减震隔震理论作业资料.docx
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减震隔震理论作业资料
减震与隔振理论作业
姓名：
郑文智
学号：
132********2
专业：
结构工程
实际工程中隔震结构抗震性能摘录：
近年来,通过基础隔震结构的强震观测,证明了基础隔震技术的可行性和有效性。
1994年的北岭大地震中,采用叠层橡胶支座和橡胶铅芯支座进行隔震的洛杉矶南加州大学医院,在地震作用下完好无损,未发生任何结构破坏。
1995年的神户大地震中,松村组技术研究所的研究大楼，采用高阻尼橡胶支座隔震，得到的地震观测记录也体现了较好隔震效果。
而相邻的管理大楼,采用抗震设计,其屋面加速度记录为研究大楼的5倍作用,进一步证明了基础隔震的有效性。
2010年2月27日智利8.8级大地震中，智利的第一栋基础隔震建筑安达卢西亚公寓,一个四层的钢筋混凝土剪力墙-砖石砌体结构，本次地震中该结构没有出现任何结构破坏。
自然灾害（地震、暴风、海浪等）给人类的生命、财产造成了巨大损失，而灾害发生时建筑物的大量破坏和倒塌是造成这种损失的直接原因。
隔震技术已被证明是一种减小地震动下建筑物灾害损失行之有效的方法。
目前已建成大量的隔震结构。
总的来说，对刚性结构的隔震技术研究已经较为成熟。
在我国，2001年版的建筑抗震设计规范中已经列入隔震和消能减震设计一章（注：
2010年版又进行了修改和进一步完善）。
但随着经济和科学技术的发展，高层、超高层建筑在总建筑中的比例不断增多，同时也出现了一些重要的需特殊防护的建筑。
对这类建筑应用隔霞技术时，遇到了一些新问题需要研究和解决。
为此，该文献[1]对隔震技术用于高层和特殊建筑物所面临的问题及解决方法进行了一些相关理论和试验的介绍。
1国内外隔震结构技术研究
主要摘录[1]中结构控制研究中的隔震技术优缺点
1.1国内外结构控制技术研究
1972年，Yao基于控制理论首次提出了“结构振动控制”的概念。
这是人类抗震发展史上的一座里程碑，为结构的震害预防开辟了新的思路。
之后许多国家的学者对控制理论及其在结构工程中的应用进行了广泛深入的研究，相继提出了被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制、智能控制等理论，并在实践中进行了一些应用．取得了良好的制震效果。
在我国，结构控制的研究始于1980年王光远院士对高耸结构振动控制的一篇综合评述文章,之后我国对振动控制技术的理论和实践研究相继展升。
结构振动控制技术可分为主动控制、半主动控制和被动控制。
被动控制分为基础隔震、耗能减震和吸振三类。
现已开发出多种隔震和耗能、吸能减震装置，如叠层橡胶隔震垫、摩擦滑移隔震装置、金属耗能器、摩擦耗能器、粘滞阻尼器、粘弹性耗能器、调频质量阻尼器（TMD、调频液体阻尼器（TLD）等。
近年来，隔震结构监测系统的研究和建立已逐步推广。
2005年福建省防震减灾中心大楼安装了地震观测系统，对两次典型地震实测结果的分析表明，由于所测得的振动幅值很小（顶层加速度峰值仅为3.15cm/s2）,在地震作用未能使隔震层克服初始屈服点的情况下，隔震层并未充分发挥功能，12层的钢筋混凝土结构的减震效果不明显。
但相比几次小震下的测试结果，地震作用越大隔震效果越明显。
2010年在广东科学中心E区采用隔震设计的钢结构也安装了支座监测系统。
隔震体系在发展的过程中，遇到新的技术问题亟待解决：
新型隔震系统的研究和开发，其次，在高层建筑中应用隔震技术的理论和进行试验研究。
1.2国内外智能隔震的研究与应用
