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外文文献翻译
中国地震隔离和耗能结构工程实践
潘鹏*，叶利平，石卫，曹海云
中国教育部土木工程安全与耐久性重点实验室，清华大学土木工程系
摘 要
地震隔离和能量耗散结构的概念出现于20世纪70年代初。在中国，1993年完成了第一个地震等化结构，并在大约同一时间建成了第一个能量耗散结构。截至2007年，中国有600多个地震隔离区和大约100个耗能建筑结构。2008年，中国西南部发生了巨大的汶川地震，引发了新的地震隔离和能量耗散结构的爆发。本文介绍了我国地震隔离和耗能结构的发展历史和代表性应用，回顾了中国设计的现状，并讨论了未来应用的挑战。主要研究结果如下：经过十几年的经验，基本设计程序正在标准化，主要涉及设计地震力的确定、地面运动的选择、建模和时间历史分析以及性能标准。利用多地面运动进行非线性时程分析是地震隔震和耗能结构设计的特点。对设备的规制、标准化和质量控制、性能与成本的平衡、与实际反应的比较，以及定期检查等问题，都是应改进的问题，以进一步促进我国地震隔离和耗能结构的应用。
关键词：地震隔离结构；耗能结构；发展历史；设计实践；监管环境
1引言
现代地震隔离的概念出现于20世纪70年代初的新西兰[1]，第一个地震隔离建筑物[2]也于1981年在新西兰建造。几年后，日本和美国分别在1983年和1984年分别建造了地震隔离建筑物。稍晚于这些地震多发国家，在中国的地震隔离应用开始，第一个建筑在1993年完成[3]。截至2007年，地震隔离技术已应用于20多个国家。在申请人数、日本、中国和美国是世界上的主要国家。日本有5000多个隔震建筑，美国的地震数量接近100座。日本和美国最高的地震隔离建筑分别有50层和29层。中国有600多个隔震建筑，最高有19层。
在1972年，Kelly等[5]提出了一种通过在结构中安装一些软钢质阻尼器来耗散地震能量的想法。这被认为是能量耗散结构的起源。在20世纪80年代初，它被引入中国，并开始对新的结构体系进行研究。主要的工作是开发耗能的设备和对能量耗散结构性能的评价开始。真正的应用开始于十年后，即20世纪90年代初[6]。到目前为止，中国大约有100座建筑使用耗能装置。
2008年，汶川大地震袭击中国西南地区，造成近70000人死亡，8000亿元经济损失。中国工程师学会在评估现有结构系统的抗震能力和寻找替代地震技术方面做出了巨大的努力。中国工程院于2008年6月28日至29日在中国工程院举行了一次共振研讨会，并提出了地震隔离和能量耗散技术的应用，作为提高建筑物抗震性能的解决方案之一[7]。1995年神户地震后，日本地震隔离和耗能技术的应用显著增加[8]。同样的，由于汶川地震，他们预计在接下来的几年里会在中国被更广泛地使用。
本文首先介绍了我国地震隔离和耗能结构的发展历史和一些代表性应用，然后回顾了中国设计的现状，最后讨论了我国未来应用的挑战。
2开发历史和代表性应用
2.1地震隔离结构
在上个世纪60年代早期，中国研究人员利用低成本的滑动系统研究了地震隔离建筑，并在1980年建造了若干个单层和四层的隔离建筑[9，10]。在20世纪80年代后期，中国开始了对现代隔离技术的研究，并在大学和研究机构开展了一些研究项目[9]。真正的工程应用始于1993年[11-13]。中国工程应用的历史可以分为以下四个阶段。
从1993年到1994年，建造了一些开拓性的隔震建筑。由联合国工业发展组织（工发组织）资助的周[3]利用马来西亚制造的橡胶轴承，在中国汕头市建造了一座八层楼的建筑。这被认为是中国第一个地震隔离建筑。唐[14]分别用1993年和1994年在中国制造的铅橡胶轴承建造了另外两座建筑。
从1995年到1996年，根据先导项目的经验，中国的地震隔离技术得到了极大的改善，在广东、云南、四川、山西等省实施了更多的应用。同时，橡胶熊的潜在市场得到了中国橡胶工业的认可，加速了中国橡胶轴承设备的研究和制造[14，15]。
