第4章 结构隔震、消能和减震控制 广东工业大学建设学院 韦爱凤

传统的抗震设计方法 传统的抗震设计方法：“小震不坏，中震可修，大震不倒” 结构进入弹塑性状态 常规做法 加大构件截面，提高结构刚度 传统的抗震设计方法：“小震不坏，中震可修，大震不倒” 结构进入弹塑性状态 常规做法 加大构件截面，提高结构刚度 存在问题： 安全性问题 发生突发性的超过设防烈度地震 适应性问题 建筑物内部重要的设备、仪器、计算机网络、急救指挥系统、通讯系统、医院医疗设备对建筑物的抗震性能有更高要求 经济性问题 以“抗”为主，构件断面越大，结构刚度越大，地震作用也越大…. 建筑技术的发展要求 高强轻质材料的应用

4.1结构隔震、消能和减震控制总论 4.1.1 结构控制的减震机理 结构减震控制——通过改变或调整结构的动力特性或动力作用 4.1.1 结构控制的减震机理 结构减震控制——通过改变或调整结构的动力特性或动力作用 在建筑结构的特定部位 装设某种装置（如隔震支座）， 装设某种机构（如消能支撑、消能剪力墙、消能节点，消能器等） 装设某种子结构（如调频质量等） 施加外力（外部能量输入） 使结构的动力反应（加速度、速度、位移）明显减少，并得到合理的控制 确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装潢等的安全和处于正常的使用环境状态

一般结构的动力方程式：

4.1.2 结构控制度内容及分类 第一种分类 按技术方法分 第二种分类 按是否有外部能源输入分 第三种分类 按与结构频率相关性分

图4.1 结构减震控制按技术方法分类 结构隔震 Seismic Isolation 消能减震 Energy Dissipation 图4.1 结构减震控制按技术方法分类 结构隔震 Seismic Isolation 消能减震 Energy Dissipation 结构减震控制 质量调谐减震 TMD,TLD等 主动、半主动控制 AMD,AVS,AVSD等 混合控制 Hybrid Control

图4.2 结构减震控制按是否有外部能源输入分类 结 构 减 震 控 制 结构隔震 消能减震 被动控制 （无外部能源输入） 质量调谐 主动质量阻尼器 主动拉索或支撑 主动、半主动控制 （有外部能源输入） 主动变刚度，变阻尼 主动变刚度－阻尼 智能材料自控 混合控制 （部分能源输入） 混合主动、被动控制

图4.3结构减震控制按结构频率相关性分类 频率相关控制 避开共振频率 质量调谐 结构减震控制 消能减震 频率无关控制 主动外加控制 隔震 主动变刚度 被动质量调谐 结构减震控制 质量调谐 消能支撑 混合质量调谐 消能剪力墙 消能减震 消能节点 频率无关控制 各种消能 主动质量阻尼器 主动质量驱动装置 避开主动拉索系统 主动外加控制 主动支撑系统 主动变刚度，变阻尼 智能材料自控

4.1.3 结构控制的特点和优越性 减震控制结构的地震反应与传统抗震结构的地震反应的比值大约为： 隔震结构 8％～50％ 4.1.3 结构控制的特点和优越性 减震控制结构的地震反应与传统抗震结构的地震反应的比值大约为： 隔震结构 8％～50％ 消能结构 40％～60％ TMD被动控制结构 40％～60％ 主动或半主动控制结构 10％～50％

表4.1 结构控制的特点及优越性 新旧抗震抗风体系相对比 结构控制体系优越性 传统体系 结构控制体系 抗震概念及途径 表4.1 结构控制的特点及优越性 新旧抗震抗风体系相对比 结构控制体系优越性 传统体系 结构控制体系 抗震概念及途径 “硬抗”地震或风；加强结构；加粗断面 “以柔克刚”新概念；调整结构动力特性；隔震、消能或控制 有效减震；经济；建筑设计不受太多限制；检测修复方便 设计依据 按预定设防烈度 考虑突发性超烈度大地震 确保安全 保护对象 只保护结构本身 既保护结构，也保护结构内部设备、仪器、装修等 满足现代社会要求 适用范围 新设计的结构物 新结构物、旧结构物的耐震改良；一般建筑、重要建筑、仪器设备 适用范围广

