结构减、隔震原理和主要产品的认识与理解.ppt

学生：St思达专业：建筑与土木工程,结构减、隔震原理和主要产品的认识和理解,目录,3.基础隔震技术,4.消能阻尼器,1.工程抗震基本知识,2.结构隔震和减震,5.认识和总结,1.工程抗震基本知识,1.工程抗震基本知识,地震：又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成的震动，期间会产生地震波的一种自然现象。,震级和烈度的区别：震级：表示地震本身大小的一种度量，是以地震仪测定的每次地震活动释放的能量多少来确定的。烈度：地震发生时，在波及范围内一定地点地面振动的激烈程度（影响和破坏程度）。,1.1地震,1.工程抗震基本知识,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。,1.1地震,1.工程抗震基本知识,1.2地震动三要素,最大振幅,定量放映,地震动的强度特性,频谱,持时,揭示,考察,地震动的周期分布特征,地震动循环作用程度的强弱,1.3地震破坏作用分类,地表破坏,建筑物破坏,次生破坏,地表破坏：,静力破坏：建筑物的破坏因地表破坏引起,建筑物破坏由于地震地面运动的动力作用引起,1.工程抗震基本知识,1.4抗震设计理论,抗震设计理论是通过适当的设计，使建筑物结构形成延性结构体系。这种“延性结构”体系，是指通过适当设计建筑结构，控制结构体系的刚度，在小震下结构具有足够的强度承受地震作用，当大震时部分结构构件进入塑性状态，但不发生倒塌，以消耗地震能量，减轻地震反应。这一抗震设计目标具体简化为“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”的三水准两阶段设计思想。这种设计思想抵御地震作用立足于“抗”，即是依靠建筑物本身的结构构件的强度和塑性变形能力，来抵抗地震作用和吸收地震能量。,1.工程抗震基本知识,1.4抗震设计理论,这种传统的方法在很多情况下是有效的，但仍存在很多问题难以解决。比如如下方面：安全性：突发超过设防烈度的地震、随机性适用性：不容许在地震中破坏的结构、贵重装饰经济性：断面配筋大，造价高建筑技术发展新要求：轻材质、小截面构件,在此中情况下，结构减震、隔震技术运用而生。,2.工程隔震和减震,2.1工程隔震,建筑隔震体系的提出：随着社会经济的发展，一方面建筑结构内部的设备、装修等日趋复杂和昂贵，很多重要建筑不允许结构构件在地震作用下进入塑性工作阶段，对结构的抗震性能提出更高的要求；另一方面，建筑结构体系越来越复杂，对使用功能的要求也越来越高。依靠传统的结构构件发生塑性变形来消耗地震能量保证结构大震的安全延性结构体系，已不能满足实际需要。为解决这一矛盾，隔震结构体系逐渐发展起来。,2.工程隔震和减震,2.1工程隔震,隔震：是指在建筑中设置柔性隔震层，地震产生的能量在向上部结构体系传递的过程中，大部分被柔性隔震层所吸收，仅有少部分传递到上部结构，从而降低上部结构的地震作用，提高其安全性。,2.工程隔震和减震,2.1工程隔震,隔震体系组成：基础隔震结构体系通过在建筑物的基础和上部结构之间设置隔震层，将建筑结构分为上部结构、隔震层和下部结构三部分。隔震层通常由隔震支座和阻尼器组成。,2.工程隔震和减震,2.2隔震技术原理,2.工程隔震和减震,我国结构设计用的规范反应谱,2.2隔震技术原理,2.工程隔震和减震,2.2隔震技术原理,2.工程隔震和减震,该图为有效隔震，结构自震周期大于场地特征周期，结构所受地震力有所下降。,2.2隔震技术原理,2.