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抗震期刊
天津大学
硕士学位论文
建筑隔震技术的发展及其在住宅建设中的应用
姓名:
李斌
申请学位级别:
硕士
专业:
化工过程机械
指导教师:
陈旭;陈雁
20080901中文摘要
近二十年来,隔震技术已在全球已由理论探讨进入实际的应用阶段,其中建
筑物的隔震设计及应用已成为建筑领域中最重要的应用。
进行隔震技术的应用研
究将对我国这个地震灾害严重的国家提供一个安全、经济并行之有效的抗震和隔
震手段。
本文的研究内容主要包括:
回顾和分析了国内外隔震技术研究的进展情况;
介绍了建筑结构基础隔震基本原理、隔震系统分类、隔震技术的应用等内容;对
被动控制中的隔震、消能减震和被动调谐减震等进行了论述;对叠层橡胶支座隔
震技术的优点、叠层橡胶支座隔震房屋的隔震设计要求及叠层橡胶支座隔震技术
在实际应用中应注意的有关问题结合乌鲁木齐石化公司实际应用情况进行了深
入的研究和探讨,经研究认为叠层橡胶垫基础隔震体系具有竖向承载力大、弹性
复位功能强、隔震器耐久性好、隔震效果明显、成本投入较低和适用性强等主要
性能优势。
关键词:
消能减震,基础隔震,叠层橡胶支座ABSTRACT
Inrecent20years.VibrationAbsorbersandIsolatorswerebeinginusefromatheory
t0beatechnicalpractice.Theuseinbuildingsbecamethemostimportantarea.In
researchoftheVibrationAbsorbersandIsolators,wemaygetawaywhichissafe,
cheapanduseful,especiallyinourcountrywithSOmanyearthquakes.
ThisarticleincludesthebackgroundofresearchinVibrationAbsorbersandIsolatorsat
homeandabroad,introductionofthebasictheoryandsystemclassanduseof
VibrationAbsorbersandIsolatorsinbuildingsandthedescriptionofthecontrolof
VibrationAbsorbersandIsolators.VibrationAbsorbersandIsolatorsiSoneofthe
directandusefulchoices.Thisarticleintroducestheevolutionapplicationofseismic-
isolationindomesticandabroad.Ithasdeeplyresearchedanddiscussedtheadvantage,
anti-seismicdesignrequirementsandconsiderationsinapplicationoftheseismic-
isolationinconjunctionwiththepracticeinUrumqiPetrochemicalCompany.The
researcheshasproventhatseismic-isolationsystembasehasmanyperformance
advantagessuchasthebiggerverticalcarryingcapacity,strongflexibilityreposition,
long-termwearresistance,obviousenergydissipationcontroleffect,lowcostand
wideapplicablerange.
KEYWORDS"Energydissipationcontrol,Baseisolation,Seismic—isolation独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的
研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表
或撰写过的研究成果,也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中
作了明确的说明并表示了谢意。
靴敝储獬:
红签字日期:
山口歹年j月二占日
学位论文版权使用授权书
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同意学校
