震和消能减震设计
隔震和消能减震设计12.1一般规定12.1.1本章适用于在建筑上部结构与基础之间设置隔震层以隔离地震能量的房屋隔震设计，以及在抗侧力结构中设置消能器吸收与消耗地震能量的房屋消能减震设计。
采用隔震和消能减震设计的建筑结构，应符合本规范第3.8.1条的规定，其抗震设防目标应符合本规范第3.8.2条的规定。
注：1本章隔震设计指在房屋底部设置的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,达到预期防震要求。
2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,达到预期防震要求。
12.1.2建筑结构的隔震设计和消能减震设计，应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求,与采用抗震设计的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析，后确定其设计方案。
12.1.33需要减少地震作用的多层砌体和钢筋混凝土框架等结构类型的房屋，采用隔震设计时应符合下列各项要求：1结构体型基本规则,不隔震时可在两个主轴方向分别采用本规范第5.1.2条规定的底部剪力法进行计算且结构基本周期小于1.0s；体型复杂结构采用隔震设计，宜通过模型试验后确定。
2建筑场地宜为I、II、In类，并应选用稳定性较好的基础类型。
3风荷载和其他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%o4隔震层应提供必要的竖向承载力、侧向刚度和阻尼；穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有效措施适应隔震层的罕遇地震水平位移。
12.1.4需要减少地震水平位移的钢和钢筋混凝土等结构类型的房屋宜采用消能减震设计。
消能部件应对结构提供足够的附加阻尼尚应根据其结构类型分别符合本规范相应章节的设计要求。
12.1.55隔震和消能减震设计时，隔震部件和消能减震部件应符合下列要求：1隔震部件和消能减震部件的耐久性和设计参数应由试验确定。
隔震与消能减震设计
的具体规定，其变形特征接近剪切变形，最大高度应满足《抗震规范》 非隔震结构的要求;高宽比大于4或非隔震结构相关规定的结构采用隔 震设计时，应进行专门研究。 • (2)建筑场地宜为I、II、IQ类，并应选用稳定性较好的基础类型。
• 最后，需要说明的是:在我国目前的建设中，隔震、消能减震技术 的主要使用范围是可增加投资来提高抗震安全的建筑，除了重要机关、 医院等地震时不能中断使用的建筑外，一般建筑经方案论证后也可使 用，即可用于投资方愿意通过投资来提高安全要求的建筑。
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第二节隔震与消能减震建筑结构设计的 一般规定
• 建筑结构隔震设计和消能减震设计确定设计方案时，除应符合现行 《抗震规范》对一般建筑物抗震设防要求的规定外，尚应与采用抗震 设计的方案进行对比分析。
• 消能减震是通过在结构物某些部位(如支撑、剪力墙、节点、连接缝 或连接件、主附结构件等)设置消能部件(由消能器、连接支撑等组成)， 通过消能装置产生摩擦弯曲(或剪切、扭转)等变形，来消散或吸收地 震输入结构中的能量，以消耗输入到上部结构的地震能量、减小主体 结构的地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到预期的防震要 求，工作原理如图9-5所示。图9-6为某些工程中应用的消能减震装置。
第三节隔震房屋设计要点
• ③橡胶隔震支座在重力荷载代表值作用下的竖向压应力，不应超过 表9-1的规定。