工程隔震和减震,该图为无效隔震，这种情况在场地特征周期Tg比较长的软土场地（比如长三角、珠三角地区）上比较容易出现。,2.3建筑隔震的分类,(1)按隔震层的位置划分：基础隔震层间隔震大跨空间屋架或网架支座隔震房屋内部局部隔震,2.工程隔震和减震,2.3建筑隔震的分类,(2)隔震技术类型分类：叠层橡胶支座隔震技术摩擦滑移隔震技术滚动隔震技术碟形弹簧竖向隔震技术复合隔震技术,2.工程隔震和减震,叠层橡胶支座隔震技术,2.工程隔震和减震,叠层橡胶支座隔震技术,叠层橡胶支座由夹层薄钢板（内部钢板）和薄层橡胶片交替叠层而成。每层橡胶片越薄，钢板的相对约束能力越大，因此压缩变形也越小。而在叠层橡胶支座剪切变形时，钢板不会约束剪切变形，橡胶片可以发挥自身柔软的水平特性，从而通过自身较大的水平变形隔断地震作用。叠层橡胶隔震支座隔震是目前技术成熟、应用较多的一种隔震类型。,2.工程隔震和减震,摩擦滑移隔震技术,2.工程隔震和减震,摩擦滑移隔震技术,摩擦滑移隔震技术是开发最早的隔震措施之一，基本原理是把建筑物上部结构做成一个整体，在上部结构和建筑物基础之间设置一个滑移面，允许建筑物在发生地震时相对于基础做整体水平滑动。该技术具有简单易行、造价低廉、几乎不会出现共振现象等优点。摩擦滑移隔震结构的隔震层通常由摩擦滑移机构和阻尼向心机构组成，摩擦滑移机构起隔离地震作用，阻尼向心起限位复位作用。,2.工程隔震和减震,滚动隔震技术,2.工程隔震和减震,滚动隔震技术,滚动隔震是在基础与上层结构之间铺设一层用高强合金制成的滑动性能好的滚球或滚轴，从而隔离地震的水平作用。滚动隔震装置包括：双向滚轴加复位消能装置、滚球加复位消能装置、滚球带凹形复位板、碟形和圆锥形支座等几种形式。研究表明，设计合理的滚动支座具有良好的稳定性、限位复位功能和显著的隔震效果。,2.工程隔震和减震,碟形弹簧竖向隔震技术,2.工程隔震和减震,碟形弹簧在荷载作用方向上尺寸较小，且能在很小变形时承受很大荷载，轴向空间紧凑，单位体积材料的变形能较大，具有较好的缓冲吸振能力，特别是在采用叠合弹簧组时，由于表面摩擦阻尼作用，吸收冲击和消散能量的作用更显著。研究表明，利用碟形弹簧竖向隔震装置进行竖向减震以后，结构的各层最大位移比未经隔震以前的建筑可以降低40%左右，具有较好的竖向隔震效果。,2.工程隔震和减震,碟形弹簧竖向隔震技术,复合隔震技术,应用各种不同隔震技术所具有的各自不同的特点，在同一隔震结构中把不同的隔震装置以并联或串联的方式组合起来使用，并进行优化，则可兼收各技术的优点，这就是复合隔震技术。由于地震的不确定性，具有三维地震分量的三维基础隔震是非常有必要的，常见三位复合隔震装置有：液压装置和橡胶支座组合的三维隔震系统；叠层橡胶碟簧三维隔震支座；摩擦弹簧三维复合隔震支座。,2.工程隔震和减震,2.工程减震、隔震,2.4建筑隔震体系的优点,明显有效地减轻结构的地震反应由地震模拟试验结果可知：隔震体系的结构加速度反应只相当于传统结构加速度反应的1/31/10。这种减震效果是一般传统抗震结构所望尘莫及的。从而能非常有效地保护结构物或内部设备在强地震冲击下免遭任何毁坏。确保安全在地面剧烈震动时，上部结构仍能处于正常的弹性工作状态。这既适用于一般民用建筑结构，确保居民在强地震中的绝对安全，也适用于某些重要结构物和重要设备。,2.工程减震、隔震,2.4建筑隔震体系的优点,减低房屋造价据有关数据显示：采用隔震技术建造的房屋比传统抗震房屋节省房屋土建造价：7度区节省3%-6%，8度区节省8%14%，9度区节省15%20%。并且安全度大大提高。抗震措施简单明了抗震涉及的对象从考虑整个结构物的复杂的不明确的抗震措施转变为只考虑隔震装置，简单明了。