减震控制技术概述Word文档下载推荐.docx

1、这是目前较为现实可行的途径。目前达到的水平是“屡见成功，偶有失利”。地震工程内容丰富，大体上包括：a.地震危险性分析和地震区划：震害预测，地震区域烈度划分，地震危险性分析，城市抗震规划，抢险救灾措施，震后恢复重建等。b.建筑结构的耐震技术：确保各类工业、民用建筑，生命线工程（供水、供电、煤气、暖气、通信、广播电视、道路、桥梁、铁路、机场、港口、粮食仓库、急救医院等）有关工程结构，各类重要建筑或重要工程结构等的耐震安全性。包括对耐震性能不足的旧有建筑物的改造或改良，也包括对新建筑结构物的耐震设计和建造。我国经历了邢台地震、海城地震、唐山大地震，世界经历了前苏联亚美尼亚大地震、美国加州大地震、日本

2、贩神大地震等，通过对大量工程建筑物的现场调查，吸取了很多宝贵经验教训，对建筑结构的耐震安全性进行总结和反思，分析传统结构抗震技术存在的问题，探索新的抗震设防标准（谢礼立等，1996），提出一些新的设计理论（王光远，1987）和一些崭新的、更加台理、安全、经济的结构耐震新体系、新理论、新技术，包括“工程结构减震控制”（Zhou Fulin，Xie li，1994），以达到大范围、大面积地确保各类建筑结构在地震中安全的目的。（3）中国唐山、日本阪神等大地震的经验教训 1976年 7 月 28日唐山大地震，在 10多秒内把一座百万人口的工业城市毁为一片废墟，死伤 40余万人，震惊中外。1995年 1

3、 月 17日阪神大地震，在 20 秒钟内，美丽的神户城突然间横墙断壁，一片火海，倒塌房屋 5 万多幢，高速公路及桥梁整线倒塌，交通通信、供水供电中断，死亡 5 000多人，30万人无家可归，其惨重灾害震惊世界。这些大地震的经验教训是多方面的，在建筑结构耐震方面，可归纳如下：耐震设防依据方面。城市抗御地震的能力、各类建筑结构的耐震设计不应仅仅局限于满足“按烈度设防”，而更要着重于防御突发性的超烈度大地震。我国建国以来，多次破坏性的大地震均发生在无须设防的地区，或 6 度区。如1966 年的邢台地震、1969 年的阳江地震、1974 年的溧阳地震、1975年的海城地震、1 976 年的唐山大地震等

4、。这些地区，原来都属于非地震区或地震烈度不高的地区，建筑物设防标准很低，在突发性超烈度地震发生时，整个城市的生命线工程和大部分建筑结构严重破坏，房屋大量倒塌，造成惨重灾害。日本神户地区也属日本的低烈度地震的安全地区。80 年来相对平静，千年来朱遇如此大的地震，政府部门和人民均对大地震丧失警惕性，大量的旧房屋未满足耐震要求，也未加改造加固，不少新建筑、新工程也只按既定的“设计烈度”设防。由于阪神大地震的实际烈度比原设计烈度高出很多，导致大量建筑、结构物、桥梁、公路等严重破坏、倒塌，其教训是发人深省的。房屋耐震能力方面。建筑结构的破坏例塌是造成震灾的主要直接原因。唐山：赶地震、阪神地震中人员伤亡、

5、城市生命线工程的破坏（水、电、通信等）及大火，很多是由于房屋倒塌引发的。所以，提高建筑结构的耐震安全性，是减轻城市地震灾害的主要战略对策之一。对城市已有房屋及新建房屋，特别是量大面广的民用建筑，须刻不容缓地采取措施提高其耐震能力。我国某市属 8度设防地区，旧有建筑几乎都不满足最低的抗震要求，该地区近十年来新建的建筑物，为了降低造价，竞也有 95%“未抗震设防,后果不堪设想。经济发达、重视抗震的日本，在神户地震中有几万幢房屋破坏倒塌，若我国发生类似的地震，将会有更多的房屋彻底破坏倒塌，人民的生命财产面临严重威胁。对于已建、在建的房屋除应严格按有关规范规定设防外，应寻找更加合理、有效、经济的耐震新

