Anti-Seismic, Isolation and Energy Dissipation

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1 题 目 结构抗震隔震及消能减震的 设计和个案分析 (Anti-Seismic, Isolation and Energy Dissipation) ---- 建造强地震中安全的房屋 ---- 周福霖 广州大学工程抗震研究中心 广州大学建筑设计研究院 减震控制及结构安全国家重点室培育基地

2 主要内容 汶川地震的教训和启示 2. 抗震技术的发展 3. 隔震技术概论概念, 理论, 试验, 规程, 设计应用, 地震考验 4 隔震设计及个案分析 5. 消能减震技术概论 6. 抗震消能减震隔震的对比分析和应用 7. 隔震在 512 地震灾后重建中的最新应用 2

3 1. 汶川地震的教训和启示 3

4 唐山地震大灾难 :43 死亡 24 万人 4

5 唐山新华旅馆倒塌 5

6 唐钢中学教学楼倒塌 6

7 唐山开滦煤矿总医院倒塌 7

8 摘自 唐山大地震震害 序言 ( 刘恢先 ) 房屋成片倒塌, 导致灾难 : 唐山地震最为触目惊心的震害是极震区各类建筑物暜遍倒塌, 人员伤亡 设防烈度不准 : 失误来自对唐山地震危险估计不足 目前的科学水平还不能准确预测未来的地震危险. 要考虑更高烈度 ( 新技术 ): 工程设计必须考虑如何留有适度的安全余地 预防在意外的高烈度下建筑物倒塌是十分必要的.. 要双保护 ( 新技术 ): 公用设施的瘫痪在很大程度上是由于房屋倒塌, 伤及内部设备和工作人员. 不能吝惜对房屋抗震的投资, 忽视对人员和设备的保护 异常区 : 唐山地震在烈度分布上出现一些异常区,... 在震中的低烈度区. 天津的高烈度区 值得深入研究 8

9 汶川地震 8.0 9

10 Records of Wenchuan EQ 震中距 18KM, 汶川卧龙台, Design A=0.10g Record A EW =0.96g Record A NS =0.65g Record A UD =0.95g 10

11 512 地震后汶川县城成一片废墟 11

12 512 地震 房屋破坏 4 种情况 12

13 房屋破坏 4 种情况之一 情况 1: 房屋整体倒塌 13

14 512 地震房屋破坏 4 种情况之二 情况 2: 房屋局部倒塌 ( 框架住宅, 近年建造, 破坏严重, 局部倒塌 ) 都江堰商住楼 14

15 512 地震房屋破坏 4 种情况之三 情况 3: 房屋受损, 貌似完好, 但很难修复 主体结构破坏轻微, 但装修严重破坏, 修复难 15

16 高层框架结构但装修严重破坏, 修复难 16

17 近年建造, 内部装修惨重破坏, 很难修复 17

18 512 地震房屋破坏 4 种情况之四 情况 4: 房屋完好, 内部设备仪器摔倒, 功能中断 生命线系统 : 医院 医院, 机场, 政府指挥中心, 救灾指挥中心, 消防, 电讯, 电视大楼, 交通枢纽, 城市瘫痪, 救灾受阻, 损惨重失 1 机场控制塔, 供电系统, 调度中心地震中振动摇摆剧烈, 仪表 控制设备损坏 2. 震后机场关闭 17 小时, 损失极大, 后果严重. 18

19 房屋破坏 4 种情况 都会导至 : 房屋倒塌, 人员大量伤亡 房屋虽未倒, 但内部设备仪器甩倒, 功能中断, 瘫痪 医院瘫痪 : 加重人员伤亡城市瘫痪 : 政府指挥中心, 通信, 机场, 车站, 银行. 房屋虽未倒, 但破坏严重, 难以修复, 大部份要重建经济损失大, 对社会安定和人民生活影响极大 19

20 四川汶川县发生 8.0 级地震 8.0 汶川地震大灾难 我们能不能住上大地震 时安全的房子?! 20

21 汶川地震 武都县隔震房屋 甘肃武都县 ( 地面加速度 0.18 g ) 3 栋砌体结构 6 层隔震房屋, 表现良好 : 隔震房屋 :1. 房屋振动缓慢震动周期 T=2.4 秒, 加速度 0.18g 0.3=0.05g 2. 屋中家具 花瓶等完好 3. 墙体无裂缝 21