结构物本身与一般非地震区的做法无疑，设计施工大大简化。,2.工程减震、隔震,2.4建筑隔震体系的优点,震后修复方便地震后，只对隔震装置进行必要的检查更换。而无需考虑建筑结构物本身的修复，地震后可很快恢复正常生活或生产，这带来极明显的社会效益和经济效益。,2.工程隔震和减震,2.5消能减震,减震：是通过采用一定的耗能装置或附加子结构，吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动。减震立足于“消能”。,结构消能减震体系，就是把结构的某些非承重构件（如支撑、剪力墙、连接件等）设计成消能杆件，或在结构的某部位（层间空间、节点、连接缝等）设置消能装置。在风或小震时，这些消能构件或消能装置具有足够的初始刚度，处于弹性阶段；在中、大震时，消能构件或消能装置率先进入非弹性阶段，产生较大阻尼，消耗输入结构的地震能量。,2.工程隔震和减震,2.6消能减震的优点,消能减震结构体系与传统抗震结构体系相比：（1）安全性振动台实验表明，地震反应比传统结构降低40%60%。（2）经济性可减少剪力墙的设置，减少结构断面和配筋，可节约造价5%10%。（3）技术合理性结构越高，越柔，消能减振效果越显著。,2.工程隔震和减震,2.7消能减震适用范围,消能器属于非承重构件，其功能仅在结构变形过程中发挥耗能作用，一般情况下不承担结构竖向荷载作用，即增设消能器不改变主体结构的竖向受力体系，故消能减震技术不受结构类型、形状、层数、高度等条件的限制。一般来说，结构越高、越柔、跨度越大、变形越显著，消能减震效果越明显。故多用于下述结构：高层建筑，超高层建筑；高柔结构，高耸塔架；大跨度桥梁；柔性管道、管线；旧有高柔性建筑或结构物的抗震性能改善提高。,3.基础隔震技术,3.1叠层橡胶隔震支座,3.基础隔震技术,3.1叠层橡胶隔震支座,叠层橡胶隔震支座以橡胶和薄钢板交互叠置而成。由于橡胶材料弹性模量很小，其泊松比接近于0.5,近似具有非压缩性，把橡胶制成薄层，以钢板来约束其压缩时产生的横向膨胀，则轴向变形很小，并且会产生很强的抗压能力。而由于钢板对于橡胶的水平向剪切变形没有约束，橡胶片可以发挥自身的柔软特性，隔断地震剪切波向上部结构的传递。目前叠层橡胶支座隔震系统已成为国际上隔震体系的主流。,3.基础隔震技术,3.2叠层橡胶隔震支座分类,按材料分类：（1）天然橡胶隔震支座：竖向支持能力，水平恢复能力。（2）铅芯橡胶隔震支座：具有竖向支持能力，水平恢复能力及阻尼，可单独使用。（3）高阻尼橡胶隔震支座：具有竖向支持能力，水平恢复能力及阻尼，但阻尼力略不足，和其它阻尼器配合使用。,3.基础隔震技术,（1）天然橡胶隔震支座工作原理：竖向刚度较大，竖向变形小；水平刚度较小，线性性能好。阻尼较小，耗能能力不强，一般需要与阻尼器联合使用。,3.2叠层橡胶隔震支座分类,3.基础隔震技术,（2）铅芯橡胶隔震支座工作原理：在普通叠层橡胶支座中插入铅芯，以改善橡胶支座阻尼性能，铅芯在多层橡胶支座剪切变形时，靠塑性变形吸收能量。地震后，铅芯又通过动态恢复与再结晶过程，以及橡胶的剪切拉力的作用，建筑物自动恢复原位。,3.2叠层橡胶隔震支座分类,3.基础隔震技术,（3）高阻尼橡胶隔震支座工作原理：在橡胶中加入黑炭，通过炭黑与橡胶分子链的游离基产生化学吸附与结合，形成炭黑橡胶凝胶结构来增加橡胶的阻尼，因而具有吸收和耗散振动能量的功能。,3.2叠层橡胶隔震支座分类,3.基础隔震技术,3.3叠层橡胶隔震支座主要构造,（1）钢板与薄橡胶层可靠黏结，确保钢板能对橡胶的膨胀变形进行有效约束，使橡胶具有较高的竖向受压承载力和一定的抗拉能力。