6、技术（如采用隔震、消能技术等），使旧房的耐震性能在不太长的时间内予以全面得到改良，也使新建的房屋具有较高的抗御突发大地震的能力。耐震技术方面。按传统的抗震技术进行设计，并未能确保安全，而结构减震控制新体系，展示了确保建筑结构在突发大地震中安全的光辉前景。阪神地区的高速公路、高速铁路及桥梁已按新规范进行设计（地震荷载达 30的结构质量），但在地震中仍戚片整线破坏倒塌不少多层钢筋混凝土建筑结构严重破坏或倒塌。但两幢“橡胶垫基础隔震”的房屋在强地震中丝毫未损，据装设在房屋中的仪器记录得知，隔震房屋在地震中的加速度反应值衰减至传统房屋加速度反应值的 l418，再者，采用“柔性钢管（消能）结构”体系的关

7、西国际机场（屋面钢管长度 l 600 m，柔性支撑减震），虽坐落在震害严重的填海区，却丝毫未损，震后航空运输照常，确保救灾工作得以进行。2、工程结构减震控制的基本概念（1）工程结构耐震技术的演变与发展 地震发生时，地面振动引起结构的地震反应。对于基础固结于地面的建筑结构物，其地震反应沿着高度从下到上逐层放大（图 2-6-2a）。由于结构物某部分的地震反应（加速度、速度或位移）过大，使主体承重结构严重破坏，甚至倒塌；或虽然主体结构未破坏，但建筑饰面、装修或其他非结构配件等毁坏而导致严重损失；或虽然主体结构及非结构配件未损坏，但室内的昂贵仪器、设备的破坏导致更严重的损失或次生灾害。为了避免上述灾害

8、，人们必须对结构体系的地震反应进行控制，并消除结构体系的“放大器”作用。其技术方法演变如下；第一，大大增加结构物的刚度，即做成“刚性结构体系”（图 2-6-2b）。这种体系的结构地震反应接近地面地震动，但在很多情况下，这样做是不经济的，较难实现的。只有少数的重要构筑物采用这种结构体系。第二，大大减少结构物的刚度，即做成“柔性结构体系”（图 2-6-2c）。这样，虽然能有效地减少结构各部分加速度反应，减少地震作用，但建筑物层问位移过大，使建筑装饰等构配件严重破坏。并且，在风荷载或轻微地震作用下嫌刚度不足，影响正常使用。这种做法，在很多情况下是不能满足设计和使用要求的。第三，增大上部结构的刚度，但

9、把结构的底层做成刚度小的、地震时进人非弹性状态的柔性底层，即“柔性底层结构体系”（图 2-6-2d）。东欧及我国某些临街建筑（底层为框架、上部为剪力墙结构或砖石结构）就属于这种结构体系。它虽能有效地减少上部结构的地震反应，又能通过底层的非弹性变形消耗地震能量，但由于 P 一效应，底层变形过大，导致底层柱损坏严重，甚至倒塌。多次震害说明这种结构体系在很多情况下是危险的。第四，适当控制结构物的刚度，但使结构部件（如梁、柱、墙、节点等）在地震时进入非弹性状态并且具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”，这就是“延性结构体系”（图 2-6-2e），是目前我国和世界各国普遍采用

10、的传统抗震方法。这种方法在很多情况下是有效的，它的设防目标是“小震不坏，设计烈度可修，大震不倒”。这种传统结构体系及抗震方法存在下述问题：安全性难以保证：传统抗震方法以既定的“设防烈度”作为设计依据，当发生突发性超烈度地震时，房屋可能会严重破坏，并且，由于地震的随机性，建筑结构的破损程度及倒塌可能性难以控制，故安全性难以保证。适应性有限制：传统抗震方法容许建筑结构在地震中出现一定程度的损坏，对于某些不容许在地震中出现破坏的建筑结构，或内部有贵重装饰的建筑结构，是不适用的。并且，这种抗震方法只考虑建筑结构本身的抗震，未考虑房屋内部设备、仪器的抗震，当建筑物内部有较重要的设备、仪器、计算机网络、急