22 512 地震 甘肃陇南武都县一般抗震房屋 非隔震房屋 :1. 房屋振动激烈震动周期 T=0.5 秒, 加速度 0.18g 2=0.36g 2. 屋中家具, 花瓶, 电器等倾倒 3. 墙体开裂 22

23 汶川大地震的经验教训 (1) 要承认目前地震予测存在不确定性, 设防烈度偏低 ( 汶川 ) 我国灾难性大地震, 多发生在低烈度区, 房屋成片倒塌 1966 刑台地震, 6 度 10 度 1975 海城地震, 6 度 9~10 度 1976 唐山大地震 6 度 11 度, 历史上无大地震 1995 日本神户属 低烈度安全 区, 0.3g 0.6g (80 年来相对平静, 千年未遇大地震 ) 汶川地震 6,7 度 9,10,11 度既要满足 按烈度设防, 也要着重于防御突发性的大地震 (2) 提高建筑结构的抗震安全标准, 我国结构安全度低 20-30% 地震中人的伤亡,90% 是房屋倒塌造成 ( 中国房屋倒塌多 ) (3) 学校, 医院, 指挥中心, 电信等, 安全双保护, 学校可建成避难所. (4) 农村乡镇房间抗震性能, 要足够关注 (5) 采用有效, 成熟的结构隔震减震等技术, 建成避难所提高设防标准, 或采用隔震技术, 建造强地震中不倒的房屋, 期望在中国终止一次又一次重复的地震大灾难! 23

24 2. 抗震技术的发展 24

25 工程结构耐震技术的演变与发展 结构地震反应 " 放大器 " --- 工程结构破坏, 倒塌 --- 建筑内装修, 设备, 仪器的破坏 1. 刚性结构 避免 放大, 不经济不现实 2. 柔性结构 降低 反应, 风, 小震下晃动 3. 底层柔性 ( 上刚下柔 ) 降低上部 " 反应 " 底层变形集中, P- 效应, 倒塌 4. 半刚半柔结构 目前传统应用, 存在问题 25

26 结构传统抗震设计设防目标和效果 设防目标 --- 小震不坏, 设计烈度可修 ( 容许损坏 ) 大震不倒 (1) 按 基本烈度 设计, 只要不超过大震, 一般不致倒塌. (2) 容许 基本烈度 下损坏, 震后再修复, 减少伤亡 (3) 以抗为途径, 加大断面. 配筋, 已成传统技术习惯但也存在一些问题 26

27 结构传统抗震设计存在问题 (1) 安全问题 : 基于地震予测予报 基本烈度, 不过关, 不准确 若突发强地震, 结构不安全, 可能严重破坏或倒塌! (2) 适应问题 : 只考虑保护结构, 未考虑保护房屋内部设备, 仪器生命线工程 ( 指挥中心, 网络, 医院, 电台, 水, 电 ) 破坏. 功能中断, 可能导致更大损失 (3) 经济问题 : 硬抗地震, 增大断面, 配筋, 造价高, 有时效果不佳 7 度增加 3-8%, 8 度增加 10-25%, 9 度增加 20-40% (4) 建筑设计复杂导破坏 : 难以解决不规则平面 --- 扭转破坏, 不规则立面 --- 层间剪切破坏 27

28 建造强地震中安全房屋地震中安全房屋的技术对策 安全 ( 突发超烈度强地震, 不坏, 不倒 ) 适用 ( 保护结构及非结构构件 装修及设备仪器 ) 经济 ( 不太贵 ) 新技术方法 : 结构减震控制 隔震消能减震调谐减震主动控制半主动混合控制 28

29 3. 隔震技术概论 概念, 理论, 试验, 规程, 设计应用, 地震考验 29

30 隔震概念 30

31 水上的船, 不怕地震 31

32 (M) 隔震建築基本原理 32

33 隔震结构隔震机理 地震中表现 固定基础 隔震支座 传统房屋地震时激烈晃动 房屋加速度放大 100% 250% 梁柱裂, 内部装饰, 设备破坏 隔震房屋地震时缓慢平动 ( 长周期 ) 房屋加速度减少 100% 40% 结构弹性 ( 变形集中在柔软支座 ) 保护结构和内部装饰, 设备 隔震 / 不隔震 =1/6 33

