1、南京工业大学 王曙光 2014.11.09 高层建筑隔震与消能减震 技术及其应用报告内容： 混凝土结构设计规范发展过程简介 一 建筑抗震设计规范发展过程简介 二 隔震和消能减震设计的基本原理 三 隔震和消能减震技术的常用装置 四南京工业大学 工程抗震研究中心简介 南京工业大学由南京建筑工程学院和南京化工大学于2002 年组建而 成 。 工程抗震 研究中心成立于1999年，拥有教授5 名，副教授2 名，讲师3 名，研究生70人。 主持国家973计划课题、 国家自然科学基金、 国家科技支撑计划等国家级项目20 余 项，省部级项目60余项。 承担昆 明长水 国际机场 、 杭 州湾大 桥、 青 岛海湾
2、 大桥、 宿迁海关 大楼 、 宿新高 速公 路桥、无锡苏宁广场等全国50余项大型建筑与桥梁工程的抗震咨询。 获得国 家科技 进步奖二 等奖1 项、江苏 省科 技进步奖 一等 奖2 项、 江苏省 科技进步奖 二等奖1 项、全国优秀建筑结构设计奖一等奖3 项。 刘伟庆教授 副校长 周叮教授 特聘教授 王曙光教授 徐秀丽教授 李雪红教授主要研究方向 研究方向 高层、复杂结构非线性分析 结构抗震与减震控制研究 结构抗震性能鉴定与加固 新型结构体系抗震性能研究一、混凝土结构设计规 范发 展过程 简介解放前, 我国没有自己的标准规范 。 沿海和大城市建造的混凝土结构都是 直接引用国外规范进行设 计、施工
3、。 1. 上世纪50 年代， 我国受原苏联规范HNTY123-55 的影响较大 。 该规范采 用三个系数（ 荷载的超载系 数、材料的 匀 质系数、构件的 工 作 条 件系数 ）, 按三种极限状态 （强度、变形 、裂缝）进 行设计。上世 纪60 年代初 ，我国 基本照搬该规范颁布钢 筋混凝 土结构 设计规 范( 草案) 。 2. 上世纪60 年代中期， 修订颁布GBJ21-66 钢筋混凝土结构设计规范 、 GBJ10-65 钢筋混凝土工程施工及验收规范 。 由于缺乏系统的科学研 究、试验验证以及工程调研 ，核心 内容 仍是参 照原苏 联规范 。 3. 上世纪70 年代 初, 国家建委 组织 专家
4、 自主 编制 各种 材料 结构 设计 规范 以及 配套的荷载、 抗震、 地基基础等标准。1974 年 ， 颁布TJ10-74 钢 筋混凝 土结构设计规范 ， 综合考虑荷载 、 材料、 结构形式、 受力性能等因素, 采用综合安全系数计算方 法，内容 在 很大 程 度上 仍受 原苏联 规范的 影响。 起步阶段 的这3 批规范, 在我 国 早期 基本 建设中发 挥了 应有作用 。由于 其 从 无到有的奠基地位, 对以后设计、施工、科研 、教学 都产生 了深远 影响。 但因我国经济发展水平等历史条件所限, 以及文化大革 命极左思潮的影 响, 片面地将“ 技 术先进” 理 解为“ 节约材料” 。 因此这
5、三 批规范、 标 准的 安 全储备都偏低较多。4. GBJ10-89 混凝土结构设计规范 是我国第一本基于自主科研确立的适 合我国国情的混凝土结构 设计规范 。 70 年代末80 年代末 ， 我国组织约40 个单位 、200 位 专家, 分立科研课题 ， 延续12 年开展三批系统试验研究, 涵盖混凝土结构学科的全部领域， 试验 试件近10 万个, 发表论文 上千篇。 这批 空前丰富 的科 研成果, 基本 奠定了我 国现代混凝土结构理论的 基础。 1989 年 ， 我国自主编制了GBJ10-89 混凝土结构设计规范 ， 采用基于 可靠度理 论的 概率极限 状态 设计方法, 适 当提高了 安全 储