（2）设置保护层，使橡胶垫具有更高的耐老化性能（耐高低温老化、耐臭氧老化）、耐水性、耐酸碱腐蚀性、耐火性能等。（3）设置连接板，使支座与上下结构（构件）可靠连结。,3.基础隔震技术,3.3叠层橡胶隔震支座主要构造,构造如下：由钢板和薄橡胶片交替叠放，上下设置连接板，用于连接上下结构，橡胶中心圆孔内设置铅芯，胶层外围有保护胶。,3.基础隔震技术,3.4隔震支座具备以下基本特征,（1）足够的竖向承载力（2）隔震特性（3）复位特性（4）阻尼消能特性（5）隔震结构体系能有效保护上部结构,3.基础隔震技术,3.5基础隔震体系适用范围,基础隔震体系目前多用于30层以下、高宽比较小(不大于4）、上部结构水平层刚度较大的规则建筑结构。,上部结构层数较多、高宽比较大、层间刚度较小，则上部结构须视为多质点体系，采用多质点模型，并需要考虑结构的倾覆、扭转等因素。,解释,3.基础隔震技术,3.6时代中历经检验的隔震技术,木建筑的斗拱是一种极优的消能节点，变形过程中通过相互摩擦，以此来耗散地震能量。比如，台北孔庙，建于1879年，经历多次强震完好无损。,3.基础隔震技术,3.6时代中历经检验的隔震技术,河北蓟县独乐寺，始建于唐代，乾隆年间重修，历经36次地震观音阁和山门保存完好。唐山大地震，观音阁保存完好。,3.基础隔震技术,柱基铰接，柱和基础之间有柱座（石或木），形成柔性铰接，隔震消能。,3.6时代中历经检验的隔震技术,故宫神武门和交泰殿，均为木结构，唐山大地震神武门柱檐位移仅4cm，交泰殿柱脚位移2cm，其它基本完好。,3.基础隔震技术,柱和基础滑移摩擦，隔震消能,3.6时代中历经检验的隔震技术,尽量选定坚实土地，将基底深挖并打入木桩，填入碎石灌上砂浆，铺设若干层的灰土；或将原来10cm至15cm厚的粘土层砸实干燥，再将一些排列着的绳子与土构成的土工合成材料置于其上，形成一个较厚的土台形成一层类似阻尼器的地基层来耗散地震震动能量。,3.基础隔震技术,3.6时代中历经检验的隔震技术,3.基础隔震技术,长周期柔性结构山西应县木塔，始建于后晋，为现存最早的我国木结构高层建筑。经历多次地震，其中7次较大地震，据史书记载：元顺帝280年，当地发生6.5级地震，周围全倒而独立。76年唐山地震，整体摇动为1分钟，而安然无损。,3.6时代中历经检验的隔震技术,3.基础隔震技术,山西应县木塔地基实测场地卓越周期0.3s左右，然而结构周期为1.56s，远大于场地的卓越周期，因此结构所受地震动力效果得到减弱。此外，由于整个结构为木结构，木结构连接处本身就可以通过摩擦来消能减震，这也成为该塔能够经历这么多地震而不倒的原因之一了。,3.7时代中历经检验的隔震技术,512汶川大地震中，武都邮政局家属楼使用隔震技术，内外均无损坏。,3.基础隔震技术,芦山地震中，芦山县人民医院采用橡胶隔震技术，在7级烈度区整体结构物任何损坏。,3.基础隔震技术,3.7时代中历经检验的隔震技术,4.消能阻尼器,4.消能阻尼器,在实践中最被肯定的三种产品：液体黏滞阻尼器所构成的耗能减振系统，结构基础隔振系统（特别是摩擦摆隔震系统），以及屈曲约束支撑系统。,三种成功产品,4.消能阻尼器,阻尼器是一种利用阻尼特性来减缓机械振动及消耗动能的装置。在结构体系中，阻尼器主要的消能减震产品，具有吸收传给建筑物的地震能量，抑制建筑物振幅的功能。,4.1阻尼器,4.消能阻尼器,耗能阻尼装置在主体结构进入耗能状态前率先进入耗能工作状态，耗散大量输入结构体系的地震、风振能量，则结构本身需消耗的能量很少，主体结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。