4.1.4结构减震控制的应用范围及技术成熟性 名称 应用范围 技术成熟性 隔震 结构水平刚度较大的，或高宽比较小的多层、高层建筑，或要求地震中确保安全的建筑物、桥梁、设备、仪器等 安全可靠，明显有效减震，技术很成熟 消能减震 结构水平刚度较小的，或高宽比较大的多层、高层建筑，塔架，管线等 安全可靠，明显有效减震，技术成熟 质量调频 （TMD等） 主振型较为明显和稳定的多层、高层、超高层建筑，塔架，大跨度桥梁等 视情况不同，可有效减震，技术基本成熟 半主动控制 （AVS,AVSD） 对抗震抗风要求较高的高层、超高层建筑，塔架等 有效减震，较为经济简易，技术尚未十分成熟 主动控制 （AMD等） 有效减震，较为昂贵复杂，技术尚未成熟

4.2 结构隔震 4.2.1结构隔震体系的基本特性 结构隔震体系——结构物底部（或某层间部位）设置隔震装置而形成的结构体系

1.承载特性 隔震装置 竖向承载能力 2.隔震特性 隔震装置 可变的水平刚度特性 3.复位特性 隔震装置 水平弹性恢复力 4.阻尼消能特性 隔震体系必须满足的四个基本特性 1.承载特性 隔震装置 竖向承载能力 2.隔震特性 隔震装置 可变的水平刚度特性 强风或微小地震 具有足够的刚度 中强地震 变柔 3.复位特性 隔震装置 水平弹性恢复力 4.阻尼消能特性 隔震装置 足够的阻尼

4.2.2 结构隔震体系的减震机理 1.结构隔震动力分析模型

2.隔震结构加速度反应分析 结构体系动力微分方程式： 隔震结构体系的固有频率ωn、阻尼比ζ:

设地面的场地特征频率为ω，地面地震加速度反应为 ，由式（4.4）可求出 定义 为隔震结构“加速度反应 衰减比”

当已知： 隔震结构体系要求的“加速度反应衰减比”Ra 场地特征频率与隔震装置的固有频率之比 求得隔震层所要求的阻尼比

3.结构隔震减震分析

（1）当 时，Ra<1 结构体系为隔震结构体系，结构的地震反应被衰减， 越大，Ra越小，减震效果越好； （2）当 时，Ra>1 结构体系为传统抗震结构体系，结构的地震反应被放大； （3）当 时，Ra>>1 传统抗震结构与场地共振

一般场地的特征周期Tg＝0.25～0.90s，特征频率ω＝1.1～4.0Hz 一般的多层房屋，结构的自振周期Tn＝0.2～1.2s, 自振频率ωn ＝0.8～5.0Hz 采用夹层橡胶隔震支座的隔震结构，能使结构的自振周期延长至Tn＝2～5s, 自振频率ωn ＝0.2～0.5Hz，一般能满足 的要求。

4.2.3结构隔震的优越性及应用范围 1.结构隔震的优越性： （1）明显有效地减轻结构的地震反应 试验结果 强震记录 加速度1/2~1/12 试验结果 强震记录 加速度1/2~1/12 (2)确保安全 上部结构层间位移小，加速度反应小，弹性状态 （3）房屋造价增加少 上部结构造价减小，隔震装置增加造价（5％），总造价增加不多，对高烈度地区总造价降低。

（4）抗震措施简单明了 （5）震后无须修复 （6）上部结构的建筑设计限制较小 主要是隔震层的设计 建筑物不损坏，只要检查隔震装置 超高砌体房屋，大开间灵活单元多层住宅房屋，不规则建筑结构物

2.结构隔震的工程应用 隔震与消能减震设计，应主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震设防烈度为8、9度的建筑。 （1）要求确保地震时人们生命安全的建筑物或构筑物 （2）地震区重要的生命线工程 （3）较重要的建筑结构物 （4）内部有重要的设备仪器的建筑结构物 （5）桥梁、架空输水渠等重要结构