34 结构隔震减震机理 对比 技术原则对比 : 传统抗震 隔震 概念 : 加强构件调整结构动力参数 ( 柔软层, 变形集中 ) 途经 : 硬抗地震隔离能量传递 ( 以柔克刚 ) 目标 : 可坏, 不倒不坏, 处于弹性保护对象 : 仅结构 结构及内部装修及设备仪器 ( 双保护 ) 设计 : 强度, 刚度 强度及反应控制 34

35 隔震理论 35

36 建立不同隔震结构计算模型并和试验结果对比 单自由度多自由度多自由度结构水平剪切结构水平剪切, 弯曲结构水平剪切, 弯曲简单模型较复杂模型隔震支座拉压较复杂模型 36

37 隔震体系结构动力反应分析及控制计算 (1)( Seismic Isolation-Dynamic Analysis Model of Single degree of freedom of isolation structure 37

38 隔震体系结构动力反应分析及控制计算 (2)( Seismic Isolation-Dynamic - Analysis ( 2) M x&& s + C x& s + K x s = C x& g +K x g ω n = k M ζ = C 2Mω && x +2ζ ω n +ω 2 =2ζ ω +ω 2 s x& s n x s n x& g n x g && x 1 + (2ζω ω ) 2 n x&& s g [1 (ω ω ) 2 ] + (2ζω ω n ) 2 n Ra = = 2 n ζ = R a[1 (ω ω n ) ] 2(ω ω n ) 2 R 1 a R D = D s D g = ( ω ω ) 2 n [ ] 2 1 ( ω ) 2 ω n + ( 2ζω ω n ) 2 38

39 结构地震反应放大系数 Ra - 频率比的关系 传统结构水平刚度大 频率比 ω/ ω n =0.8~1.5 地震动放大系数 Ra Ra=2 ~3 隔震结构水平刚度小 ( 柔性支座 ) 频率比 ω/ ω n =3~8 地震动放大系数 Ra Ra= 1/2~1/8 隔震结构 / 传统结构 : 理论 :Ais/Afs=1/4 ~ 1/12 试验 : Ais/Afs= 约 1 / 8.6 Ra 传统结构 隔震结构 频率比 ω/ ω n 39

40 结构反应 230% 40% 房屋桥梁隔震机理 40

41 隔震试验 41

42 (M) 实录 Iso.Hi. 隔震 隔震房屋加速度 振动台试验 42

43 隔震结构振动台试验 Seismic Isolation-Shaking table tests 1996 华南建设学院 ( 广州大学 ) 1997 广州大学 基底隔震 首层顶隔震 43

44 隔震结构振动台试验 ( 总结 ) Seismic Isolation-Shaking table tests 地面 400 gal 隔震房顶 110 gal 不隔震房顶 880 gal 44

45 叠层橡胶隔震支座 Laminated Rubber Bearing (RB) 45

46 橡胶隔震支座良好的力学性能和耐久性能 夹层橡胶支座性能和检验要求 (1) 竖向承载力 极限 90 MPa, 设计 MPa (2) 竖向抗拉能力 拉断试验 Pt 2 Mpa, 设计 1MPa (3) 水平剪压刚度, 阻尼比 -- 剪压试验 50,100,250 % (4) 水平变位能力 大水平变位试验 350 % (5) 相关性能试验 : 对水平刚度, 阻尼比的影响 竖向承载力, 水平变形大小, 水平加荷频率, 温度变化 (6) 耐久性试验 长期试验 ( 要求 60 年 ) 1. 耐疲劳试验 :150 次 2. 耐徐变试验 (185h) 3. 耐老化 (185h) 46

47 Seismic Isolation-Rubber bearings tests 广州大学工程抗震研究中心 47

48 Seismic Isolation-Rubber bearings tests 广州大学 48

49 (M)0001 Rubber bearings tests Horizontal displacement capacity tests 49

50 徐变试验广州大学 加速 :(185h) 足尺 50 年 :

51 Seismic Isolation-Rubber bearings tests 老化试验 Ozone aging tests 广州大学 51

52 Seismic Isolation-Rubber bearings tests Durability testing results 52

53 耐久性调查 (1995( 1995)-Rubber bearings tests Durability investigation for rubber bearings (1) 53