智能控制系统是以智能材料为主导，由智能材料调节器根据“感觉神经”测得的结构振动状态，自我调节智能材料结构构件的参数（或施加控制力），实现减小整个结构振动反应的目的。
智能控制系统一般由传感器，智能驱动器，控制器及受控结构等组成，其具体执行过程如图1-1所示。
图1-1智能控制系统运行示意图
1.2.1智能材料与智能驱动器
驱动器可以根据智能控制算法的计算结果，由控制器发出对应的指令，从而对结构施加控制力或位移，以抵抗结构的动力反应。
驱动器所选用的智能材料一般有压电陶瓷（PE）、形
状记忆合金（SMA）、磁致伸缩材料和电（磁）流变材料等。
1.2.2智能控制器
控制器是控制系统的神经中枢。
内它根据结构的瞬时振动反应，依一定的控制策略去调整驱动器的瞬时参数，以实现减小结构振动反应的目的。
智能控制主要包括神经网络、模糊控制、遗传算法三种方法。
神经网络：
它是依靠事前的自我学习，得以逼近任意精度和复杂程度的非线性系统，达到给出一个输入，可以得出一个输出，而并不需要知道输出和输入之间存在着怎样的数学关系。
在地面地震动的激励下，结构将产生受迫振动，用神经网络进行结构振动控制时，将前几步的结构响应和控制信号作为神经网络的控制器输人，由神经网络控制器计算出下一步应施加给作动器的控制信号，并由作动器施加振动控制。
模糊控制：
它是依据有关专家的经验、知识等建立控制规则，依赖于模糊规则和模糊变量的隶属度函数，通过模糊推理计算出较仍的控制力。
模糊控制因无需知道输出和输入之间的数学依存关，而具有鲁棒性强的特点，尤其适合于非线性、时变、滞后系统的控制。
遗传算法：
是模拟达尔文的遗传选择和自然淘态的生物进化原则进行搜索的算法。
该算法应用“染色体”字符表示控制力，通过“复制、交叉、变异”等操作，根据适应度函数来判断控制力的优劣，伴随着算法的运行，优良的品质被逐渐保留并加以组合，从而不断产生出更佳的个体。
1.3基础隔震技术的研究与应用
基础隔震，就是在结构基础与上部结构之间设置柔性层，使上部结构的基本周期大大延长，从而避开地震卓越周期，降低结构在地震时的加速度反应。
从另一方面说．隔震层隔离了地震能量向上部结构的传递，使结构地震反应减小。
（1）铅芯叠层橡胶隔震垫（LRB）。
它是把铅注人多层橡胶中心，使隔震装置一体化，铅销子可在地震时吸收地震能量，同时还可使建筑物返回原来位置。
装置较大的竖向刚度可以承受很大的上部结构重量。
（2）摩擦滑移隔震装置。
该装置利用石墨，沙粒或滑移板做滑移层，加复位消能器组成。
这种装置造价低廉，构造简单。
其缺陷是摩擦滑移层的摩擦系数无法控制。
（3）滚动隔震装置。
该装置是利用双向滚轴，滚球加复位消能器组成。
它主要利用了屏蔽地震能量的隔震方法，使地震能量反馈入土层．减小结构的地震反应。
（4）短柱隔震装置。
它是内钢筋混凝土短柱、钢棒短柱或钢管混凝土短柱作为提供恢复力的构件。
它利用了钢管混凝土受弯构件滞回曲线饱满，呈仿锤形，无下降段，有很好的延展性和稳定性的特点，因其性能稳定，性价比远大于橡胶垫隔震。
高层隔震建筑的共同特点是高宽比较大，相对于一般中低层隔震结构，容易出现以下一些问题：
（1）隔震支座普遍存在坚向抗拉能力差的弱点，而高层隔震结构某个方向高宽比较大时，由于该向抗弯刚度较弱，在地震发生时，隔震层将承受很大的弯矩，这时有的隔震支座可能受拉进入屈服破坏，进而结构存在整体倾覆的危险。
对这种破坏形态可由理论和试验方法得出针对不同场地、地震烈度下的高宽比限值，而对这方面的研究还不充分。
（2）结构动力反应特点的研究。
高层隔震结构由于高宽比较大，相对中低层隔震，上部结构可能产生弯曲变形和高阶振型的反应。
