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浅析建筑结构减隔震的现状及未来发展


浅析建筑结构减隔震的现状及未来发展刘环(河北省衡水工业学校) 【摘要】地震是由于地面的运动,使地面上原来静止的建筑物由于受 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。 经过简化后的模型动力学分析, 即一次次的震害分析进行修正、 补充, 得到一些建筑物在地震作用下的反应机理及破坏形式, 提出了一些建 筑物抗争的计算方法及设计的基本原则。 这些在实际应用中得到了很

不错的效果。 【关键词】消震;隔震;被动减震;主动减震 一 、地震原理地震是由于地面的运动,使地面上原来处于静止的建筑受 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。经过简化后模型的动力学分析,即一次次 的震害分析进行修正、补充,得到一些建筑物在地震作用下 的反应机理及破坏形式,提出了一些建筑物抗争的计算方 法及设计的基本原则。 二、减隔震的现状 由于传统抗震方法的缺点与不足,并在全部了解地震 引起结构震动的全过程。由震源产生地震动,通过传播途 径传递到结构上,从而弓l起结构的震动反应。通过在不同 阶段采取震动方法控制措施,就成为不同的积极抗震方法。 大致包括以下四点: ①震源一消震

消震是通过减弱震源震动强度达到减小结构震动的方 法,由于地震源难以确定,且其规模宏大,目前还没有有效 可行的措施将震源强度减弱到预定的水平。 ②传播途径一隔震 隔震是通过某种装置将地震与结构隔开,其作用是减 弱和改变地震动时结构作用的强度和方式,以此达到减少 结构震动的目的。隔震方法主要有基底隔震和悬挂隔震两 种。 ③结构一被动减震 被动减震是通过采取一定的措施或附加子结构吸收和 消耗地震传递给主结构的能量,达到减小结构震动的目的。 被动减震方法有耗能减震,冲击减震和吸震减震。 ④反应一主动减震 主动减震是根据结构的地震反应,通过地震系统地执 行机,主动给结构施加控制力,达到减小结构震动的目的。 (一)隔震 1、基地隔震 1)橡胶垫隔震装置 用于隔震装置的橡胶垫块,可用天然橡胶,也可用人工 合成橡胶(氯丁胶)。为提高垫块的垂直承载力和竖向刚 度,橡胶垫块一般由橡胶片与薄铜板叠合而成。 2)铅芯橡胶支座

这样就使支座具有足够的初始刚度,在风荷来和制动 力等常见载荷作用下保持具有足够的刚度,以满足正常使 用要求,但强地震发生时,装置柔性滑动,体系进入消能状__

态。 3)滚珠(或滚轴)隔震 有自复位能力的;有加铜拉杆风稳定装置;横向油压千 斤顶位的。另外,还有加消能装置的,消能装置有软消能杆 剪,铅挤压消能器,油阻尼器,光阻尼器等。 4)悬挂基础隔震 5)摇摆支座隔震 同原理还有踏步式隔震制作,用于细高的结构物,如烟 囟、桥墩、柜体简体建筑物等。 6)滑动支座隔震 上部结构与基础之间设置相互滑动的滑板。风载、制 动力或小震时,静摩擦力使结构固结于基础上;大震时;结 构水平滑动,减小地震作用,并以其摩擦阻尼消耗地震能 源。 为控制滑板间的摩擦力,使之满足隔震要求;在滑板问 可以加设滑层。目前常用的滑层有:涂层滑层(聚氯乙 烯)、粉粒滑层(铅粒、沙粒、滑石、石墨等)。 2、悬挂隔震 。

悬挂隔震使将结构的全部或大部分质量悬挂起来,是 地震动传递不到主体质量上,产生较小的惯性力,从而起到 隔震作用。悬挂结构在桥梁、火电厂锅炉架等方面有大量 应用。著名的43层香港汇丰银行新大楼采用的就是悬挂 结构。 3、隔震应用的注意事项: 1)隔震实际上会使原有结构的固有周期震动,在下列 情况下不宜采用隔震设计: ①基础土层不稳定; ②下部结构变性大,原有结构的固有周期比较长; ③位于软弱场地,延长周期可能引起共振; ④制作中出现负反力; 2)隔震装置必须具有足够的初始刚度,这样能满足正常使用要求。当 强震发生时,装置柔性消震,体系进入消能\状态。 3)隔震装置能使结构在基础面上柔性滑动, 在地震来时这样必然会产 生很大的位移。 为减低结构的位移反应, 隔震装置应提供较大的阻尼, 具有较大的消能能力。 (二)被动减震 1、耗能减震 1)结构消能减震体系的特点: 结构消能减震体系是把结构的某些非承 重构件(如支撑剪力墙等)设计成消能杆剪,或在结构物的某些部位 (节点或连接)装设阻尼器,在风荷载轻微地震时,这些消能杆件或阻