6、备, 系统建 立了各 种 受力 状态、 各类基本构件的计算模式和配套构造措施， 形成了较为系统 、 完整的设计理论。5. GB50010-2002混凝土结构设计规范 水平 有了进 一步提高 。 针对规范中尚未解决的问题, 我国组识第四、 五批课题进行科研攻关 ， 2002 年，修订颁布GB50010-2002 混 凝土结 构设计 规范 。 继续补充、完善基本设计方法；从构件计算向结构设计过渡，增加了结构 分析的内容； 利用分析手段的进步和混凝土力学的研究成果，引入混凝土本构关系及多 轴强度准则以解决复杂结 构的 设计 问 题； 根据国情，适度提高结构 安全度 水平； 通过适度提高混凝土强度 等
7、级及 采用高 强钢筋, 有效地解决了耗材问题。 同时配套颁布GB50204-2002 混凝土结构工程施工质量验收规范 ， 对于在 市场经济条件下加强施工控制, 强化质量验收, 实现混凝土结构 的 安全可靠，起到重要作用 。6. GB50010-2010混凝土结构设计规范 为目 前正在 执行的 规范。 在GB50010-2002 修订后期, 第六批课题研究工作已经展开 。2010 年 ， 修订颁布GB50010-2010 混 凝土结 构设计 规范 补充了结构方案、结构防连续倒塌、既有结构设计和无粘结预应力设计的 原则规定； 修改了正常使用极限状态 验算的 有关规 定； 增加了500MPa 级带肋
8、钢筋， 以300MPa 级光圆钢筋取代235MPa 级钢筋； 补充复合受力构件设计的 相关规 定，修 改受剪 、受冲 切承载 力计算 公式； 调整钢筋保护层厚度、钢筋锚固长度和纵向受力钢筋最小配筋率有关规定； 补充修改了柱双向受剪、 连梁和 剪力墙 边缘构 件的抗 震设计 相关规 定； 补充修改了预应力混凝土构件及板柱节点抗震设计的相关要求。规范中以 黑体字标志的条文为强制 性条文 ，必须 严格执 行。二、建筑抗震设计规范 发展 过程简 介解放前, 我国没有自己 的抗震设计规范 。 解放后，我国工程抗 震 设计主要 参考前苏联的地震区建 筑抗震 设计规 范。 1959 年 ， 我国编制包括各类
9、工程结构的 地震区建筑抗震设计规范( 草 案) ，未颁布。 1964 年 ， 我国编制 地震区建筑抗震设计规范(草案) ， 首次 引入结构系 数C 折减结构 的地震荷载， 以 弥补弹性理论计算结果与弹塑性结构客观实际 之 间的差距。未颁布。 1959 年 和1964 年 ， 我国两次 编制的 地震区建筑抗震设计规范( 草案) 虽然未正式颁布，但对工 程抗震 设计仍 起了一 定的作 用。 1. 1974 年 ， 国家建委批准颁布TJ11-74 工业与民用建筑抗震设计规范 ( 试行) ，是我国 正式颁 布的第 一本工 程抗震 设计规 范。2. 1978 年 ， 国家建委批准颁布TJ11-78 工业
10、与民用建筑抗震设计规范 。 1976 年的 唐山 大地 震中 ，大量 砖 混结构和 单层 工业厂房 遭受 严重破坏 。 震 后，大批科研技术人员在 灾区展 开了全面 的 专 题调查 工作。 在 总结 建筑震害 基础上 ，对TJ11-74 规 范进 行及时 修订， 形成TJ11-78 工 业与民用建筑抗震设计规范 。 在 设计原理和方法上， 两者没有原则差别 。 TJ11-78 按“中震 作用”进行 抗震 验算，但 采用 结构影响 系数C 对地震 作 用 进行折减，相当于按比中 震降低1 2 度的 地震进 行承载 力验算 。 将采用振型分解法计算结构地震荷载和内力的规定， 由附录移到正文 。 结
11、 构 影响系数的划分更为详尽 。 增加了砖房设置构造柱等许多抗震构造措施 的内容。3. 1989 年 ， 建设部批准颁布GBJ11-89建筑抗震设计规范 ，1990 年 开 始 实施，TJ11-78 继续过渡3 年后废止。 过渡期结束后 ，1993 年局部修订 。 由单水准设防过渡到三水准设防，提出“小震不坏、中震可修、大震不倒” 的三水准抗震设防目标。 GBJ11-89 直接 取“ 小震作用” 进行抗震验算。 第一阶段抗震设计时 ， 进 行小震作用下结构弹性层间变形验算，并提出结构弹性层间位移角限值。 第二阶段抗震设计，为了达到“大震不倒”的设防目标，对位于高烈度区 的甲类建筑和带薄弱部位的