对此，还缺少理论和试验的分析。
（3）结构最大反应预测和设计方法的研究。
对于中低层隔震结构，可以把上部结构假定为刚性质量块进行隔震层位移的验算和简化设计。
但对于高层隔震，这个假定显然不再成立。
上部结构的动力特性将对隔震层变形产生影响。
因而需要建立一种新的适用于高层隔震结构的计算模型和实用设计方法。
2LRB隔震结构多维振动台试验设计
针对此书中的隔震结构模型振动台实验方案，对甘肃移动第二枢纽通信机房设计隔震结构模型的振动台实验：
按缩尺1：
20比例铅芯橡胶垫隔震结构模型进行了其在多向地震波输入下的振动台试验情况介绍。
试验分为小高宽比隔震结构模型双向地震波输入、大高宽比隔震结构模型单双向地震波输入和隔震结构模型三向地震波输入。
通过输入不同大小和类型的地震波，分析隔震上部结构和隔震支座的地震反应。
对试验相关数据的分析可为隔震结构设计理论和规范的编制提供试验依据。
2.1LRB试验模型结构及相似关系
通过参考相关振动台试验书籍，将移动二枢纽简化为一跨三榀试验模型，其相似关系如下：
试验模型为一幢1：
20的五层钢筋混凝土框架结构，X向、Y向及俯视图如图5-1所示。
模型X向高宽比为3.13；Y向高宽比为1.57，为常规隔震结构。
利用量纲分析法确定出模型各参数的相似比如表5-1所示。
按相似比得出模型上部结构和隔震层每层配重1.3t，这样连同钢构架质量，模型结构总计约10t。
这10t的重量由位于隔展层的六个直径100mm的铅芯橡胶支座。
图2-1模型结构简图
表2-1模型相似比系数
物理量
符号
量纲
相似系数
长度
Sl
L
0.05
弹性模量
SE
ML-1T-2
1
刚度
Sk
MT-2
0.05
加速度
Sa
L/T2
1
时间
ST
T
0.1
速度
Sv
L/T
0.1
位移
Sx
L
0.05
质量
Sm
M
0.025
2.2隔震支座的选择与性能试验
主要参考[1]中的振动台实验方案。
不管采用何种形式的叠层橡胶隔腔支座，都应具备以下儿项功能[2]：
（1）具有足够的竖向刚度和竖向承载力，能够稳定地支撑建筑物；
（2）具有足够柔的水平刚度，保证建筑物的基本周期延长到1.5~3.0s左右；
（3）具有足够大的水平变形能力储备，以确保在强震作用下不会出现失稳；
（4）水平刚度受垂直压缩荷载的影响较小；
（5）具有足够的耐久性，至少大于建筑物的设计基准周期。
2.2.1隔震支座的设计与隔震层最大变形验算
本次试验预设计制作六个铅芯橡胶垫支座，将其中性能较为接近的四个放置在模型结构的四个角上．支座的规格尺寸参考表2-2。
表2-2支座详细参数
参数
数值
参数
数值
试验体编号
LRB
橡胶层厚度t及层数
1.3mm*16
弹性系数/Nmm2
0.55
橡胶总厚/mm
20.8
直径/mm
100
截面积
7.0
铅芯直径/mm
10
7.74*103
下面是由理论公式计算得出的上述橡胶隔震支座的各种力学性能参数。
屈服荷载：
等效水平刚度：
式中，
为中孔钳芯的面积，
为支座的总面积。
由隔震支座的等效刚度值，并取8度0.2g罕遇地震的地震影响系数最大值0.9，可得隔震层的最大位移：
由规范知橡胶隔震支座的水平最大允许变形值：
min（0.55D，3Tr）
即所设计的橡胶隔震支座最大变形满足规范限值。
需要说明的是，上面验算的是模型在试验高烈度地震波输入下的反应。
对于试验输入的一般烈度地震波，试验所选橡胶垫直径偏大。
但由于加工工艺问题，所取直径已是确保生产性能稳定下的橡胶垫最小直径。
2.2.2隔震支座的压剪性能试验（参考[1]）
为确定橡胶垫的力学性能参数，对各试件进行25％，50％和100％的压剪试验。