尼器仍处于刚弹性状态, 结构物仍具有足够的侧向刚度以满足正常使 用要求,在强地震发生时,随着结构受力和变形的增大,这些消能杆 件和阻尼器,率先进入非弹性变形状态,产生较大阻尼,大连消耗输 人结构的地震能量, 从而使主体结构避免进人明显的非弹性状态并迅 速衰减结构的地震反应,从而保护主体结构在强地震中免遭损失。与 传统的结构抗震体系相比较,它有如下的优越性: ①传统的结构抗震体系是把结构的主要承重构件(梁、柱、节点)作为 消能构件,地震中受损坏的是这些承重构件,甚至导致房屋倒塌。而 消能减震体系则是以非承重构件作为消能构件或另设阻尼器, 他们的 损坏过程是保护主体结构的过程,所以是安全可靠的。②震后易于修 复或更换,是建筑结构物迅速恢复使用。③可利用结构的抗侧力构件 (支撑、剪力墙等)作为消能杆件,无需专设。④有效地衰减结构的地 震反应。由于上述的优越性,消能减震体系被广泛用于高层建筑的抗 震,高耸构筑物(塔、架等)的抗震或抗风,单层工业厂房排架纵向抗 震,管线系统减震保护等。2)结构消能减震体系的设计和工程应用: 消能减震体系按其消能装置的不同,可分为二类: ① 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 采用非弹性“弯曲”变形的消能减震性能,具有较高抵抗周疲劳破坏 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, 出现非弹性的缝面错动, 产生阻尼, 消耗地震能量。 阻 ② 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,结构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。 2、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。 3、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:TMD,液压(柱)阻 尼器(简称TLD或TLCD),SNPD和质量放大器。 (三)主动控制减震 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。主动控制体系中的控制器有三部分组成。 ①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。

②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。 ③控力器。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映。 根据控制器的工作方式,主动控制体系分三种类型: ①开环控制。根据外部激励信息调整控制力。 ②闭环控制。根据结构反应信息调整控制力。 ③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, 它已广泛用于电子工程, 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 尚是一个新兴研究方向。结构震动主动控制装置①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。②主动调频质量阻尼器。是在基础上增加主动控制 力而构成的减震器。③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。 三、今后的发展趋势 传统的依赖结构延性的抗震措施是以一定的损伤为代价减小地震反 应,应用见证效能技术则可以减小结构本身的损伤,对各类结构基本 上能使用, 其减震效果对地面运动特性依赖性较小, 耗资也不是很大, 因此是可以广泛使用的方法。 值得注意的是增大阻尼在减小结构相对 位移反应和变形的过程中有时会使结构的绝对速度和加速度增大, 从 而对内部设备和人员带来某些不利影响。 基础隔震对在短周期内地面

运动影响下的中短周期结构而言,其减震效果比消能技术更好,但对 地面运动输入特性比较敏感,不能完全消除共振的危险性。半主动控 制和混合控制方法可以满足不同的设防要求, 对地面运动和结构本身 不确定性的地适应能力更强,可以提高结构在地震作用下的安全性, 引入智能元件以后,效果会更好,因此是值得重视的新领域。此外尚 应在不同学科和专业之间开展合作和交叉研究,开发使用的装置、机 构和配套技术,尽快形成新的产业,以支持新技术的推广应用。结构 振动控制的研究和应用需要讲传统的建造技术与高新技术相结合, 使 结构的安全保障系统成为智能结构的重要组成部分, 为人类营造加安 全舒适的工作和生活环境。__