12、结构，要求进行罕遇地震作用下的弹塑性变形 验算，提出了结构弹塑性 位移角 限值。 除采用底部剪力法和振型分解反应谱法之外，对于特别不规则的和较高高 层建筑，要求采用时程分析法进行补充计算，同时对输入的地震加速度时 程, 即地震波的选择提出要求。 GBJ11-89 除了在强度验算时将确定性设计方法改为基于概率可靠度的设 计方法外，还增加了变形 验算的 内容。4. 2001 年 ， 建设部和国家质检总局联合发布GB50011-2001 建筑抗震设 计规范 。2008 年汶川大地震后， 作局部修订成为GB50011-2001 建 筑抗震设计规范(2008 版) 。 设 计反 应谱 周期 由3s 延
13、至6s ， 根据 地震学 研究 和强 震观 测， 在周期6s 范围 内可给出比较可靠的数据。 对周期大于6s 的 结构， 设计反应谱应专门研究 。 适当调整和提高结构抗震安全度，I 、II 、III 类场地的特征周期值Tg 较 GBJ11-89 增大了约0.05s 。罕遇 地震作 用时, 特征周 期Tg 值 也适当 延长。 考虑到不同结构类型建筑的抗震设计需要， 提供了阻尼调整系数， 以阻尼 比为0.05 为标准，给出不同阻尼 比地震 影响系 数曲线 。 提出楼层最小地震剪力控制系数 ， 由于地震影响系数在长周期段下降很快 ， 不能反映地震地面运动的速度和位移在结构上产生的地震作用， 可能导致
14、 高层建筑和大跨度空间结构的计算地震内力偏小， 对此进行了控制和补偿 。5. 2010 年 ， 住建部和国家质检总局联合发布GB50011-2010 建筑抗震设 计规范。 基本延续GB50011-2001 的 主要抗震设计理念和 方法， 如：三水准设防原 则 和两阶段设计方法、 小震作用下的截面抗震验算采用不同荷载与地震作 用效应组合的多系数表达式、 引用承载力抗震调整系数、 对 楼层最小地震 剪力的控制等。 对场地分类和场地土液化 判别、 地震影 响系数 曲线作 了微 调； 小震作用下的截面抗震验 算增加 了以竖 向地震 为主的 效应组 合工 况； 细化概念设计和各类结构 抗震措 施的内容
15、； 增加大跨度屋盖建筑、 地下建筑和钢支撑混凝土框架和钢框架混凝土筒体 结构、钢筋混凝土框排架 结构和 多层钢 结构厂 房抗震 设计内 容; 新增对有专门要求的建筑进行 抗震性能设计 的 要求， 并 提供了关于性能 化 设计的原则规定和参考指 标。三、隔震和消能减震设计 的基本 原理地震是危害我国最严重的自然灾害！ 唐山地震1976 M7.8 死者24.2万 邢台地震1966 M6.8 死者8064 海城地震1975 M7.5 死者1328 四川汶川地震2008 M8.0 死者7万 畳渓地震1933 M7.5 死者2万 華県地震1556 死者83万 古浪地震1927 M8.0 死者4万 海原地
16、震1920 M8.5 死者24万 昌馬地震1932 M7.6 死者7万 瀾滄 耿馬地震1988 M7.6/7.2 死者743 通海地震1970 M7.7 死者1.5 万主要依靠加大构件截面尺寸和配筋，提高结构的强度和延性来抵御地震。 传统抗震设计 这种手段是目前世界范围内普遍采用的减轻房屋地震灾害的主要途径。基础隔震设计 釜底抽薪 地震発生 時間 地震発生 時間 减震效果100% 现实中不可行。 减震效果很好， 结构位移过大。 减震效果好， 结构位移可控， 振动衰减缓慢。 减震效果好， 结构位移可控， 振动衰减迅速。在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由叠层橡胶隔震支座和阻尼 装置等部