（6）重要历史文物、重要艺术珍品、需确保地震中得到保护的各种中珍贵物品等的局部隔震 （7）重要设备、仪器、雷达站、天文台等需确保地震中得到保护的各种重要装备或构筑物的局部隔震 （8）建筑物、结构物内部需特别进行局部保护的楼层，可设局部隔震区 （9）已有的建筑物、结构物或设备、仪器、设施等不符合抗震要求者，可采用隔震技术进行隔震加固改良，使其能确保强地震中的安全。

4.2.4结构隔震的分类和成熟性

“夹层橡胶支座”的成熟性： 竖向承载能力大 隔震效果明显、稳定 具有稳定的弹性复位功能 构造简单，安装方便 耐久性较好 可安装在不同的标高位置，且受建筑物的地基不均匀沉降的影响不十分敏感

结构隔震的分类 按“隔震装置”分 夹层橡胶支座 摩擦滑移隔震层 滚动隔震层 支承式摆动隔震 混合隔震装置

按“隔震层位置”分 基础隔震 层间隔震 桥梁桥墩顶隔震 屋架或网架支座隔震 房屋内部隔震

隔震层的位置

隔震层的位置

4.2.5结构隔震房屋的设计计算内容和步骤 结构隔震控制目标的确定 常规结构设计 隔震装置选用 依据：设防烈度及场地条件 工程结构重要性 确定：结构地震作用（降低幅度） 结构加速度反应容许值 常规结构设计 结构体系和布置 结构构件（断面、配筋等） 结构荷载（恒载，使用荷载，环境干扰荷载，地震，风等） 结构内力（轴力，剪力，弯矩） 地基基础设计 结构倾覆稳定计算 隔震装置选用 隔震装置性能：承载力，刚度，阻尼，变形能力等 隔震装置确定：类型，布置，数量

结构隔震体系动力参数确定 结构隔震作用计算 隔震结构抗震验算 隔震建筑构造设计 设计计算模型 隔震层刚度，阻尼比 隔震体系振型自振周期 输入地震波 结构隔震作用计算 结构地震作用，减震系数（层间剪力比值） 结构地震加速度反应 上部结构抗倾覆，抗风验算 隔震结构抗震验算 上部结构强度，变形验算 下部结构强度，变形验算 隔震层最大位移验算 隔震建筑构造设计 连接点设计 隔离缝构造处理 楼梯及各种建筑构造节点 管线柔性处理

4.2.6结构隔震计算要点 隔震设计应根据预期的水平向减震系数和位移控制要求，选择适当的隔震支座(含阻尼器)及为抵抗地基微震动与风荷载提供初刚度的部件组成结构的隔震层。 隔震支座应进行竖向承载力的验算和罕遇地震下水平位移的验算。 隔震层以上结构的水平地震作用应根据水平向减震系数确定；其竖向地震作用标准值，8度和9度时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20％和40％。

（1）水平地震作用的计算方法 等效侧力法（相当于底部剪力法） 时程分析法 满足下列条件的隔震房屋，可用等效侧力法： 非隔震时，结构基本周期小于1.0s(刚度大） 体型基本规则，且抗震计算符合采用底部剪力法的结构 建筑场地为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并选用稳定性好的基础类型 水平荷载标准值（除地震作用外）产生的总水平力，不超过0.1G 隔震层设置在结构第一层以下的部位 其他情况，除采用等效侧力法计算外，尚应采用时程分析法计算

水平地震影响系数的最大值＝水平向减震系数*αmax 水平向减震系数应根据结构隔震与非隔震两种情况下各层层间剪力的最大比值确定 （2）关于地震作用计算的规定 ①水平地震作用沿高度可采用矩形分布 水平地震影响系数的最大值＝水平向减震系数*αmax 水平向减震系数应根据结构隔震与非隔震两种情况下各层层间剪力的最大比值确定 表4.3 确定水平向减震系数的比值划分 层间剪力最大比值 0.53 0.35 0.26 0.18 水平减震系数 0.75 0.50 0.38 0.25

② 9度时和8度且水平向减震系数为0.25时，隔震层以上的结构应进行竖向地震作用的计算； 8度且水平向减震系数不大于0.5时，宜进行竖向地震作用的计算。 隔震层以上结构竖向地震作用标准值计算时，各楼层可视为质点，计算竖向地震作用标准值沿高度的分布。 采用本地区的设防烈度

