第二章 工程结构减震控制_百度文库
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我国结构减震控制的研究应用与发展
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基础隔震技术的原理和发展优势
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　中图分类号：P315文献标识码： A 文章编号： 中国论文网 /2/view-4722070.htm　　我国是世界上地震活动最强烈的国家之一。中国处在全世界最活跃的欧亚地震带和闻名世界且同样活跃的太平洋地震带之间。要同时受到东、南、西、北多个方向的挤压。其中起主要作用的就是太平洋板块向西移动的力，欧洲板块向东移动的力以及印度洋板块向北移动的力。从历史记载上看，全国除个别省份外，大部分地区都发生过比较强烈的破坏性地震。特别是离我们最近一次发生的汶川地震，日，四川省汶川发生8．0级罕遇地震，震中映绣镇最大烈度达11度。此次地震殃及130多个县市，重灾区14个县市，其中部分县镇被移为平地。此次造成69226人遇难，778．91万间房屋倒塌，震中地区周围的16条国道、省道公路以及宝成线等6条铁路干线受损中断，次生灾害山体崩塌、滑坡、泥石流频发，直接经济损失高达8700亿人民币。 　　如何更好的保护人民生命财产安全，提高房屋的抗震能力一直是工程设计人员钻研的课题，基于传统抗震设计中的一些弊端和不足，科学工作者研究和发展了一种新的抗震方法——建筑隔震。 　　1、基础隔震的工作原理 　　基础隔震结构体系,就是指在结构的底部与基础面之间，设置某种隔震装置而形成的结构体系。主要包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分。在基础和上部结构之间设置的隔震装置，能够使结构在基础面上柔性滑动，从而使得结构体系的自振周期得到加长，进而远离场地的卓越周期。最终把地面震动隔开，有效地降低了结构的加速度反应。地震发生时，通常地面运动加速度的卓越周期在 之间。传统抗震结构的基本自振周期一般是在 之间。传统抗震结构的基本周期正好处在地震输入能量最大的频段上，因此其加速度反应比地面运动放大若干倍。基础隔震结构的自振周期一般可延长到4.Os左右，这样就会更远离地震动卓越周期，使得上部结构的地震反应会明显减小。因为基础隔震结构的反应主要是以第一振型为主，该振型不与其他振型耦连，所以整个上部结构类似于一个刚体，加速度沿结构高度的分布是接近于均匀的。但是，当周期延长后，建筑物的位移也必然会增大。这就必须要采用适当的阻尼元件，来增大整个结构的阻尼，从而来控制上部结构与基础之间的相对位移。通俗的说，因为隔震结构具有相对较长的基本周期，所以能将较大的相对位移集中在底层，来达到减小上部结构的加速度反应的目的。这种隔震理念通过将大部分地震能量反馈回地面，或由发生在柔性底层的变形来吸收，以减少地震能量向上部结构的传递，使上部结构始终保持在弹性工作状态。这样既可以提高结构的安全可靠性，也可使上部结构的设计更加灵活自由。 　　2、隔震结构的能量分析 　　1956年Housener 提出能量分析法的概念，用地震能量在结构中的传递、吸收与转换情况来反映结构破坏的情况。从能量角度而言，减小地震破坏的基本原则，主要是以适当的方式减小或消耗地震输入的能量。 　　对于传统的抗震结构，小震时结构处于弹性变形阶段，中、大震时结构进入弹塑性阶段。地震能量主要由结构构件的塑性变形来消耗，因此震后结构构件普遍出现裂缝，此外，非承重构件、建筑装修、建筑设备及一些昂贵仪器的破坏可能还会导致更严重的损失。由此可见，采用这种传统的抗震设计方法，对于风和小震还是可以发挥较好的作用，但是在遇到中震和大震后，结构就已经开始破坏，并且震后的加固和维修工作量比较大，费用高，无法继续正常使用。 　　而在隔震结构中，隔震装置具有变化的水平刚度，在风和小震作用下具有足够的刚度。在中、大震时，隔震装置的水平刚度变小，使隔震结构的自振周期变长，远离上部结构的自振周期和场地卓越周期。从而将部分地震能来隔绝，减少了输入到结构的地震能量。并且，隔震装置先于上部结构进入到塑性阶段，地震能量主要由隔震层的塑性变形和阻尼来消耗，因此上部结构课基本保持弹性而不会发生严重的破坏。 　　3、隔震结构的适用范围 　　一般来说，隔震结构可以适合各种用途的建筑，但从建筑功能要求和经济性考虑，对于重要性和安全性要求较高、建于地震高烈度区的建筑更适合采用隔震。常见的如医院建筑和核电站等。美国和日本等国对一些历史建筑的加固改造也多采用隔震。在我国，隔震结构主要应用于地震高烈度区的住宅楼和重要性系数较高的公共建筑。 　　 　　 　　建筑类型 适应原因 　　政府机关、消防、警务、医院及电信部门 地震发生时，这些单位担负着指挥救灾和抢救的功能 　　电脑中心、金融中心 电脑资料的遗失会造成重大损失 　　美术馆、博物馆、图书馆及历史建筑 具有重要的文化价值 　　核电厂、化学工厂、疾病预防中心及高科技机构 防止危险品泄漏或者重要的科研成果破坏 　　住宅楼 保护人身及财产安全 　　4、隔震技术的经济性分析 　　隔震结构与传统抗震结构的经济性比较可以分为两部分：一是直接建设费用，二是减少损失的费用。