17、件组成具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期， 减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求。 1 属于主动 抗震技术 3 适用于多高层 建筑抗震，在 高烈度区技术 经济效益尤为 明显。 2 隔震效果最彻 底，降低地震 作用50-80% 基础隔震设计 釜底抽薪叠层橡胶隔震支座 弹性滑移支座 基础隔震设计 釜底抽薪消能减震设计指在房屋结构中设置消能器，通过消能器的相对变形和相对速 度提供附加阻尼，消耗输入上部结构的地震能量，达到预期防震减震要求。 1 属于主动 抗震技术 3 适用于多高层 建筑抗震、超 高层建筑与大 跨桥梁抗风。 2 减震效果20- 30 消能减震设计-雪中送
18、炭隔震设计： 1. 减震效果很好 ， 理论减震效果可达75% 左右 ， 建筑设计中减震效果一般可达50% ， 相当于使输入地震作用降低1 度。 2. 适用范围 受制 于建筑高 度、 高宽比等 影响 ， 目前世 界上 最高的隔 震建 筑为175m 左 右。 3. 产品安装、施工难度大，工期延长。 消能减震设计： 1. 减震效果一般 ， 建筑设计中 ， 小震作用下的地震力减震效果一般可达1520% ， 大震下结构层间位移减震效果可达30% 左右。 2. 适用范围 广阔， 几 乎没 有限制 ， 钢筋 混凝土 结 构、 钢结构 、 木结 构，建筑、 桥梁 、 构筑物，抗震、抗风等。 3. 产品安装、施
19、工难度小，工期影响小阻尼比和地震影响系数曲 线0 1 2 3 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.240.3g =5%0.3g =10%0.3g =15%0.3g =20% T 原结构 隔震结构 黏滞减震结构 金属屈服减震结构四、隔震和消能减震技术 的常用 装置 隔震支座1. 叠层橡胶隔震支座 中間鋼板 内部 被覆 鉛 1. 叠层橡胶隔震支座 钢板和橡胶层交互层叠而 成橡胶块变形前 剪力 压缩载荷 压缩变形大 橡胶块压缩剪切变形后 压缩载荷 压缩变形小 剪力 叠层橡胶变形前 叠层橡胶压缩剪切变形后 1. 叠层橡胶隔震支座変位 荷重 1. 叠层橡胶隔震支座（无铅芯）
20、鉛 内部 鋼板 天 然 変位 荷重 1. 叠层橡胶隔震支座（有铅芯）変位 荷重 2. 弹性滑移支座 屈服后刚度为零， 可以有效延长隔震结构周期， 适合超高层 隔震及轻量隔震。 适当的摩擦系数可以兼做阻尼器。 为减轻轴向力影响， 滑板支座宜配置在中间轴力变化比较小 的地方。 高摩擦系数滑板支座在地震后容易产生残余变形。 2. 弹性滑移支座四、隔震和消能减震技术 的常用 装置 阻尼器 消能减震装置主要可分为速度相关型、位移相关型。速度相关型消能器主要指黏滞 消能器、黏弹性消能器；位移相关型消能器主要指金属屈服消能器、摩擦消能器。 种 类 黏滞阻尼器 黏滞阻尼墙 粘弾性阻尼器 金属阻尼器 摩擦阻尼器
21、 外 观 性 能 F=Cv 滞回曲线：椭圆 形、四边形。 F=Cv 滞回曲线：椭圆 形、四边形。 F = K()d+ C ( )v 滞回曲线：倾斜 椭圆形。 F=K f(d) 滞回曲线：双 线性。 F=K f(d) 滞回曲线 ：双线 性 。 材 料 黏滞流体 高分子化合物 丙烯、二烯 等化合物 钢材、铅 摩擦 原 理 挤压变形、流动 抵抗型 剪切变形、流动 抵抗型 剪切变形相关型 位移相关型 位移相关型 形 状 筒型 墙型 筒型、墙型 筒型、墙型 筒型、墙型一般由缸体、活塞和粘滞流体组成， 活塞上开有小孔，并可以在充有硅 油或其它粘滞流体的缸体内作往复 运行。当活塞与缸体间产生相对运 动时，流