11、救指挥系统、通信系统、医院医疗设备等情况时，是不适用的。例如，1971 年美国旧金山地震时，加州西马克电话总机房结构只有轻微破坏，但内部通信设备严重般坏而导致全地区电信中断，抗灾指挥及抢救无法进行所造成的损失难以估计。经济性欠佳；传统抗震方法以“抗”为丰要途径，通过加大结构断面加多配筋来抵抗地震，其结果是断面越大，刚度越大，地震作用也越大，所需断面及配筋也越大。这种恶性循环，不仅难肚保证安全，也大大提高“抗震”所需的建筑造价，其建筑造价的增加幅度大约如 F：7度 增加造价 38 8度 增加造价 81 5 9度 增加造价 1540 由于“抗震”，必须增加建筑造价，导致抗震设防在不少地区难以主动实

12、施。所以，根据我国的国情，要在全国较大范围内实施抗震设防，必须寻找一种既安全（在突发性的超烈度地震中不破坏，不倒塌），又适用（适用于不同烈度，不同建筑结构类型，既保护建筑结构本身，又保护建筑物内部的仪器设备），又经济（不增加建筑造价）的新的耐震新体系。这就是“工程结构减震控制”新体系。这样，隔震体系、消能减震体系、结构被动及主动控制体系就应运而生，这些新体系具有明显有教减震（能使结构地震反应衰减至普通传统结构的 l4116 或更低），安全，简单，经济，适应性广等明显优点。（2）工程结构减震控制的定义及减震机理 工程结构减震控制，是指在工程结构的特定部位，装设某种装置（如膈震垫等）或某种机构（如

13、消能支撑消能剪力墙；消能节点消能器等），或某种子结构（如调频质量等），或施加外力（外部能量输人），以改变或调整结构的动力特性或动力作用。这种使工程结构在地震（或风）作用下的动力反应（加速度、速度、位移）得到合理的控制，确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安全和处于正常的使用环境状况的结构体系，称为“工程结构减震控制体系”，其相关的理论、技术和方法，统称为“工程结构减震控制”。（3）工程结构减震控制的内容及分类 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。第一种分类：按技

14、术方法分类。第二种分类；按是否有外部能源输人分类。第三种分类：按与结构频率相关性分类。（4）工程结构减震控制的特点及优越性 工程结构减震控制技术与传统抗震技术的比较及特点如下：不同的耐震途径和方法；传统抗震技术是沿用“硬抗”的途径，即采用加强结构，加粗构件断而，加多构件配筋，提高结构刚度等方法来抵抗地震。因而，很不经济，并且结构刚度越大，地震作用越大，恶性循环，最终是既不经济，也不一定安全。而减震控制技术则是采用减震、消能、调整结构动力特性等方法，达到隔离地震或消减地震反应的目的，既能有效减震，较为安全，也较为经济。不同的设计依据：传统抗震设计方法是按照预定的“烈度”限定结构的抗震能力。当实际

15、地震超过预定“烈度”时（中外破坏性大地震超过预定烈度的甚多），结构就处于不安全状态。而结构减震控制设计则是根据地区的场地动力特性和结构物的特性，采用不同的隔震、消能、减震控制技术，考虑在该地区可能产生的突发性超烈度大地震的情况下，结构的地震反应仍被控制在安全的范围内，确保结构物以及结构中的人，设备、仪器的安全和正常使用环境。所以，结构减震技术比传统抗震技术更为安全。不同的防护对象：传统结构抗震技术只考虑结构本身的抗震能力而未考虑结构中的设备、仪器、装修等的防护要求。结构减震控制技术则可根据结构物本身安全要求及内部设备、仪器，装修的不同要求进行隔震，消能或减震控制，既保护结构本身的安全，也保护结