,4.2工作原理,4.消能阻尼器,阻尼器种类繁多，我国将其分为位移相关型和速度相关型。（1）位移相关型阻尼器的耗能与其自身变形和相对滑动位移有关，常用的有金属阻尼器和摩擦阻尼器。（2）速度相关型阻尼器的阻尼特性与加载频率有关，常用的有黏滞阻尼器和粘弹性阻尼器。,4.3阻尼器的分类,4.4液体黏滞阻尼器,液体黏滞阻尼器，是一种看上去很像车辆减振器的活塞筒状装置，装置内设硅油，在活塞的往复运动中液体起黏滞作用，耗散地震能量，对结构起到减震控制作用。这种内置硅油的速度型阻尼器，性能相对可靠稳定，最使工程师们青睐的世界最好的是美国泰勒公司的液体黏滞阻尼器。,4.消能阻尼器,4.4.1液体黏滞阻尼器的三代产品,以弹性胶泥为介质的第一代产品弹性胶泥被压缩，将外动能转化为弹性势能，以此来缓冲、减振。由于胶泥受温度、时间影响性能变化很大，故淘汰。以机械阀门为基础的第二代产品通过流体的惯性力实现阻尼功效，以流量控制阀实现流体流量改变。因设计加工困难、耐久性问题，而被淘汰。射流孔控制阻尼参数的第三代产品在第二代产品上对流量控制阀进行改进，采用射流型方法实现流体流量改变，相比前两代，具有众多优势。,4.消能阻尼器,第三代产品的优势：在多遇地震、常遇以及罕遇地震均有减振功效，是既抗震又抗风、在出力范围内均能准确工作的产品。提出了阻尼器功率的要求，一定的功率是保证阻尼器在连续或接近连续工作下不破坏的必要条件。在超载测试下，该阻尼器内部各个部件受力均匀。有很好的耐久性，在多次反复的疲劳测试下，性能依旧稳定。寿命长，造价低,4.4.2射流孔控制阻尼参数的第三代产品,4.消能阻尼器,4.4.2射流孔控制阻尼参数的第三代产品,阻尼力循环时程曲线,4.消能阻尼器,20万次循环荷载,98万次循环荷载,2007年忠县长江大桥液体黏滞阻尼器因漏油等问题损坏,4.消能阻尼器,4.4.3液体黏滞阻尼器的漏油剖析,（1）液体黏滞阻尼器的漏油原因,高压密闭容器液体黏滞阻尼器需要一个足够抗压强度和抗变形能力的缸体，任何微小的变形都会引起密封处的漏油。密封装置阻尼器密封件是阻尼器发生漏油的最薄弱环节也是能否做到不漏油的关键环节。目前最理想的是金属密封阻尼器。,4.消能阻尼器,4.4.3液体黏滞阻尼器的漏油剖析,（1）液体黏滞阻尼器的漏油原因,内部零件加工水平高强不锈钢杆和阻尼器缸筒内孔均要求高精度的镜面抛光，这是阻尼器不漏雨的保证。阻尼器内摩擦和介质其他引起漏油的因素,4.消能阻尼器,4.4.3液体黏滞阻尼器的漏油剖析,（2）防止和减少漏油的办法,使用承受功率大的阻尼器缸体和高质硅油。改进密封装置材料的耐温性能，最好是采用金属密封材料。减少阻尼器的散热摩擦。加大阻尼器的散热能力。,4.消能阻尼器,4.4.3液体黏滞阻尼器的漏油剖析,4.5防屈曲约束支撑,防屈曲约束支撑（BRB)是一种在受拉和受压均能到达屈服而不发生屈曲失稳的轴向受力构件。一般地，防屈曲约束支撑由三部分组成，即核心单元（芯材）、约束单元及滑动机制单元,防屈曲约束支撑构成原理图,4.消能阻尼器,4.5防屈曲约束支撑,核心单元是构件中主要的受力元件，由特定强度的钢板制成。常见的截面形式为十字形、T形、双T形和一字形等，分别适用于不同的刚度要求和耗能需求。约束单元又称侧向支撑单元，负责提供约束机制，以防止核心单元受轴压时发生整体或余部屈曲。滑动机制单元是在核心单元与约束单元间提供滑动的界面。,不同类型防屈曲约束支撑截面,4.