1.工程概况 广东科学中心坐落于广州市番禺区小谷围岛上(广州大学城内), 主楼 建设面积l1.5万m2,主体结构分成七大区,即A、B、C、D、E、F、G 区,其整体投影成广州市市花一木棉花形状,C、D?E F G区的五个造 型相同的科技航母,(见图)。建筑主体采用超大型钢结构,因为又处 于台风、地震频发区,在E区采用国内首创的大直径隔震橡胶支座, 以缓解台风、地震对结构可能造成的变形、破坏损害。



广东科学中心主楼示意图 1.1隔震支座布置情况 99个隔震支座分别布置于6个格构群柱基础顶面和接近B区基础的现浇平台内。 其 中EKJZ1、EKJZ2承台分别布置l4个隔震支座;EKJZ2、EK.IZ3、EKJZ4、EKJZ5 承台分别布置12个隔震支座,E区与B区接触的现浇板根部布置23个隔震支座。 1.2隔震制作形式 1.2.1隔震支座的组合形式单个橡胶垫支座形式示意图如下图2,双个橡胶垫支 座形式示意图如下图3。通过隔震支座示意图可知:eg个橡胶垫支座由单个橡胶 垫与上、下连接板组成的—个支座,中间部分为重金属铅;双个橡胶垫支座由单 个橡胶垫首先在其胶垫上、下连接钢板组成—个单垫整体,而后通过上、下连接 板将两个单垫整体联合, 组成一个单体的隔震支座。 其中, 中间部分为重金属铅。

2.隔震支座施工 2.1隔震支座施工流程 支座承台钢筋绑扎一预埋下板位置放线一预埋下板安装一支座下墩台模板安装 一混凝土浇筑及养护一板上预留螺栓孔清理一隔震支座安装一柱脚钢结构安装 一隔震支座外露铁件防腐处理一防雷焊接一上部钢结构安装。 (1)按照设计要求制作绑扎钢筋承台钢筋; (2)安装支座承台模板; (3)预埋钢板到场后立即作编号标识。由于隔震支座有多种型号,不同型号或不 同位置的隔震支座其下连接的预埋钢板尺寸不一样,因此需要xCJY?有的预埋钢 板作编号标识,以免安装时位置错放,造成难于挽救的损失; (4)预埋下板位置放线时采用基准控制线进行引测,用全站仪将安装用控制点投 于已绑扎承台主筋上,并用薄钢条焊接在主筋上做好标记; (5)在每一个承台面钢筋和一次混凝土浇注面之间焊接数根钢筋以支撑承台面钢 筋,这是出于避免承台面钢筋在众多的预埋钢板安装上,承台面钢筋受压下沉, 导致预埋钢板标高位置发生变化; (6)预埋下板安装时,采用已引测位置控制钢条进行就位,应用全站仪从基准点 精确定位每个预埋板的水平位置和标高,先临时固定,复核其位置与标高无误并 调平后,再进行焊接固定,与锚筋焊接时,不得损伤锚筋。固定好下板后,检查 下板上预留螺栓孔原保护塑料帽是否损坏,如损坏要进行更换; (7)浇筑混凝土前清理干净下埋板下面已浇混凝土表面杂物,混凝土表面凿毛处 理,并浇水润湿; (8)混凝土浇筑时,振捣时从下板周侧或中间圆孔处用3O振捣棒振捣,要振捣密 实并保证下埋板以下混凝土填满,支座承台处混凝土要保证密实,振捣过程中振 捣器尽量不要碰到预埋下板锚筋(图4),可从 下板周边进行振捣,浇完后浇水养护; (9)混凝土浇筑完成后,要再次复核下埋板位置、标高及水平度; (1O)隔震支座安装前清理板上的预备螺栓孔中保护套, 对在混凝土浇注过程中破 损的保护套,或孔中渗入杂物,先清理干净。对有混凝土渗入的孔,用攻头螺丝 清理螺纹,确保安装时高强螺丝能够终拧到位; (11)隔震器及预埋上板安装过程中要核对支座型号,连接螺栓要拧紧并基本一 致,保证隔震器水平度符合要求(图5); (12)柱脚钢结构安装时不得碰撞已安装隔震支座或撬动上板钢筋, 钢结构安装前 要检查防雷是否已按构造要求做好; (13)对支座外露连接螺栓采用设计要求防腐材料进行防腐,有锈蚀时要进行除

锈,上部钢结构安装时注意保护隔震支座。


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