得出各试件的力和位移滞回曲线。
比较各橡胶垫等效刚度和屈服力的理论计算仅与试验结果，验证加工出的橡胶支座书否满足设计要求，如果结果结果满足要求，可以用于振动台试验。
2.2.3隔震支座竖向抗拉性能试验
对试验用六个橡胶垫中的三个进行竖向抗拉性能试验得出其滞回曲线。
一般而言，橡胶垫竖向抗拉能力较弱，在竖向拉力达到某一定值时橡胶垫即出现屈服；随着拉力的增长，刚度迅速降低，出现了很大的竖向变形。
另外，曲线没有显现明显的耗能滞回环，即橡胶垫竖向不具有明显的耗能能力。
（参考内容）
2.3振动台的试验的试验方案
2.3.1加载地震波与加载工况的选择
试验拟选用选用分别属于二类、三类和四类场地的ElCentro波、Taft波、天津波。
每条地震波特性如表2-3所示。
试验具体加载工况如表2-4所示。
对于双向和三向加载，试验时是将x向输入地震波调到加载要求的峰值大小，其他方向按原始地震波各向峰值比例，进行调整后加载。
（参考）
表2-3拟选用地震波列表
分组
持时/s
记录间隔/s
峰值加速度/cms-2
发生时间/s
ElCentro波
X向
53
0.02
341.695（NS）
2.12
Y向
210.142（EW）
11.44
Z向
-206.34（UD）
0.98
Taft波
X向
54
0.02
175.9（NS）
9.3
Y向
152.7（EW）
9.1
Z向
102.9（UD）
9.76
八户波
X向
45
0.02
229.640（NS）
18.1
Y向
180.230（EW）
17.1
Z向
114.200（UD）
39.0
天津波
X向
19
0.01
145.805（NS）
7.65
Y向
104.180（EW）
7.59
Z向
73.14（UD）
9.03
按照《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ3-2010），当选用三组时程曲线进行计算时，结构地震作用效应宜取时程法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值；当七组及七组以上时程曲线进行计算时，结构地震作用效应可取时程法计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。
因此，考虑到原结构是位于8度0.2g烈度地区，三类场地，地震分组Ⅱ组，故首先选用五条天然波和两条人工波进行谱匹配，前三阶周期所对应的谱加速度幅值与8度0.2g相对应的谱峰值相差在20%之内，同时考虑所选波的场地类型与原结构所处场地类型一致。
谱匹配程序见附件。
表2-4试验加载工况
Y+Z向（高宽比1.57）
X+Z向（高宽比3.13）
X+Y+Z向输入试验
白噪声X+Y+Z向，总持时60s
幅值0.07g八度设防烈度幅值0.2g
ElCentro波
Taft波
八度设防烈度幅值0.2g
ElCentro波
Taft波
八度设防烈度幅值0.2g
ElCentro波
Taft波
八度设防烈度幅值0.4g
ElCentro波
Taft波
八户波
天津波
八度设防烈度幅值0.4g
ElCentro波
Taft波
八户波
天津波
八度设防烈度幅值0.4g
ElCentro波
Taft波
八户波
天津波
八度设防烈度幅值0.6g
ElCentro波
Taft波
八户波
天津波
八度设防烈度幅值0.6g
ElCentro波
Taft波
八户波
天津波
2.3.2传感器布置与量测方案选择
试验拟采用的传感器有：
激光位移传感器、三向力传感器、加速度传感器、应变片传感器。
传感器具体布置位置与个数如图2-2所示。