54 伦敦, 地下室隔震橡胶支座 (1934) 54

55 Seismic Isolation-Rubber bearings tests Durability investigation for rubber bearings London (1934) 55

56 Seismic Isolation-Rubber bearings tests Rubber bearings tests Durability investigation for rubber bearings Site Investigation of Durability of real Rubber Bearing: Countries Working life (yr.) Thickness of ozone Structures China Bridge (40yr.) UK Bridge (Pelham) (41yr.) 3mm 英国 UK Building (62yr.) 3mm 3.5mm (London) 澳洲 Australia Bridge (106yr.) 4-5mm Conclusion : Real working life > 100 yr. Safety measure: Add resistant ozone material to rubber Set a cover layer 10mm around bearing 56

57 抗老化寿命超过 100 年长于混凝土 措施 : 胶料加抗老化剂 提高 30%, 支座外包保护层 10mm 57

58 隔震设计应用 真实地震考验 58

59 世界中, 美, 日三国隔震结构工程应用 应用 : 中国已建近 700 幢 美国已建近 100 幢 日本已建近 2500 幢 中国应用数量 :1991 年 ~2007 已建 700 幢 ( 广东, 西昌, 新疆, 云南, 山西.) 59

60 我国隔震技术的应用及地震考验 为人民建造确保地震时安全的住宅 (1) 中国隔震建筑分布 : 已应用在我国广东, 福建, 山西, 陕西, 云南, 四川, 宁夏, 内蒙古, 新疆, 河北, 河南, 江苏, 北京, 上海, 天津, 台湾等 16 个省市自治区 (2) 中国隔震建筑数量 : 在我国设计和建成隔震房屋 700 多幢 (3) 范围 : 住宅, 办公大楼, 教学楼, 医院, 指挥中心. 邮电通信楼, 博物馆, 体育馆. 民用住宅 50 %, 重要建筑 40 %, 其它 10 % 60

61 我国第一棟橡胶支座隔震房屋 (8( 层住宅 )-) 广东汕头联合国 UNIDO 项目

62 Seismic Isolation-Application in China 平面布置图 Houses in Shantou City (2) 平面布置 隔震房屋 不隔震房屋 62

63 隔震结构工程应用及地震考验 Seismic Isolation- in Shantou City-- --Earthquake experience 中国第一栋 : 1993 年汕头 8 层隔震房屋 ( 联合国 UNIDO 国际项日 ) 中国地震考验 : 台湾海峡地震 汕头传统房屋 : 晃动激烈 (M7.3) 人站不稳青少年跳窗逃 ( 死伤 126 人 ) 水桶溅水 1/3 汕头隔震房屋 : 人无震感 63

64 云南大理 -- 隔震结构工程应用和地震考验 ( )( 64

65 福建省地震局隔震楼 2005 地下 1 层地上 11 层混凝土框剪结构 65

66 福建省地震局隔震楼 地震考验 江西九江地震 (5.7 级 ) 地震考验 隔震不隔震隔震 / 不隔震 第 12 层 / 4.2 第 1 层 地面

67 首层隔震广东澄海政府干部住宅楼 (7 层 ) Houses buildings in southern China 首层隔震 67

68 四川西昌隔震住宅楼 (8( 栋 )1995) Houses in Xichan City 隔震支座基底隔震 68

69 首层隔震 广州市地震监测指挥中心 2000 年 首层隔震 69

70 汕头博物馆 年 Museum in Shantou City, southern China (1) 首层隔震 70

71 太原市图书挡案馆隔震楼 (6 层 ) 1998 基底隔震 隔震支座 71

72 太原综合楼 - 19 层 Application in China High rise (19 story) building in Taiyuan City,northern China 72

73 新疆乌鲁木齐石化厂区隔震住宅楼群 (38 栋,13, 万 m 2 )2000 年, 当年世界面积最大隔震住宅群 ( 基底隔震 ) 73

74 新疆乌鲁木齐第八钢厂区隔震住宅楼群 (36 栋,12, 万 m 2 )2001 年, 当年世界面积最大隔震住宅群 ( 基底隔震 ) 74

75 Isolated buildings -- the largest area in the world 隔震层 ( 隔震支座 ) 北京地铁地面枢纽站大面积平台上隔震住宅楼 ( 建设中 ) RC 大平台 (2000 米 1500 米 ) 上 建造 28 幢 9 层的隔震住宅楼 隔震建筑面积 24 万平方米 目前世界面积最大隔震建筑群 75