以下分别对这两部分费用加以分析。 　　直接建设费用 　　1、减少部分 　　（1）由于上部结构地震作用的减小，上部结构构件截面及配筋可以相应减小，甚至结构型式及方案也可以进行调整，如上部结构可以由框架——剪力墙改为框架结构，砌体结构可以增加数层或者高度。与传统的抗震措施相比，隔震结构的上部结构钢筋混凝土工程造价一般可以降低20%左右。 　　（2）非结构构件和装修的锚固连接构造可简化。 　　2、增加部分 　　（1）隔震部分的设计费。隔震结构与传统的抗震设计、分析计算均有区别。目前国内的隔震设计一般分两部分进行，隔震层部分的设计委托专业的隔震设计单位，其他部分的设计委托给普通的设计单位，因此，在设计费用上要比传统的抗震设计有所增加，以体现设计的特殊部分。（2）隔震器和阻尼器的费用。总的来说，隔震器和阻尼器的费用依赖于隔震器和阻尼器布置的效率，每个隔震器或阻尼器承担的荷载越大，效率就越高。（3）由于设置隔震层，使地下土方的开挖量增加，挡土墙需要加强。（4）增加隔震层顶部厚度不小于140mm现浇钢筋混凝土楼面，若有地下室且隔震层设置在地下室柱顶，地下室柱也需要加强。（5）管线穿越隔震层的柔性接头及其他隔震构造的特殊处理。通过对大量工程的分析，可以发现：对于建造在高烈度地震区的丙类建筑，若采用钢筋混凝土框架结构或框架剪力墙，层数较多，且上部结构及隔震层设计合理，采用隔震技术后，不仅可以提高房屋的安全可靠度，还可以降低造价约1%~5%。 　　隔震结构减小损失的费用 　　在地震作用下，隔震结构的上部结构的层间侧移减小，使上部构件在地震作用下进入塑性的程度要小，此外，一些非结构构件或设备也可以减小破坏，因此，隔震比不隔震在地震中产生的损失及震后修复的费用要小。地震引起的结构损失可以分为两部分：（1）层间位移引起的损失。层间位移引起结构构件变形会损坏结构的主要承重构件和一些非承重构件，如门、窗和隔断等。（2）加速度引起的损失。各层楼的惯性力导致顶棚、家具或者设备的损坏。传统的抗震结构很难同时减小这两种损坏，若设计结构的刚度较大，可以减小层间位移，但是同时会曾加楼层的加速度；反之，若结构的刚度减小，虽然楼层的加速度减小，但是层间侧移会增大。综合以上两种情况，总体而言隔震结构与传统的抗震结构相比，造价基本持平或者略有减小，即使增加造价，也基本能控制在5%以内。且大震以后，所需要的修复费用要小很多，若考虑这部分维修费，则隔震建筑具有无法比拟的经济效益。 　　展望 　　总体来说现在建筑隔震技术尽管不是非常完善，但是作为一种新型的抗震技术还是具有一些传统抗震技术所没有的优点，只要设计合理，目前在实际工程中还是取得了很好的效果，特别是高烈度地区更能显现出这种技术无可比拟的优势。今后的发展方向应该是集中在研究支座所用橡胶材料的耐久性和耐火性能几个方面，因为支座所用橡胶的耐久性直接影响了隔震的效果。而现在城市发展快速，火灾很难避免，因此，在发生火灾时，如何提高橡胶的耐火性也是一个重要的研究课题。 　　参考文献： 　　[1] 曾得民．橡胶隔震支座的刚度特征与隔震建筑的性能实验研究[D]．北京：中国建筑科学研究院博士学位论文，2007． 　　[2]《建筑结构荷载规范》（GB5（2006版））；中国建筑工业出版社 2010 　　[3]《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB5）；中国建筑工业出版社 2010 　　[4]《建筑抗震设计规范》（GB 5）；中国建筑工业出版社 2010 　　[5]周福霖，工程结构减震控制，北京：地震出版社，、141-147 2 　　[6]日本免震构造协会编，叶列平译，图解隔震结构入门，科学出版社，1998． 　　[7]周云，隔震结构设计、应用与发展，华南建设学报，1998．10． 　　[8]苏经宇、曾德民，我国建筑结构隔震技术的研究与应用，地震工程与工程振动，2001，pp94-101． 　　[9]．James M．Kelly．The Current State of Base Isolation in the United States．Proceedings of thesecond World Conference Oil Structural Control，1998：Kyoto，Japan，p．． 　　[10]．Vulcano，Alfonso．Comparative study of tire earthquake and wind dynamic responses ofbase—isolated buildings．Journal of Wing Engineering and Industrial Aerodynamics．V01．74-76，April I，1 998，p．75 1—7640．
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