图2-2传感器布置位置图
模型结构在白噪声激励下，楼层反应的自谱出现峰值时所对应的频率就是模型的自振频率。
3隔震建筑的设计中要注意的情况（摘录部分）
3.1分部设计方法
《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第1.0.3条规定：
“本规范适用于抗震设防烈度为6、7、8和9度地区建筑工程的抗震设计以及隔震、消能减震设计。
建筑的抗震性能化设计，可采用本规范规定的基本方法。
抗震设防烈度大于9度地区的建筑和行业有特殊要求的：
工业建筑，其抗震设计应按有关专门规定执行。
”
《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）对于隔震建筑的设计引入了分部设计法，并在设计中提出了水平向减震系数的概念。
所谓分部设计法，是指将整个隔震结构分为上部结构、隔震层、下部结构及基础等部分，分别进行设计。
对上部结构，仍然沿用抗震结构的设计方法，但水平地震作用应采用隔震以后的地震作用值。
由于叠层橡胶隔震支座不能隔离竖向地震作用，因此竖向地震作用不能降低。
隔震层以上结构的抗震措施，可根据具体情况区别对待。
隔震层设计首先要满足承载力的要求。
应当根据预期的水平向减震系数和位移控制要求，选择隔震层的等效刚度和等效阻尼比，即选择适当的橡胶支座来满足这两部分要求。
还应验算隔震层在罕遇地震作用下的强度和稳定性。
隔震层下部结构的地震作用计算、抗震验算和抗震措施，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行抗震验算。
隔震建筑地基基础的抗震验算不考虑隔震产生的减震效应，仍应按照本地区设防烈度进行。
3.2高层隔震结构设计中的等效双自由度模型
等效质量：
是上部结构第一振型，由子结构及其等效质点的基本频率相等可得等效刚度：
以第一周期和按规范计算的基底剪力相等为等效原则，用上部子结构的总质量作为等效质量
，按下式简化计算，得等效刚度:
由于建筑抗震设计规范规定结构的基底剪力按下式计算：
地震影响系数
由第一周期来查，等效质点与子结构周期、总质量相等，因此由规范计算可知基底剪力相等的条件自行满足。
3.3高层隔震结构设计中剪切型隔震结构等效三自由度模型及其参数简化
对于高层隔震结构，需要对其上部子结构的高振型影响进行考虑，此时如只取单质点模型等效隔震上部子结构显然不很合适。
为此应用两阶周期、总基底剪力和总基底弯矩相等为等价准则，推导上部子结构的双自由度等效模型。
首先设上部双自由度剪切型结构的质量（
）与刚度矩阵（
）为
再由上部子结构和其等效双自由度模型前两阶频率
相等的等价准则可得：
得出
有实根的条件：
的表达式：
再由振型分解反应谱法可知上部双自由度模型第
振型的基底剪力为：
式中，
是第
振型的地震影响系数。
同理，隔震上部子结构考虑直至m阶高振型影响的总基底剪力为：
令上部子结构与其等效双自由度模型的总基底剪力相等，并带人由
表示的
和
的表达式，这样对于选定的不小于1的
值，应用上述公式即可求出与上部结构等效的剪切型两质点模型质量和刚度矩阵。
这样隔震上部结构的双自由度等效模型与隔震层单自由度
组成了新的隔震结构三自由度模型。
3.4隔震层的布置
根据隔震层所在竖向位置不同，隔震建筑可分为基础隔震建筑、层间隔震建筑和大跨空间结构屋架或网架底部隔震等类型。
最常用，技术上最成熟的是基础隔震技术。
一般而言，隔震层位置越低，隔震效果越好。
基础隔震方案可将隔震层设置于基础顶面，但为了便于隔震装置的安装和维护，隔震层顶部梁底与基础顶面之间至少要留0.8m的空间。