76 层间隔震 Stories Isolation 隔震层 ( 隔震支座 ) 76

77 北京地铁 9 层隔震房屋 77

78 (M) 17p04 BJ ISO 01 Stories-isolation isolation Shaking table tests ) 隔震 El Centro (N-S) (Transverse) X Ground Motion 地面 Ag= g Isolation Structural Acc. 结构 As= g 78

79 Stories-isolation isolation 隔震房屋完好无损 El Centro wave Tianjing wave Local Site wave Ground Motion 地震 Ag= 0.60 g Isolation Structural Acc. 结构 As= 0.11~0.16 g 79

80 (M) 17p04 BJ ISO 07 Stories no- isolation Shaking table tests ) 不隔震 No- Isolation (Fixed) Damage, Collapse El Centro (N-S) (Transverse) Ground Motion 地震 Ag= g Structural Acc. 结构 As= g Comparison: 隔震 / 不隔震 = 1/4 80

81 Stories no-isolation (Severe damage,collapse) 81

82 北京地铁地面枢纽站隔震住宅楼技术经济效益 (1) 房屋抗震安全度提高 4 倍 (2) 平台的地震反应降为 2/3 (3) 住宅面积增加近 10 万平方米 ( 房屋从 6 层增加到 9 层 ) (4) 直接增创产值 6 亿元 (6000 元 / 平方米 ) ( 未计间接效益 ) 82

83 广东省科学中心振动台隔震试验 83

84 复合隔震体系的工程应用 ( 广州大学城, 办公楼 ) 传统结构 隔震结构 滑板支座 橡胶支座 84

85 北京中央 7 个部委联合办公大楼 2004 ( 隔震大楼 ) 11 stories ( 3 stories underground) reinforced concrete frames and shear walls Base-isolated building A Central Government (7 Ministries) Office Building 85

86 Calculation models Isolated building Isolated building Non-Isolated building 86

87 0.4 Isolated acceleration(g) minor time(s) acceleration(g) Non-Isolated moderate time(s) 8 acceleration(g) major El Centro 5 wave time(s)

88 (M) 近断裂带特大地震 (Ah=1.10g,Av=0.9g) 隔震结构的安全 北京中央 8 个部委联合办公大楼 2004( 隔震大楼 ) 88

89 隔震技术在世界世界各国的各国的应用及 地震考验 89

90 USA 美国 90

91 Seismic Isolation-Application in USA (1) USC University Hospital with isolation 91

92 Seismic Isolation-Application in USA (3) USC University Hospital with isolation (After EQ , Northridge) 92

93 Seismic Isolation-Application in USA (4) USC University Hospital with isolation 93

94 Olive View Hospital without isolation 94

95 Olive View Hospital without isolation 95

96 Olive View Hospital without isolation 南加州 8 个医院, 1 个隔震, 完好无损, 7 个抗震, 全部瘫痪 隔震医院, 成为急救中心兼抗灾指挥中心 96

97 USC University Hospital with isolation 房屋加速度 隔震 / 不隔震 0.21g /2.31g 提高安全度 11 倍 97

98 LA 灾害指挥中心 Seismic Isolation 98

99 Seismic Isolation-Application in USA 99

100 CA 中心法庭 ( 底层监狱 ) Seismic Isolation 100

101 Seismic Isolation-Application in USA 101

102 日本 JAPAN 多栋 有 19 栋 多高层 隔房屋震 地震考验 记录 102

103 West post & communication building with isolation m 2 electric and computer facilities 103

104 West post & communication building with isolation 104

105 Japan Kobe Earthquake :47 6,

106 Japan Kobe Earthquake :47 6,

107 Seismic Isolation-Application in Japan (3) West post & communication building-- with isolation 房屋加速度 隔震 / 不隔震 0.075g /0.965g 提高安全度 12 倍 107

108 日本 19 栋多高层隔震房屋地震考验记录 1. 地震反应 : 隔震房屋 / 地面 = 1/1.3~1/3.5 隔震房屋 / 不隔震 =1/2.8~1/8 2. 地震越大, 隔震效果越明显 ( 安全性提高 3~8 倍 ) 3. 竖向地震作用放大系数 , 优于传统结构