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(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)
学位论文作者签名.彦天
签字日期:
)即’年≥月3厶日}
j月名日第一章文献综述
1.1地震及隔震
1.1.1地震
第一章文献综述
地震是一种自然现象,但它是一种突发式的能量很大的自然灾害,
按照地震的成因可以划分为三类,既构造地震、火山地震和陷落地震,其中破
坏性最大的是构造地震,它约占所有发生地震的99%。
地震引起的振动以弹性波的形式从断裂或产生错动的部位(又称为震源)
向地球的各个方向传播,这就是所谓的地震波,它包括通过地球本体的两种体
波以及只限于在地面附近传播的面波。
体波包含纵波与横波两种。
纵波是由震
源向外传播的压缩波(P波),质点的振动方向与波的传播(前进)方向一致,
一般表现出周期短,振幅小;横波是由震源向外传播的剪切波(S波),质点的
振动方向与波的传播(前进)方向垂直,一般表现出周期长,振幅较大。
纵波
的传播速度较快,因此通常也把纵波称为初波,把横波称为次波。
面波是体波
经地层界面多次反射所形成的次生波,它包含瑞雷波和乐甫波,瑞雷波在地面
上呈滚动形式,乐甫波在地面上呈蛇行运动形式。
一般认为地震动在地表面引
起的破坏主要是由S波的水平振动引起的。
地壳内产生断裂或产生错动的地方称为震源,震源对应于地面正上方的的
位置称为震中,震源至地面的距离称为震源深度。
通常把震源深度在60公里以
内的地震称为浅源地震,60.300公里的叫中源地震,大于300公里的叫深源地
震。
世界上绝大部分的地震是浅源地震,震源深度集中在5.20公里左右。
一般
来说,对于同样大小的地震,当震源深度较浅时波及范围较小而破坏程度较大,
当震源深度较大时波及范围较大而破坏程度相对较小。
震级就是地震的级别,是表示地震本身能量大小的尺度。
目前,国际上比
较常用的是里氏震级,其原始定义由里希特(Richter)在1935年给出,即地震
级别M为:
M=IgA
其中:
A是标准地震仪(指周期为O.8秒、阻尼系数为0.8、放大倍数为2800
倍的地震仪)在距震中100公里处记录的以微米为单位的最大水平方向的地面
动位移。
震级M与地震释放能量E(尔格)之间的关系如下:
lgE=l1.8+1.5M第一章文献综述
‘震级每差一级,地震所释放的能量将相差约32倍。
一次地震只有一个震级,然而同一次地震对不同地点的影响是不同的,为
了描述地震对地面及各类建、构筑物和设施影响的强弱程度,我们使用“烈度”
作为衡量标准,对于浅源地震,震级与震中烈度的对应关系大致如下表示。
表1-1震级与震中烈度的大致对应关系
Table1·1parallelismofearthquakeintensityandearthquakedegree
目前,我国采用的是划分为12个烈度的烈度表。
1.1.2地震破坏
地震破坏是由于地面的运动,使地面上原来处于静止的建筑物受到动力作
用而产生强迫振动,因而在结构中产生内力、变形和位移,从而造成建筑物的
损坏或破坏。
1.1.3地震活动及分布
从历史的记录可以看到,地震在地球上的分布是很不均匀的,大部分地震
集中在太平洋沿岸和欧亚大陆南端,前者称为环太平洋地震带,后者称为阿尔
卑斯地震带(或地中海地震带)。
我国地处两大地震带中间,历史上是一个多地
震国家。
其中我国台湾省大地震最多,新疆、西藏次之,西南、西北、华北和
东南沿海许多地区也是发生破坏性地震较多的地区。
据来自中国科学院数据中
心的数据显示,我国是世界上地震灾害最严重的国家之一,70%以上的国土都
是地震区。
同时我国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广。
据相关资料
介绍,我国未来50年除江南地区几个省外,均可能发生地震【1】,尤其是此次汶
川特大地震,给震区人民的生命和国民经济带来了巨大的损失。
所以,目前在
我国城市数量剧增的情况下,更显出防震减灾的重要性和紧迫性。
第一章文献综述
1.2传统抗震结构体系
1.2.1传统抗震结构
传统结构抗震结构主要包括:
a、框架结构
框架体系可将地震输入能量分散在结构的许多部位耗散掉,甚至可以控制
塑性铰出现的顺序与部位,延性对于建筑物在罕遇地震中保存下来固然很重要,
但这些预期的塑性铰区在中等程度的地震中也会产生,延性也同时应被看作是
一种“破坏”,后期修复费用也很高。
b、剪力墙结构
剪力墙结构体系具有抗侧刚度大,在水平地震作用下的侧移小,但总的水