• (4)隔震层的布置、竖向承载力、侧向刚度和阻尼，应符合下列规定: • ①隔震层宜设置在结构的底部或下部，其橡胶隔震支座应设置在受
力较大的位置，间距不宜过大，其规格、数量和分布应根据竖向承载 力、侧向刚度和阻尼的要求，通过计算确定。隔震层在罕遇地震下应 保持稳定，不宜出现不可恢复的变形;其橡胶支座在罕遇地震的 • 水平和竖向地震同时作用下，拉应力不应大于1 MPa • ②隔震层的水平动刚度和等效茹滞阻尼比，可按下列公式确定:
建筑结构隔震与减震设计
联合设计的应用实例
应用实例
国内外众多高层建筑、桥梁、隧道等 工程都采用了隔震与减震联合设计技 术，如日本新宿的高层建筑、中国汶 川地震后的重建工程等。
应用效果
经过联合设计的建筑结构在地震作用 下的响应明显降低，结构安全性得到 显著提高，同时满足功能性和经济性 的要求。
05
新型建筑结构隔震与减震 技术的研究与开发
性能指标
包括地震烈度、加速度、位移等参数，以及结构的安全性、稳定性、舒适性等要求。
设计方法
基于性能指标进行结构设计，包括选用适合的减震材料和结构形式，优化结构布局和细部构造等。
减震结构的应用实例
01
02
03
实例1
某高层商业建筑采用橡胶 隔震支座，有效降低了地 震引起的晃动，保障了建 筑安全。
实例2
02
建筑结构的隔震与减震设计是减轻地震灾害的有效手
段之一。
03
研究建筑结构的隔震与减震设计对于保障人民生命财
产安全、减轻地震灾害具有重要意义。
研究现状与发展趋势
01
目前，国际和国内对于建筑结 构的隔震与减震设计已经进行 了大量的研究和实践。
02
现有的研究主要集中在隔震装 置和减震技术的应用、性能化 设计和评估方法等方面。
隔震装置的分类
根据隔震装置的性能和用途，隔震设计可分为积极隔震和消极隔震。积极隔震是通过增加隔震装置的阻尼和刚度 等参数来主动减小地震对上部结构的影响；消极隔震则是通过增加隔震装置的变形能力和耗能能力来减小上部结 构的加速度反应。
隔震结构的性能指标与设计方法
要点一
性能指标
要点二
设计方法
隔震结构的性能指标主要包括地震作用下的位移、速度和 加速度反应，以及上部结构的内力和变形等。在设计中需 综合考虑这些指标，以达到在地震作用下上部结构的安全 性和正常使用性。
建筑结构基础隔震设计和消能减震设计
S2值越大，其受压稳定性越好，受压失稳临界荷载就越 大。但是，S2越大，橡胶垫的水平刚度也越大，水平极限变 形能力将越小。 一般取 S2=3~6。
16
4.2
建筑结构消能减震设计
(四)夹层橡胶垫的轴压承载力
1.定义及应用意义
指橡胶垫在无任何水平变位时的竖向承载力，它 是确保
橡胶垫在无地震时正常使用的指标，也是直接影响橡胶垫在地
3.设计取值
设计容许拉伸应力 n 2Mpa 极限拉伸应力 n 5Mpa 20
4.2
建筑结构消能减震设计
(七)夹层橡胶垫水平刚度 1.定义及应用意义
指橡胶垫上下板面产生单位相对位移所需施加的水平力 。
Kh=Q/D
D—上下板面水平相对位移（mm）； Q—夹层橡胶垫承受的水平剪力（N）。
选择合适的水平刚度意义：
环境温度
夹层橡胶垫阻尼比随环境温度的升高而降低。
26
4.2
建筑结构消能减震设计
4.阻尼比的试验测定和计算
作为提供实际工程应用的夹层橡胶垫，其阻尼值必须通过对实际 采用的橡胶产品的足尺试验进行测定计算求得。
通过夹层橡胶垫的水平剪切试验，直接测绘出在设计竖向恒载下，
水平剪切应变=100%时的水平剪切力Q与水平相对位移D的Q-D
29
4.2
4
4.2
建筑结构消能减震设计
（三）隔震体系的优越性及应用 1.优越性 明显有效地减轻结构的地震反应 确保结构安全 降低房屋造价 抗震措施简单明了 震后无需修复 上部结构的建筑设计限制较小
5
4.2
建筑结构消能减震设计
南加州大学医院（隔震结构），8层。
南加州大学医院地震记录 基础加速度为 0.49g，而顶层加速度只有0.21g。