109 隔震雕像文物 109

110 隔震设计规范, 规程 隔震支座产品标准 110

111 设计规程和产品标准体系初步形成 建筑抗震设计规范 GB , 第 12 章 ( 修订 ) 叠层橡胶支座隔震技术规程 CECS 建筑隔震橡胶支座 2000, 建设部产品标准 建筑与桥梁橡胶隔震支座 标准 ( 中国国家标准 )

112 国际标准 (2005( 2005) Isolation Rubber Bearing 橡胶隔震支座 ISO 试验方法 ISO 桥梁隔震支座 ISO 建筑隔震支座 编制 : 日本, 美国, 中国主编 ( ) 112

113 中国已能提供 质量高, 价格适当 的产品系列 直径 : φ300 - φ1300 型号 : 有铅 ( 大阻尼 ) 无铅 ( 小阻尼 ) 性能 : 中柔性 ( 中等刚度 ) 高柔性 ( 低刚度 ) 满足需要, 出口日本, 俄罗斯等 113

114 4. 隔震设计及个案分析 114

115 结构隔震层的位置 下沉型 抬高型 115

116 构造设计实例 1 号 ( 抬高型 ) 116

117 House building (1995) 117

118 隔震支座 118

119 构造设计实例 2 ( 下沉型 ) 僱裔啣 迾阨僱 結芩 滅阨脯 119

120 结构隔震房屋的构造设计和典型构造作法 (4) 水平缝 h1 : 上部结构与周围水平方向固定物脱开距离 h1 200mm, h1 1.2 D ( D 隔震层在罕遇地震下最大位移 ) 竖向缝 h2 : 上部结构与周围竖直方向固定物的脱开距离 h2 15mm 竖向缝隙用柔性材料填塞, 以防风 尘 水 虫 鼠进入 120

121 隔震住宅 Seismic Isolation 121

122 北京地铁地面枢纽站 RC 平台上隔震支座施工安装 122

123 结构隔震房屋的构造设计和典型构造作法 (3) 隔震支座与上 下部结构应有可靠的的连接 123

124 结构隔震房屋的构造设计和典型构造作法 (7) 穿过隔震层的竖向管线 : (1) 直径小的柔性管线 ( 电线, 避雷线 ): 预留伸展长度 (2) 直径较大或重要的管道 ( 排水管, 热水管, 煤气管 ): 采用柔性管材 (3) 踏步, 楼梯 : 断开 124

125 电线 避雷线 125

126 排水管 热水管, 煤气管 126

127 踏步 楼梯 127

128 设计计算实例 : 汶川县第一幼儿园 抗震设防类别为重点设防类 ( 乙类 ) 3# 3 层框 架结构 2# 1# 3 栋采用隔震技术 128

129 汶川县第一幼儿园 ( 平面布置 )) 820X LRB G4:4 个 LRB G6:8 个 SLD500:16 个 SLD400: 4 个 共 32 个 LRB G6 囀窒砎蝶 5mm*28,G=0.55N/mm2, 囀窒詩啣 3mm*27 LRB G6 SLD500 支座尺寸 隔震层支座布置图 129 平面布置图

130 汶川县第一幼儿园 ( 剖面图 ) 隔震层 建筑剖面图 130

131 汶川县第一幼儿园 ( 结构参数 ) 工程抗震设防参数 本工程处于发震断层 5km 以内 隔震结构参数 隔震结构设计目标 : 大震弹性, 双保护, 上部结构降 1 度设计 131

132 汶川县第一幼儿园 ( 隔震支座性能设计值 ) 橡胶支座设计值 弹性滑板支座设计值 132

133 汶川县第一幼儿园 ( 时程计算 : 计算模型 ) 设防烈度 :8 度近场影响系数 :1.5 小震 :0.105 g 中震 : 0.210g 大震 :0.60g 计算模型 地震波 : El Centro (NS) Taft (EW) 人工波 133

134 汶川县第一幼儿园 ( 时程计算 : 剪力比 ) 层号 隔震结构 Cdb(Iso) Cdb(Noi) El(Iso) El(Noi) Ta(Iso) Ta(Noi) 非隔震结构 层号 隔震结构 Cdb(Iso) Cdb(Noi) El(Iso) El(Noi) Ta(Iso) Ta(Noi) 非隔震结构 层剪力比最大值隔震 / 非隔震 1#: #: #: 层剪力 (kn) 层剪力 (kn) 抗震安全度提高 4 倍 多遇地震下 2# 上部结构层间剪力包络图 134