平地震作用也大,常见的震害一般来说为墙面的斜向裂缝或是底部楼层的水平
施工缝发生水平错动,当底部屈服后,剪力墙的抗侧作用就很小,且剪力墙的
耗能也基本集中于底部塑性铰区域,上部墙体对抵御强震无显著作用。
而且剪
力墙要承担一定的竖向荷载,因此底部的破坏也十分难修复。
C、框架.剪力墙结构(框架一筒体结构)
从抗震概念设计来说,框架.剪力墙(框架一筒体结构)结构具有了多道抗
震防线。
有框架和剪力墙(如果把剪力墙布置成筒体,可称为框架一筒体结构
体系)组成的抗震结构中,框架的刚度小,承担的地震作用力小,而弹性极限
变形值和延性也较小。
整个结构在地震作用下,剪力墙很快超过自身的较小弹
性极限变形,出现裂缝,水平承载力下降,此时框架尚未充分发挥自身的水平
抗力;剪力墙开裂后,框架承担的地震力增大,同时由于结构刚度的变化,地
震作用效应也发生了变化。
但无论是剪力墙还是框架,都是主体结构的一部分,
损伤坏后的修复工作都是比较困难的,而且花费也不小。
d、筒中筒结构
简体分实腹筒、框筒及桁架筒。
由剪力墙围成的筒体称为实腹筒,在实腹
筒墙体上开有规则排列的窗洞形成的开孔简体称为框筒;简体四壁由竖杆和斜
杆形成的衍架组成则称为衍架筒。
筒中筒结构由上述筒体单元组合,一般芯腹
筒在内,框筒或桁架简在外,由内外筒共同抵抗水平力作用。
e、多筒体系——成束筒及巨型框架结构
由两个以上框筒或其他简体排列成束状,称为成束筒。
巨形框架是利用筒
体作为柱子,在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连,这样的筒体和巨型梁即形
成巨型框架。
这种多筒结构可更充分发挥结构空向作用,其刚度和强度都有很第一章文献综述
大提高,可建造层数更多、高度更高的高层建筑。
f、钢结构
钢材的内部组织比较均匀,非常接近于匀质和各向同性体,塑性好、韧性
好,是抗震性能较好的结构形式。
但钢结构造价比较贵,所以,建筑中钢结构
的应用就受到一定的限制。
1.2.2传统工程结构抗震设计特点
1.2.2.1、概念设计的一些原则:
a、总体屈服机制;例如强柱弱梁;
b、刚度与延性均衡;砌体结构中为提高延性设构造柱与圈梁,形成一个较
弱的框架;
c、强度均匀;结构在平面和立面上的承载力均匀;
d、多道抗震防线;
e、强节点设计。
1.2.2.2结构地震反应分析
结构地震反应分析方法主要有:
a地震荷载法;b振型分解法;c动力时程
分析法。
现在还发展了push.over法、能力谱等方。
抗设防目标也从基于生命安
全的标准发展到强调“个性”设计的设计阶段【2】。
1.3现代工程结构减震控制体系
1.3.1现代工程结构减震控制的概念
工程结构减震控制,就是在不特别增强结构的基础上,设置一些控制装置
(包括各种隔震装置、特种机构或某种子结构等),当结构遇到地震或强烈风暴
等作用时,控制装置被动或主动地施加给结构控制力,以减缓结构的振动,减
小结构的变形,满足结构安全性、使用性和舒适度的功能要求【3】。
1.3.2现代工程结构减震控制的起源
现代工程结构减震控制首先起源于基础隔震,之后发展到了消能减震、被动
与主动控制减震等隔震、减震控制手段。
而基础隔震控制的概念最早是由日本
学者河合浩藏于1881年提出的【2】,他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房,以削弱地震传递的能量。
1909年,第一章文献综述
美国的J.A.卡兰特伦茨提出了另外一种隔震控制方案【2】,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,以达到隔离地震的目
的。
美国工程师FrandLioydWright是第一个成功地把隔震控制原理用于实际工
程的人12】,1921年他主持设计建造了日本东京帝国饭店,这个建设场地的地表
土层厚约2.5米,有良好的地基承载力,在该层下面是一层软弱淤泥层,Wright
使用了与当时的设计思想完全不同的方法,把软弱层用作地基下的软垫,以消
除东京地区可怕的地震动力作用。
他设计了特殊的短桩基础,把紧密排列的短
桩打入持力层并到达软弱淤泥层的表面。
这样,建在短桩基础上的帝国饭店就
象战舰浮在海洋上一样浮在软弱淤泥层上。
这个建筑的隔震控制设计十分成功,
1923年关东大地震中,该饭店显示了良好的隔震性能,在这次地震中其它建筑
的上部结构一般都受到了严重的破坏,而该建筑却完好无损。
1924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。
1927年,