③隔震层以下结构(包括地下室)的地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和偏心矩进行计算

④ 隔震支座水平动刚度和等效粘滞阻尼比由试验确定 对多遇地震验算 宜采用水平加载频率为0.3Hz且隔震支座剪切变形为50％的水平刚度和等效粘滞阻尼比 对罕遇地震验算， 直径小于600mm的隔震支座宜采用水平加载频率为0.1Hz且隔震支座剪切变形不小于250％时的水平动刚度和等效粘滞阻尼比 直径不小于600mm的隔震支座可采用水平加载频率为0.2Hz且隔震支座剪切变形为100％时的水平动刚度和等效粘滞阻尼比

（3）等效侧力法的有关规定 ①隔震房屋的基本周期 式中 T1 —隔震体系的基本周期； G —隔震层以上结构的重力荷载代表值； K —隔震层的水平动刚度； g —重力加速度。

②隔震层的水平动刚度和等效粘滞阻尼比计算： K＝ΣKj (4-9) K─隔震层水平动刚度； Kj─j隔震支座(含阻尼器)由试验确定的水平动刚度，当试验发现动刚度与加载频率有关时，宜取相应于隔震体系基本自振周期的动刚度值 ζeq＝ΣKjζj／K (4-10) ζeq─隔震层等效粘滞阻尼比； ζj ─j隔震支座由试验确定的等效粘滞阻尼比，单独设置的阻尼器时，应包括该阻尼器的相应阻尼比；

③结构层间剪力计算 Vik－层间剪力标准值；Fjk－作用于质点j的水平地震作用标准值；

④隔震层水平位移计算 u－隔震层水平位移；FEK－上部结构底部总剪力标准值； λs －近场系数λs 甲乙类建筑 距发震断层距离（Km) 5 5~10 10 λs 1.5 1.2 1.0 丙类建筑 λs＝1.0

⑤要考虑扭转影响 采用有效的抗扭措施或扭转周期小于平动周期的70％时，扭转影响系数可取1.15

4.2.7隔震层计算要点 （1）隔震支座的受压承载力设计值 形状系数 当形状系数 S1>=15, S2>=5时 甲类建筑 <=10 MPa 乙类建筑 <=12MPa 丙类建筑 <=15 MPa (d<300mm, <=12MPa) 5>S2>=4,降低20％， 4>S2>=3,降低40％

（2）隔震层的连接部位 按罕遇地震作用进行强度验算 （3）抗风装置 验算 VRw－抗风装置的水平承载力设计值 Vwk－风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值 rw=1.4

(4)隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移应满足： Umax－罕遇地震作用 扭转影响 隔震支座 最大位移 d－隔震支座 直径 tr—隔震支座 橡胶层 总厚度

隔震支座的构造要求 （1）与上部结构、下部结构可靠连接 （2）与上部结构、下部结构之间的连接螺栓和锚固钢筋验算 考虑： 罕遇地震作用 （2）与上部结构、下部结构之间的连接螺栓和锚固钢筋验算 考虑： 罕遇地震作用 水平剪力、竖向力、偏心距 锚固钢筋的锚固长度 >20d >=250mm

(3)形状系数的要求 一般 S1>=15 S2>=5 d－橡胶的有效直径；d0—橡胶支座中间开孔的直径；a－矩形截面橡胶支座的长边尺寸；b—矩形截面橡胶支座的短边尺寸；tr!－每一橡胶层的厚度；tr－橡胶层的总厚度；

4.3结构消能减震 4.3.1 结构消能减震体系的基本特征 设置消能器 控制预期的结构变形，在罕遇地震下 不发生严重破坏

减震特性 消耗能量 传统体系 构件破坏 消能体系 消能构件（非承重构件） ER结构物地震反应的能量； ED结构阻尼消耗的能量(5%)； ES构件损坏消耗的能量； EA消能装置消耗的能量；

消能减震体系减震原理示意图

消能减震体系的基本特点 （1）同时减少水平和竖向地震作用，适应范围广，结构类型和高度不受限制 （2）消能装置应使结构具有足够的附加阻尼 （3）消能装置不改变结构的基本形式，增加了消能部件和相关部件 结构设计要求不变