135 汶川县第一幼儿园 ( 时程计算 : 层间位移角 ) 大地震时, 上部结构的层间位移角 <1/500, 处于弹性 135

136 汶川县第一幼儿园 ( 时程计算 : 支座最大位移 ) 隔震层最大位移满足支座最大容许位移的要求 136

137 汶川县第一幼儿园 ( 时程计算 : 加速度比 ) 层号 Iso. Non-iso. Iso. Non-iso. 1 iso 层号 顶层加速度比 隔震 / 非隔震 Cdb(Iso) Cdb(Iso) Cdb(Noi) 1#: Cdb(Noi) El(Iso) 1 El(Iso) El(Noi) 2#: El(Noi) Ta(Iso) Ta(Iso) Ta(Noi) iso X 向加速度 (gal) Y 向加速度 (gal) 多遇地震下 2# 上部结构加速度包络图 Ta(Noi) 3#: 抗震安全度提高 4 倍 双保护结构和室内 137

138 汶川县第一幼儿园 ( 时程计算 : 加速度时程比 ) 加速度 (gal) 加速度 (gal) Taft(EW) 非隔震结构隔震结构 时间 (s) El Centro(NS) 时间 (s) 多遇地震下 2# 顶层加速度时程 138

139 隔震的技术经济性 隔震结构对比传统抗震结构 : 1. 大地震时安全 : 隔震结构地震反应降为 1/3-1/10, ( 安全度提高 3-10 倍 ) 大震时房间弹性, 不坏不倒, 住几代人生命财产安全! 2. 双保护对象, 生命线工程 : 保护结构, 也保护室内设备仪器, 使用功能不中断 3. 结构在大震时基本保持弹性 : 地震时结构基本保持弹性, 保护非结构构件 4. 建筑设计自由 : 适用于规则结构, 也适用于非规则结构平面不规则 隔震支座布置, 调整刚度中心立面不规则 隔震支座布置在薄弱层, 转换层 5. 结构造价不高 :±5%, 约 元 /M 2 建筑面积 139

140 隔震技术特别适合使用于下列建筑物 1. 要求在地震中不能中断功能的建筑 ( 双保护 ): 医院政府指挥中心, 救灾指挥中心, 消防电讯, 电视大楼交通枢纽, 交通指挥中心, 机场, 车站电力, 供气 2. 有大量人群集中的建筑,( 确保安全, 建成避难所 ) 学校大型场馆, 影剧院 3. 有珍贵物品, 精密系统的建筑 ( 双保护 ) 博物馆, 档案馆银行, 计算中心, 有毒品的实验室 4. 重要住宅, 高安全性住宅 ( 确保安全 ) 5. 安全性要求较高的建筑,( 确保安全 ) 140

141 5. 消能减震技术概念 141

142 1. 消震减震机理 : 结构消能减震设计概念 Energy Dissipation Device D of Energy Dissipat ion system 地震时, 地面震动能量输入结构传统结构 -- 承重构件 ( 梁, 柱, 节点 ) 产生裂缝, 消能. 消能结构 -- 非承重构件 ( 支撑, 剪力墙 ) 产生阻尼率先消能, 减低结构震动, 保护主体结构. 2. 目标 : 增大结构阻尼, 减少振动位移 (20~40%) 3. 应用及构造 : 高层建筑, 利用支撑, 剪力墙 142

143 Energy Dissipation Dynamic Analysis of Energy Dissipation Model of single degree of freedom of E-D system 143

144 Energy Dissipation Dynamic Analysis of Energy Dissipation (3) Relationship of M, ς and ω/ωn 144

145 消能减震 减小振动位移 20~40% 结构无阻尼 有小阻尼 ( 一般结构 ) 有大阻尼 ( 消能减震结构 ) 145

146 实录 Ener. 消能壁减震 146

147 山西古塔 Application in ancient buildings in China Shanxi, north China Built in 1056, experience 3 strong earthquakes 147

148 消能减震结构体系的分类 1. 位移相关型 : 性能与移动位移相关金属屈服型 : 软钢, 铅屈曲约束型 : 软钢摩擦阻尼装置 2. 速度相关型 : 性能与移动速度相关粘滞型 : 油阻尼器, 质量泵粘弹型 : 粘弹性材料 3. 其他 : 148