日本的中村太郎论述了加装阻尼器吸能装置,在隔震控制理论方面进行了有益
的探索【4】。
在这一阶段,虽然有了清晰的隔震控制概念和一定的隔震控制理论基础,
但限于当时的水平与条件,隔震控制技术的应用未被很好地研究与开发。
1.3.3现代工程结构减震控制技术发展的五个阶段
现代工程结构减震控制技术的发展经历了五个发展阶段:
a、新概念建立阶段:
减震控制概念的建立,包括隔震、消能减震、被动与
主动控制等。
这是准备阶段,该阶段开始于上世纪70年代。
b、研究阶段:
理论研究和试验研究,该阶段起始于上世纪70年代。
c、试点工程阶段:
建造第一栋采用某种控制技术的建筑物或结构物,并成
功经受地震考验,形成该项技术发展过程中的“突破点’’和“里程碑”。
这个阶
段既是工程技术从理论研究到工程应用的“突破点”,也是人们开始从现实应用
的角度接受该项技术的“起始点”,更是该项技术“成熟程度”的基本标志,该
阶段起始于上世纪80年代【5】。
d、试点推广阶段:
在试点工程之后,开始在某些工程项目上应用,并完善
相应的理论和方法,总结相应的技术经济指标和社会、经济效益,把该项技术
推向成熟阶段,最后编制相应的设计、施工指导书、技术规程、技术规范等,
为该项技术的推广应用创造条件。
e、推广应用阶段:
这是该项技术的“飞跃”阶段,它标志着该项技术已达
到真正造福人类的阶段。
第一章文献综述
1.3.4现代工程结构减震控制的主要分类
工程结构减震控制是土木工程结构前沿领域,也是各学科交叉的新技术领
域,目前,仍处于初期发展和初步应用阶段,故对其内容分类未明确统一,一
般可按以下三种方法进行分类(周福霖,19891李桂青等,1991;Soong,1992:
Kobori,1996)
a、按技术方法:
隔震技术、消能减震技术、质量调谐技术、主动(半主动)
减震控制技术、混合减震控制技术;
b、按是否有外部能源输入:
被动控制(PassiveControl,图1-1a)、主动控
制(ActiveControl,图1.1b)、半主动控制(SemiactiveControl,图1.1c)、
混合控制(HybridContr01)。
盟蛊㈣一I-f厦晨)I|-
1.I噩
I
塑篓5要:
互互y匦暨
C、按与结构频率相关性:
频率相关控制、频率无相关控制。
1.3.4.1被动控制
耗能减震
消能减震体系按其消能装置的不同,可分为二类【6】:
a、消能构件减震体系
利用结构的非承重构件作为消能装置的结构减震体系。
常用的消能构件有:
消能支撑,耗能交叉支撑,摩擦耗能支撑,耗能偏心支撑,耗能隔撑。
一般支
撑杆件大都用软钢制作,取材容易,屈服点适当,延性好,故有较高的消能减
震性能。
构件大都利用非弹性“弯曲”变形的消能减震性能,具有较高抵抗疲劳
破坏的能力。
消能剪力墙:
竖缝消能剪力强、横缝消能剪力墙、周边缝消能剪力墙等。
其混凝土的接缝面可以填充粘性材料能或用钢筋联接。
强地震时,出现非弹性第一章文献综述
的缝面错动,产生阻尼,消耗地震能量。
b、阻尼器消能减震体系:
在结构的某些部位(支撑杆件、剪力墙与边框联
结处、梁柱节点处等)装设阻尼器(软钢阻尼器、挤压铅阻尼器、摩擦阻尼器、
粘弹性阻尼器等)。
在强地震时,构筑物这些部位发生较大变形,从而使装设在
该部位的阻尼器有效的发挥消能作用。
冲击减震
冲击减震是依靠附加活动质量与结构之间的非完全弹性碰撞达到交换动量
和耗散动能进而实现减小结构地震反应的技术。
实际应用时,一般在结构的某
部位(常在顶部)悬挂摆锤。
结构震动时,摆锤撞击结构使结构震动衰减。
另
外,摆锤还兼有吸振器的功能。
吸振减震
吸震减震是通过附加子结构,使结构的震动发生位移,即使结构的振动能
量在原结构与子结构之间重新分配,从而达到减小结构震动的目的。
目前,工程结构应用的吸震减震装置主要有:
调谐质量阻尼器(简称TMD),
调液(柱)阻尼器(简称TLD或TLCD)悬吊质量摆阻尼器(简称SmD)和
质量放大器【7】。
1.3.4.2主动控制
主动控制减震方法是根据结构的地震反应,通过地震系统执行机构,主动
给结构施加控制力,达到减小结构震动的目的。
主动控制减震体系是利用外部能源,在结构受地震激励震动过程中,瞬时
改变结构动力特性和施加控制力,以衰减结构地震反应的自动控制体系。
a、主动控制体系中的控制器有三部分组成
传感器:
安装在结构上,测量结构所受外部激励或结构反应或两者,将测
量的信息传递给控制器的处理器。
处理器:
处理测得的信息,根据给定的控制算法,计算所需的控制力,并
将控制信息传递给控制器中的致动器。
致动器:
根据控制信息,有外部供给能源产生所需的控制力,从而减小结
构振动反应。