22、体从活塞的小孔内通过， 对两者的相对运动产生阻尼，从而 耗散能量。 1. 黏滞阻尼器（筒式） 消能减震装置主要可分为速度相关型、位移相关型。速度相关型消能器主要指黏滞 消能器、黏弹性消能器；位移相关型消能器主要指金属屈服消能器、摩擦消能器。1. 黏滞阻尼器（筒式） 阻尼力速度关系曲线 速度相关型：F=CV -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 -150 -100 -50 0 50 100 150 変位(mm) 減衰力(kN) 阻尼力位移关系曲线 加载频率1.0Hz 筒式黏滞阻尼器性能检测结果1. 黏滞阻尼器（筒式） 芯 350 350 100
23、1,130 25 芯 245 245 PBL-12x400x140 10-M22 1 50 2,400 Joint Joint H-200x200x8x12 P B L - 9 Br1 115 10 1,130 1,130 1,000 天端 天端 250 1,000 500 250 150 95 80 95 80 60 60 130 断 面 図 1:30 B. bL 19 HTB 8-M24 P B L - 12 P B L - 9 2PBL-12 2PBL-12 2PBL-16 2 P B L -9 2PBL-12 6001. 黏滞阻尼器（筒式） 1000kN 補 強 後 施 工 1. 黏滞
24、阻尼器（筒式）2. 黏滞阻尼墙2. 黏滞阻尼墙 黏滞阻尼墙性能检测装置2. 黏滞阻尼墙 从小位移到大位移都有效，对风振和地震都有效。 循环性能好，对于持续时间 长，循环次数 多的地震十分 有效，也可满 足高层风振 舒适度要求。 产品形状类似 建筑剪力墙 ，设置方便， 不妨碍建筑功能 。 复位性好，地震后无残 余变形。 单个产品吨位大（400T ），可集中设置，减少设置位置。 2. 黏滞阻尼墙金属屈服阻尼墙（剪切屈服型） 利用金属（铅、软钢、低屈服点钢）作为能量吸收材料的阻尼装置，有轴向屈服型、 剪切屈服型、弯曲屈服型等，所有形式均是利用金属发生塑性变形以吸收地震能量。 金属屈服阻尼器（弯曲屈服
25、型） 3. 金属屈服阻尼器3. 金属屈服阻尼器 低屈服点钢和普通钢性能指标对比 (a) 化学成分 成分(%) 規格 鋼材種類 C Si Mn P S N GB700-1992 Q235 0.12 0.20 0.30 以下 0.30 0.70 0.045 以下 0.045 以下 JIS LY225 0.10 以下 0.05 以下 0.50 以下 0.025 以下 0.015 以下 0.006 以下 (b) 机械物理性能 規格 鋼材種類 降伏点 (N/mm 2 ) 引張強 (N/mm 2 ) 伸 (%) GB700-1992 Q235 235 以上 375 460 26 以上 JIS LY225
26、205 245 300 400 40 以上 3. 金属屈服阻尼器 470kN 剪切型软钢阻尼器30mm ，50周疲劳试验，性能变化极小3. 金属屈服阻尼器 某消能减震工程的软钢阻尼墙安装图防屈曲支撑的英文名称：BRB (Buckling Restrained Brace) ，UBB (Unbonded Brace) ，或者UBD (Unbonded Brace Damper) 等. 通过钢材的轴向拉压来消耗能量， 由 防屈曲支撑内芯和约束部件构成 ， 约束部件的 作用为防止内芯在受压时发生整体屈曲并约束其局部屈曲， 使内芯在拉力和压力作 用下都能达到全截面的充分屈服。属于金属屈服消能器系列。 4. 防屈曲支撑（金属屈服阻尼器） 新日本制铁研发的防屈曲支撑构造图 住金关西工业会社研发的防屈曲支撑 构造图防屈曲支撑约束部件的作用为防止内芯在受压时发生整体屈曲并约束其局部屈曲， 使内芯在拉力和压力作用下都能达到全截面的充分屈服。 4. 防屈曲支撑（金属屈服阻尼器） 支 撑 可为 框架或排架提供 很大 的 抗侧 刚度和 承 载力 ， 但是普通 支 撑受压 会 产生屈曲 现象。普通支撑受压屈曲后，刚度和承载力急剧降低，因而其滞回消能性能很差。4. 防屈曲支撑（金属屈服阻尼器） 上海东方体育中心游泳馆 防屈曲支撑长13m 上海世博中心谢谢大家的关 注！ 王曙光