149 金属屈服型 : 软钢 149

150 粘滞型 : 油阻尼器 150

151 油阻尼器 high rise building with oil damper 151

152 油阻尼器 Office building in Shanhai 152

153 油阻尼器 长 3.30M, 行程 ±1.2M EAE

154 (M) M)Variable Stiffness or Damping 154

155 (M)Test of Oil Dampers Testing is carried out in the Energy Dissipation Testing System 广州大学上海材料研究所 155

156 18/31 油阻尼器性能性能試験試験結果 ( 国产 ) 減衰力 (kn) 減衰力 (kn) 速度 (m/s) 変位 (mm) 最大荷重 - 最大速度关係 荷重 - 変位关係 ( 加载频率 0.2Hz, 最大出力 1000kN) 156

157 6. 抗震消能减震隔震 的对比对比分析和应用 157

158 抗震 隔震隔震和消能减震消能减震技术技术原理对比原理对比分析 抗震 : 多处在与地面振动共振区, 地震震动放大 2 倍以上 消能增大结构阻尼, 减震 20~40%, 提高结构安全度震动放大系数仍 M 1 ( ) 目标 : 减低结构位移 ( 地震变形 ) 反应 隔震通过延长自振周期, 避开地面振动共震区, 隔离地震减震 60~90%, 大大提高安全度震动放大系数可 M<1 ( ) 目标 : 减低结构加速度 ( 地震力 ) 反应既能保护结构安全, 也能保护内部设施 158

159 隔震减震新技术方法对比 159

160 抗震 隔震隔震和消能减震消能减震技术的技术的对比对比和应用 抗震消能减震 隔震 原理 加大断面, 配筋 增大阻尼 延长结构自振周期 硬抗地震 耗能减震 隔离地震 地震放大系数 >2 >1 0.1~0.4 减震效果 100% 80~60% 10~40% 地震结构状态容许损坏可有裂缝保持弹性 保护对象仅结构仅结构结构及内部设备仪器 有效情况一般结构多高层结构多低层结构 应用对象一般建筑建筑物要求建筑物要求 裂而不倒 适度提高安全性 大大提高安全性 双保护, 保持弹性 160

161 7. 隔震在 512 地震灾后重建中的 最新应用 161

162 汶川地震重建建议 ( 中国工程院土木建筑学部 ) 北京 推荐三种新技术 : 1. 新型遥感影像快速显示技术 2. 房屋隔震技术 3. 房屋建造标准化 工厂化制作技术 162

163 灾后首批隔震房屋医院, 学校 建成启用 163

164 四川绵竹遵道镇 遵道学校隔震楼 建成启用 164

165 四川绵竹遵道镇 遵道学校 隔震楼将成为 大地震避难所 隔震展览室 165

166 四川绵竹遵道镇遵道卫生院隔震楼 建成启用将成为大地震中安全的急救中心 166

167 隔震建筑当前设计配合方式 房屋一般设计 : 设计院隔震层设计 : 广州大学工程抗震研究中心 1. 隔震层位置方案分析和选定 2. 隔震支座选定和布置 3. 隔震结构分析, 计算 4. 隔震构造设计 4. 隔震支座测试 5. 施工安装现场指导和现场配合已有一批隔震项目正在设计, 施工中. 167

168 隔震减震技术的发展趋势和展望 古代千年 : 抗震结构 ( 一般房屋及工程结构 ) 隔震结构 ( 庙宇等 --- 地基灰砂层 ) 消能减震结构 (1000 年应县木塔等 -- 木斗拱 ) 近代 40 年 : 抗震结构 ( 传统方法及改进 ) 橡胶隔震减震结构 ( 迅猛发展 ) 隔震技术是 40 年来地震工程最重要成果之一 今后年代 : 抗震结构 : 仍为主流结构, 但有时难满足要求 隔震, 减震 ( 已有规范 ): 将成为主流结构之一 168

169 The end Thank you! 谢谢! 169

170 联系方式 周福霖广州大学工程抗震研究中心电话 : , 手机 : 传真 : , zhoufl@cae.cn 谭平广州大学工程抗震研究中心副主任 院士学术秘书博士研究员 电话 : 手机 : 传真 : tanping2000@hotmail.com 单位网址 : 170

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