4.3.2结构消能减震的减震机理 消能装置 提供阻尼 消耗能量 减小地震反应

4.3.3结构消能减震的优越性及应用范围 优越性： （1）安全性 结构地震反应减少40％～60％，主体结构及构件免遭破坏 （2）经济性 （1）安全性 结构地震反应减少40％～60％，主体结构及构件免遭破坏 （2）经济性 传统抗震结构 硬抗 消能减震结构 “柔性消能” 减少剪力墙的设置，减小构造断面，减少配筋，安全性反而提高 （3）技术合理性 刚度大 地震作用大 结构刚度大

应用范围： 层数越多，跨度越大，变形越大，消能减震效果越明显 （1）高层、超高层建筑 （2）高柔结构，高耸塔架 （3）大跨度桥梁 （4）柔性管道，管线（生命线工程） （5）旧有高柔建筑或结构物的抗震（抗风）性能的改善提高

4.3.4结构消能减震体系的分类 金属屈服型：软钢，铅 位移相关型 按消能装置性能分 摩擦阻尼装置 粘滞型：油阻尼器，液态阻尼器 速度相关型 粘弹型：粘弹性材料 铅－橡胶阻尼器 形状记忆合金 其他类型

按构件形式分 消能支撑 消能剪力墙 消能节点 消能连接 消能支承或悬吊构件

4.3.5 结构消能减震房屋设计计算要点 1.设计步骤： （1）计算未采用消能减震结构的位移，预计结构的控制位移 （2）计算附加阻尼 （3）选择消能装置，确定其数量、布置和提供的阻尼大小 （4）设计相应的耗能构件 （5）进行整体分析，确认是否满足位移控制要求

2.计算方法 线性分析方法 当主体结构基本处于弹性工作阶段时采用 线性分析方法 当主体结构基本处于弹性工作阶段时采用 根据结构的变形特征和高度等，按本规范的规定分别采用底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。其地震影响系数可根据消能减震结构的总阻尼比按规范规定采用。 一般情况下，宜采用静力非线性分析或非线性时程分析方法。

3.耗能减震结构的总刚度和总阻尼比 消能减震结构的总刚度= 结构刚度+消能部件有效刚度 消能减震结构的总阻尼比= 结构阻尼比+消能部件附加给结构的有效阻尼比

4.消能部件附加给结构的有效阻尼比 1. 消能部件附加的有效阻尼比ζa： ζa＝Wc／(4πWs) (4.26)

消能减震结构在其水平地震作用下的总应变能 2 不计及扭转影响时，消能减震结构在其水平地震作用下的总应变能，可按下式估算： Ws＝ (1/2)∑Fi ui (4.27) Fi─质点i的水平地震作用标准值； ui ─质点i对应于水平地震作用标准值的位移。

消能器在水平地震作用下所消耗的能量 3 速度线性相关型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算： 3 速度线性相关型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算： Wc＝(2π2/T1)∑Cjcos2θj△uj2 (4.28) T1─消能减震结构的基本自振周期； Cj─第j个消能器由试验确定的线性阻尼系数； θj─第j个消能器的消能方向与水平面的夹角； △uj─第j个消能器两端的相对水平位移。 当消能器的阻尼系数和有效刚度与结构振动周期有关时，可取相应于消能减震结构基本自振周期的值。

消能器在水平地震作用下所消耗的能量 4 位移相关型、速度非线性相关型和其它类型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算： 4 位移相关型、速度非线性相关型和其它类型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算： Wc＝∑Aj (4.29) Aj─第j个消能器的恢复力滞回环在相对水平位移△uj时的面积。 消能器的有效刚度可取消能器的恢复力滞回环在相对水平位移△uj时的割线刚度。 消能部件附加给结构的有效阻尼比超过20％时，宜按20％计算。

4.3.7耗能装置的典型构造形式

消能支撑类型

消能支撑类型

消能支撑类型

消能墙类型

消能墙类型

消能节点类型

消能节点类型

4.4结构主动减震控制简介 结构主动控制： 利用外部能源（计算机控制系统或智能材料） 瞬时施加控制力、瞬时改变结构的动力特性（刚度或阻尼） 迅速衰减和控制结构振动反应

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