消能阻尼器,4.5.1防屈曲约束支撑工作原理,工作原理：防屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接，所受的荷载全部由芯板承担，外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲，使芯板在受拉和受压下均能进入屈服阶段，因而，防屈服约束支撑的滞回性能优良。防屈曲约束支撑一方面可以避免普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷，另一方面具有金属阻尼器的耗能能力，可以在结构中充当“保险丝”，使得主体结构基本处于弹性范围内。,4.消能阻尼器,4.5.2普通支撑和防屈曲约束支撑对比,（1）普通中心支撑特点：支撑受压屈曲，刚度迅速下降，承载力低，耗能受力差。（2）普通偏心支撑特点：有耗能梁段，耗能性能好，但支撑强度不能充分发挥，震后修复困难。（3）防屈曲约束支撑特点：支撑不会屈曲，只会屈服，通过支撑屈服耗能保护梁、柱构件不破坏，减小了大震下的变形，且因只发生支撑屈服，震后易于更换。,4.消能阻尼器,4.5.2普通支撑和防屈曲约束支撑对比,屈曲约束支撑与普通支撑滞回性能对比,4.消能阻尼器,4.5.3防屈曲约束支撑布置形式,4.消能阻尼器,屈曲约束支持应布置在能最大限度地发挥其耗能作用地部位，同时不影响建筑功能与布置，并满足结构整体受力地需要。屈曲约束支持可按照以下原则进行布置：（1）地震作用下产生较大支持内力地部位，一般为结构底部几层。（2）地震作用下层间位移较大的楼层。（3）宜自上而下连续布置。（4）宜沿结构两个主轴方向分别布置。（5)采用单斜撑或人字型支撑布置。,4.5.3防屈曲约束支撑常用形式,单斜撑和人字型支撑,防屈曲约束支撑常用形式：,4.消能阻尼器,4.5.4防屈曲约束支撑应用,防屈曲约束支撑获得成功的重要因素在于其不改变传统结构设计的基本思路便于被设计人员所接受。防屈曲约束支撑于上世纪末在美国、日本得到广泛的研究和应用，近年来，在我国已得到广泛关注，并部分用于实际工程中，如上海东方体育中心、上海世博中心、北京建筑大学图书馆等。,4.消能阻尼器,上海东方体育中心运用防屈曲约束支撑减震。,4.5.4防屈曲约束支撑应用,4.消能阻尼器,北京建筑大学运用防屈曲约束支撑减震,4.5.4防屈曲约束支撑应用,4.消能阻尼器,5.认识和总结,5.1世界隔震减震技术发展趋势,未来趋势：过去：抗震结构，成为主流结构，但有时也难以满足现在：隔震、消能减震结构，将逐步成为主流结构之一未来：智能控制结构（主动、半主动控制，智能材料等）已用于抗风，兼用于抗震，是未来方向。,5.认识和总结,5.2隔震技术未来发展方向,（1）基础隔震技术仍需不断发展、完善和优化，并向三维隔震系统研发。（2）其他各种隔震技术，如滑块隔震、滑层隔震、滚球隔震、柱顶摇摆隔震等，正在不断发展和完善，当其步入较为成熟阶段，将会得到广泛的应用和发展。（3）混合隔震技术（多种隔震技术的混合应用），可能成为今后隔震技术发展的新途径。（4）高新技术智能材料隔震装置的研制开发和成功应用，将会成为隔震技术发展史上新的里程碑。,5.认识和总结,5.3消能减震为何比隔震减震更常见,1、隔震装置集中设置在建筑物的某一层，因此建筑物的安全完全由这一层的装置来控制，风险非常集中；而消能减震装置布置在结构中，结构具备一定的冗余度作为储备。2、隔震建筑的使用具有一定的条件，并不是所有建筑都适用于隔震；例如高层以及软土地区并不推荐隔震，此类建筑和土地条件下，地震波的长周期成分影响较大，采用隔震带来的减小地震作用效应也不明显。3、隔震建筑需要处理较为复杂的管线、电梯、隔震沟等。,5.认识和总结,