16、构内部的设备、仪器、装修及正常使用环境。故它更符合现代社会对地震防护越来越高的要求。不同的适用范围：按传统抗震技术设计的工程结构物主要靠结构本身提供抗震能力。对于某一些耐震能力不足的已有工程结构物（例如超高层建筑），如果结构本身耐震能力小足，则难以采用“加强”的方法来弥补。而结构减震控制技术主要不靠结构本身抗震，而是通过增设某些装置进行隔震、消能或减震。所以，它不仅适用于新设计的工程结构物，也适用于对耐震性能不足的工程结构物进行改良、加固使其满足耐震（或抗风）要求。由于结构减震控制技术有上述特点，对比传统抗震技术，它具有很多优越性：安全可靠、有效减震（抗风）：根据振动台或实际地震记录，减震控制

17、结构的地震反应与传统抗震结构的地震反应的比值为：隔震结构：825；消能结构：3060；被动控制结构：主动控制结构：l050。经济、节省工程造价：减震控制结构虽然增设某种装置（隔震垫、消能机构、控制子结构等）但主体结构所承受的地震作用大大减小，故可减少构件断面，减少构件配筋，扩大跨度，增加高度等等，结构物的总造价反而节省。根据某些已建结构的结算，减震控制结构与传统抗震结构的工程造价相对比，节省造价如下：320；消能减震结构：310；被动或主动控制结构：520。使建筑结构设计不受太多限制：由于采用隔震、消能、减震控制装置，结构本身所受的地震作用太大减少因而可以突破传统结构对结构设计的某些严格限制（

18、如要求体型规则、对称、刚度均匀，刚心质心重台，限制层数、高度、跨度等等），按照建筑结构的功能要求，做成非规则结构、大跨度结构、大开间结构、框架与砖混合结构，超高砖混结构、超高层抗震抗风结构等等。使建筑师从“抗震”限制中解放出来，较自由地对建筑物或结构物进行建筑设计，而其耐震能力通过“减震控制”装置加以保证。适应范围广：既适用于新设计的工程结构也适用于已有工程结构的耐震、抗风性能的改善；既适用于量大面广的一般建筑结构、住宅建筑，也适用于地震时要求保证绝对安全的重要工程结构（知核电站工程结构）可能产生放射性物质、剧毒物质泄漏或剧毒气体扩散、爆炸及其他有重大政治、经济、社会影响的建筑物、结构物，超高

19、层建筑、大跨度桥梁、城市生命线工程（铁路干线、大型车站、交通枢纽、机场、港U、粮食加工厂、医院、急救中心、消防中心、应急指挥中心、供电、供水、供气、通信广播电视系统等）的工程结构物、卫星地面站、海洋平台等等；既适用于工程结构减震，也适用于设备、仪器环境振动的减振（震）。检测修复方便：由于结构减震控制是通过外设装置而不是通过结构本身过到耐震要求的，故对其耐震性能的检测修复也只限于外设装置。这比检测或修复结构物本身要快捷方便得多。它能确保地震后的快速修复，这对地震后尽快恢复正常生产和生活具有十分重大意义。3、工程结构减震控制的发展历史、应用和现状（1）中国古建筑隔震消能技术的成功应用 早在二千年前

20、，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、城墙等。这些古建筑结构物虽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，而是采用“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。我国的古建筑、古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特点：柱基“铰接”隔震消能：柱子“自由”地（不是“固定”地）落在基台上，且柱脚与基台之间有石质榫墩或木楔作柱座，形成柔性“铰结”，既能防止木柱的潮湿和朽蚀，又起到隔震消能作用