为有效利用隔震层空间，也可格隔震层做成地下室或半地下室，将隔震支座放置于地下室柱顶或墙顶。
但这种布置方案中，地下室校或墙须承担隔震层的剪力和上部结构竖向荷载与隔震层位移引起的P-Δ效应，设计时需引起注意。
隔震支座是隔震结构的主要部件，其功能主要包括承担竖向荷载和隔离水平地震作用两方面。
阻尼装置的主要作用是防止隔震层的过度变形并吸收能量，常用的有利用钢、铅等金属的塑性变形或库仑摩擦力制作而成的滞回型阻尼器和利用油、黏性流体和黏弹性体的黏性制作而成的黏性阻尼器。
在初始刚度不足的情况下，还应在隔震层设量抗风装置，以抵御风荷载引起的结构振动。
阻尼装置和抗风装置可与隔震支座合为一体，亦可单独设置。
如果分析所得隔震层位移较大，可以设置限位装置，同时要避免产生碰撞等不利影响。
当隔震支座有较大的水平变形能力，有较大的阻尼，并且与上、下部结构有可靠的连接时，一般可不单独设置限位装置。
3.5隔震建筑与外周场地、构筑物等之间的关系
为了保证隔震建筑在罕遇地震时的水平向自由运动，应当处理好隔震建筑物外周场地、构筑物等之间的关系，避免相互碰撞。
在设计时，应当对隔震建筑周边的树木及与其脱离的构筑物等进行综合考虑，并采取相应措施。
对靠近建筑物的树木等生长情况进行预测，在隔震建筑正常使用期间，不应阻碍建筑物在罕遇地震作用下的水平运动。
建筑物周边的各种低矮构筑物、出人口台阶、坡道等，应与建筑物外围脱离，并采用设置隔震沟等构造方法避免相互碰撞。
隔震沟是设置于隔震建筑周边的安全空间，是保证隔震建筑在地震下发生水平位移时不与其周边环境及构筑物发生碰撞的基本构造方法。
隔层沟的有效宽度不宜小于各隔震支座在罕遇地震下最大水平位移值的1.2倍且不小于200mm。
另外，在设计隔震沟时还应考虑定期检修和清理所需空间。
为防止人员杂物等进入隔震沟，应在隔震沟上方开口处设置盖板。
盖板可单独设置成可移动盖板，也可以与上部结构整浇形成悬挑盖板，但盖板另一侧应设置完全贯通的水平隔离缝与挡土墙脱离。
缝高可取20mm，并在缝中设置柔性填充材料。
隔震沟的设置可结合具体情况采用散水做法、隔震沟兼雨水沟做法、隔震沟与雨水沟分开做法、悬挑梁隔震沟做法等几种形式。
4隔震建筑施工过程主要监测对象（摘录部分）
工程施工阶段监测单位应对隔震橡胶支座的竖向变形进行观测并记录。
隔震橡胶支座安装阶段，应对支墩（或柱）顶面、隔震文座顶面的水平度，隔震支座中心的平面位置和标高进行观测并记录。
一般情况下，单个支座的倾斜不大于0.5％；支座底部的中心标高偏差不大于3mm。
建筑隔震橡胶支座的竖向变形小于5mm（总变形量），隔震支座之间的差异沉降小于3mm。
参考文献
[1]付伟庆.智能隔震与高层隔震的理论与试验[M].哈尔滨:
黑龙江大学出版社，2007.
[2]苏经宇,曾德民,田杰.隔震建筑概论[M].北京:
冶金工业出版社,2012.
附件：
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plot（T,RYY（:
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plot（T1,alpha_spectrum_code,'g--','LineWidth',2）
试选7条地震波进行谱匹配
'Elcentro'，'Elcentr2'，'Taft'，'Kobe'，'Tangshan'，'III
（2）-1'，'III
（2）-3'.
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