b、根据控制器的工作方式,主动控制体系分三种类型
开环控制:
根据外部激励信息调整控制力;
闭环控制:
根据结构反应信息调整控制力;
开闭环控制:
根据外部激励和结构反应的综合信息调整控制力。
主动控制是振动控制的现代方法,现己广泛用于电子工程,机械工程,航
空航天工程等领域,但在土木工程中应用该方法进行结构主动控制尚是一个新第~章文献综述
兴研究方向【8】o
c、结构震动主动控制装置
主动拉索:
主动拉索控制系统由连接在结构上的预应力钢拉索构成,在拉
索上安装一套液压伺服机系统。
主动调频质量阻尼器:
是在TMD的基础上增加主动控制力而构成的减震
器。
气体脉冲发生器:
这是一种通过喷管释放高压气体产生脉冲动力,以减弱
结构振动反应的装置。
结构隔震、减震方法的研究和应用开始于上世纪60年代,上世纪70年代
以来发展速度很快。
这种积极的结构抗震方法与传统的消极抗震方法相比,有
以下优点:
a、能大大减小结构所受的地震作用,从而可减低结构造价,提高结构抗争
的可靠度。
此外,隔震方法能够较准确地控制传到结构上的最大地震力,从而
克服了设计结构构件时难以准确确定载荷的困难。
b、能大大减小结构在地震作用下的变形,保证非结构构件不受地震破坏,
从而减少震后维修费用,对于典型的现代化建筑,非结构构件(如玻璃幕墙,
饰面,公用设施等)的造价甚至占整个房屋总造价的80%以上。
c、隔震、减震装置即使震后产生较大的永久变形或损坏,其复位、更换、
维修结构构件方便、经济。
d、用于高技术精密加工设备、核工业设备等的结构物,只能用隔震、减震
的方法满足严格的抗震要求。
1.3.4.3半主动控制和混合控制
a、半主动控制
半主动控制兼有被动控制和主动控制的优点。
它具备主动控制的效果又只
需很小的电能通过调节和改变结构的性能减小地震反应,因此比较适合于改善
工程结构的抗震设防。
变阻尼半主动控制
对变阻尼半主动控制的研究一度非常活跃,其目的在于寻找比定阻尼系统
更好的减震效果,但事实上人们早已知道,阻尼的减振效果是有条件的。
但单
自由度体系基座受到简谐运动激励时,阻尼愈大,结构和相对运动(位移、速
度和加速度)不断减少;对绝对运动则不然,当干扰频率与自振频率的比值
,,≥√2时,增大阻尼反而会使绝对位移、速度和加速度反应增大。
在地震作用
下也可能出现类似的情况。
这说明对中、短周期的结构,当设计地震动的主要
周期较短时,不必要采用半主动变阻尼系统。
但是对于长周期结构,采用半主第一章文献综述
动变阻尼控制方法与采用上限阻尼时相比可以明显地减小绝对加速度反应,对
相对反应也无不利影响。
看来只有当需要同时减小长周期结构的相对位移反应
和绝对加速度反应时才有必要采用变阻尼半主动控制【9】。
常见的变阻尼半主动控制有变孔径油阻尼器、电流变阻尼器、磁流变阻尼
器、变摩擦可控阻尼器、调谐质量可控阻尼器。
变刚度半主动控制系统(AVS)
日本鹿岛公司在他们的大型振动台控制楼上采用了AVS系统以减小中震和
大震中的反应。
在此系统中,应用液压元件改变刚性支撑和大梁的连接条件,
随时调节层间刚度,避免共振【10】。
变刚度和变阻尼系统应属于变结构控制的范畴,其理论基础在自动控制领
域中已有深入地研究。
在变刚度半制动控制系统中结构的层间水平刚度可以在
其最大值和最小值之间跳跃或随意调节。
当强震地面运动的主要频率不在被控
结构自振频率的可能的变化范围以内时,对系统将产生什么样的影响则是值得
研究的问题【10】。
b、混合控制
将主动控制与被动控制结合起来应用或采用其它复合控制方式通常称为混
合控制,其最常用的形式是用作动器拖动调谐质量阻尼器(蹦S)。
主动控制、
半主动控制和混合控制由于都需要实时观测结构反应并进行实时分析和反馈控
制,系统极为复杂,在推广应用方面受制于经济和技术条件。
相比之下以增加
结构阻尼、避免共振的被动控制技术则更适合在众多的实际工程中应用【11】。
1.4隔震技术在国内外的应用
1.4.1隔震技术在中国古建筑中的成功应用
早在一二干年前,我国人民就成功地应用隔震、消能、减震的概念和技术,
建成了遍布全国各地的宫殿、寺院、庙宇、楼塔、民居、庭院、石桥和城墙等
建筑,这些古建筑、结构物经历多次强烈地震而屹立不毁,完整保留至今者,
大都不是采用“硬抗地震,加强结构"的方法,而足采用“以柔克刚,隔震消
能”的途径,充分证明隔震、消能减震技术概念合理,安全有效,简单易行【12】.
我国的古建筑、结构物能成功抗御多次强烈地震而完整保留至今者,其隔
震消能减震技术的应用主要表现在下述的四个
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