21、，见图 2-6-3。图 2-6-4 中国古结构基底隔震消能 殿基、墙基或塔基滑移隔震消能：建筑结构基底砌筑在条石、整体片石或块石上。条石、片石或块石之间柔性叠砌，容许滑动或摩擦，地震时形成“隔震”或消能基础，见图 2-6-4。“斗拱”消能节点：粱柱节点及屋檐节点都做成“斗拱”，不但节点荷载分配均匀合理而且此种“斗拱”节点是一种极优的“消能节点”，在承受很大的节点变形过程中多道“榫接”的摩擦及塑性变形，消耗大量的地震能量，大大衰减建筑物的地震反应，使建筑物不破坏、不倒塌，完整无损，见图 2-6-5。结构体形成“消能结构体”：一些结构物，如石塔、城墙、石拱桥等，由块石用柔性砂浆（灰砂膏、糯米灰膏）

22、砌筑，地震时，结构体摇晃，块石之间柔性错动压密，不仅使结构体更加密实稳定，而且消耗大量地震能量，使结构体经历多次地震而安然屹立。现列举我国数项古建筑、古结构经历多次强地震而安然屹立至今的例子：台湾台北孔庙：位于台北市大龙峒，建于 1879 年，是我国古庙寺的典型建筑型式。其特点是柱脚“铰支”，粱柱节点“斗拱”消能，殿基片石隔震。这种建筑型式是典型的隔震、消能减震结构体系已承受多次强烈地震而完好无损。山西浑源悬空寺：建于北魏后期（公元 500 年），极为壮观，是著名恒山十八景之一。整个建筑物“悬支”在翠屏峰的半山陡壁上、下临深谷。寺庙包括高低错落的殿、堂、楼阁 30多处。建筑物的楼面木梁的一端嵌

23、人山崖壁石内，“铰支”而不能拔出；楼面的另一端支承在斜撑立柱上可以水平晃动，整个建筑物尤如一个“隔震结构”。1000 多年来经历 3 次大地震，始终完好无损是我国古代匠师们运用隔震原理解决建筑耐震的成功范例。山西应县木塔（佛宫寺释迦塔）：建于 900 多年前的辽清宁二年（公元 1056 年），是我国现存的最古最高的木构佛塔。塔高八层，下 3 层为石砌，上 5层为木结构。塔高67.31 m，八角形，塔身采用内外双层环形空间构架，梁柱节点为“斗拱”（消能节点），内外层柱之间设有多层木支撑（消能支撑），是一座典型的高层消能减震结构。在 900多年的漫长岁月中 这座雄伟壮丽的木塔经受多次强烈地震的震撼

24、和常年强劲的塞北风雪的侵蚀，迄今仍巍然屹立，不能不说是我国古建筑史上采用消能减震技术耐震抗风的成功奇迹。河北赵州桥（赵县安济桥）：建于 1 300多年前的隋太业年间（公元 605617年），全长 50.82 m。弧形单孔石拱桥，跨度 37.37 m，桥两端各开两个敞肩拱，是世界桥梁工程中的首例。该桥为世界上现存最早、最长的石砌拱桥。在 1 000 多年的历史中，经受多次强烈地震仍完好无损，归功于我国古代工匠利用石砌结构消能的原理。地震时块石压密，消能减震，并使拱体更加密实稳定，使赵州桥至今仍以其历史悠久、结构新奇、造型美观而闻名于世。四川灌县竹索桥：建于 1 500多年前（公元 497年），桥

25、面宽 2.1一 2.7 m，由 20根主索组成，每根主索由 3根竹条绞成。由于每根主该桥在强风及人行情况下不产生过大的晃动，这是大跨度例子。（2）世界各国古建筑结构的隔震消能减震效果调查 从保存完好的古建筑结构及历史上大地震废墟中残存的一些古建筑结构物的情况发现，隔震消能技术对保护古建筑免遭地震破坏发挥了明显的作用。日本奈良法隆寺：是日本现存最古老的佛教寺院，位于奈良西南，规模宏大，1 200 多年前建成，包括金堂（建于公元 693 年）及五重塔（建于公元 771年）等多幢堂、殿、楼，塔等古建筑。这批古建筑具备与中国古建筑大致相同的结构特点，即柱基铰接隔震消能，粱柱做成“斗拱”消能节点，塔基建

26、于整片花岗岩石上的隔震消能做法等，使这座雄伟壮丽的古建筑群在 1200多年中，经历多次强烈地震而完好无损，成为日本现有最大最老的佛教寺院。欧洲、非洲、印度的古建筑：希腊、埃及、印度等国的古建筑，大都采用与中国古建筑类似的柱基“铰接”做法，地基能起隔震消能作用，使这类建筑例如希腊的雅典卫城（公元前 437 年）、埃及的卡纳克阿蒙神庙（公元前 1800 年）、印度的泰姬玛哈宫（公元 1632 年），在千百年历史中历经多次强烈地震而巍然屹立至今。意大利罗马斗兽场：建于公元 70年，是古罗马建筑的代表作。平面呈椭圆形，长轴 188 m，短轴 156 m，高 18.5 m，共四层，60排阶梯，可容纳 5

27、.8万人观看角斗士与野兽的搏斗。斗兽场实体结构由灰华石、凝灰石、浮石砌成，柱子与墙身由大理石垒砌，形成一个“消能结构体”。地震时，石块之间错动压密，消耗大量地震能量，而且使结构体更加密实稳定使斗兽场在 2000多年中历经多次地震仍十分坚固。意大利庞贝城遗址：庞贝城在意大利那不勒斯维苏威火山附近，在古代罗马帝国时期是一座非常繁华的城市，有居民 25万人。公元 79年 8月 24日中午 l 时，沉睡了 1500年的火山爆发，并发生了强烈地震，全城大部分房屋倒塌，成为“死城”。在这座死城遗址中，仍可见到一些残存的房屋，包括住宅、商店、鞋店、酒店、剧场等。这些房屋所以能够残存，皆因为均由石块砌成的墙壁

28、与地基石板处可以水平滑动，即这些地震中幸存的房屋均是石块砌成的“消能结构体”以及地基能滑动的“隔震”结构。墨西哥玛雅金字塔和神庙：玛雅帝国及其古建筑建于公元 500600 年，现有玛雅金字塔及神庙 120多座，一般高 60200m，塔底宽 100200 m，通过 900多级台阶可登上塔顶。塔顶是神坛塔边有庙宇、地道等。这些古建筑均用石块砌成，庙宇的墙基均设于条石上。塔身块石在地震振动中压密，形成“消能结构体”，大量消耗地震能量，墙基条石也形成“隔震”结构，大大衰减地震反应。所以，这些有 1 400多年历史、经受多次强烈地震的古建筑至今仍巍然屹立，成为人类科学文化的一大奇迹。4、当代工程结构减震

29、控制技术发展的五个阶段 结构减震控制技术发展的起因是传统抗震技术充分发展至某个阶段，遇到某些难以逾越的问题，经过多方面的探索，调查总结了千百年来的成功经验，并借鉴其他领域（如机器隔振、设备仪器阻尼消振、航天航空自动控制等）已经取得的理论和应用戚果，大胆地把它应用在工程结构上，从而形成丁包括结构隔震、消能减震、结构控制的“工程结构减震控制”理论和技术。但工程结构减震控制与设备仪器的隔振、消振控制有着明显的不同，前者体积、重量大（建筑结构物重量可达几十万吨），安全性要求高（供人们生活或工作，牵涉人的生命安全），外部震动冲击有很大的随机性（地震何时发生难以预测，一旦发生，震动冲击能量之大难以预估）等，所以，工程结构减震控制的发展应用必然要求建立一套新的理论、新的设计计算和技术方法，形成一套新的体系。它是土木工程、地震工程、材料工程、计算机技术、控制技术等学科的交叉点，并处于当代工程结构发展的前沿领域。它将导致结构耐震技术的一场革命，并将成为结构耐震技术发展的新