从1997年到2000年，相当多的中国制造商可以生产合格的橡胶轴承设备。1997年制定了相应的技术规范和产品标准。图1为2000年地震隔离建筑物的地面面积。可以观察到1997年应用程序的显著增加[15]。
2001年至今，中国《建筑物抗震设计规范》（2001[16]）中加入了关于地震隔离和耗能结构的章节[0]，这意味着地震隔离结构被正式接受。在这段时间内，地震隔离建筑物的数量稳步增加，到2007年，在超过16个省份，超过600个隔离建筑被建造，覆盖了中国的大部分地震带。
图2给出了几个代表性的项目。图2（a）显示上述第一个隔震建筑物。该建筑所在的汕头市在1994年的台湾海峡地震中受到了震动，震级为7.3级，而这座建筑表现得非常好。在附近的传统建筑中，人们感到非常强烈的震动，一些人从窗户逃生，导致126人受伤，但那些在地震隔离建筑中的人几乎没有意识到地震[11]。图2（b）为高层隔震建筑。这座19层的建筑建于1999年的中国山西省。这是近十年来最高的一次，直到汶川地震[17]之后，中国四川省又建造了一座20层楼高的高层建筑。图2（c）给出了昆明机场新航站楼的图片，这是中国最大的隔震建筑。隔震层由535个铅橡胶轴承和1177个直径为1000 mm的天然橡胶轴承和54个粘滞阻尼器组成[18，19]。图2（d）为北京地铁枢纽区隔震建筑群。一个非常大的平台（事件RC框架）与1500 mtimes;2000 m的一个维度，和50地震隔离建筑（7 - 9的层间剪力，RC框架）是建立在平台。
图1地震隔离建筑物的楼面面积（截至2000年）
这些地震的隔离区总建筑面积约为48万平方米，按建筑面积计算，居世界首位[20]。图2（e）显示了作者最近设计的隔震建筑。它是北京的国家生物危害安全实验室。该建筑在安全性和功能性上都有极高的要求，因此隔震成为一个不错的选择。设计中仔细考虑了包括加速度响应在内的地震性能。图2（f）是上海F1赛道新闻中心的图片。地震隔离层设置在31.6 m的高度。这一层有三个功能，即为了维持重力，减少地震力，释放热应力[21]。。
2.2能量耗散结构
20世纪80年代初，王在中国引入了能量耗散结构的概念，此后，中国的研究人员和工程师对耗能装置和工程应用进行了基础性和创新性的研究[22]。
具体来说，至少有四种类型的耗能装置，即研究了金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器。关于金属阻尼器，周对80年代由弯曲钢构件组成的能量耗散支架进行了实验研究。从那以后，周等[23-29]开发了相当多种类的金属阻尼器，包括屈曲抑制装置。
图2地震隔离结构在中国的代表性应用。（a）第一个建筑；（b）最高的建筑；（c）最大的建筑；（d）大建筑集团；（e）国家生物危害安全实验室；（f）上海F1赛道新闻中心。
至于摩擦阻尼器，其研究始于上世纪80年代末。研究人员，如周和吴[30-32]，改进了Pall摩擦阻尼器，陈[33]开发了螺栓-外接摩擦阻尼器，Qu等[34，35]提出了一种新的摩擦机制，即：，在钢筋混凝土/钢剪力墙内设置槽以供耗能。对于粘弹性阻尼器，陈和吴[36， 37]开发了一个用于阻尼器建模的设计函数，吴等[38-40]对粘弹性阻尼器进行了参数化研究。粘性阻尼器的研究在中国起步较晚。包括清华大学、东南大学、同济大学和哈尔滨工业大学在内的大学对粘滞阻尼器进行了初步研究。钱等[41，42]对粘性阻尼壁的地震行为进行了实验研究。随着研究的不断深入，在我国工程实践中逐渐应用了能量耗散。到目前为止，中国已经建造了大约100个耗能结构[22，42-54]。
图3给出了中国一些具有代表性的耗能结构。图3（a）采用中国自行研制的屈曲约束支架（BRBs）显示第一个结构。BRBs由钢芯和外部钢筋混凝土约束单元组成。该建筑于2005年完工，共安装了350个BRBs[28，29]。图3（b）给出了江苏柏年财富广场的图片。
图3中国能源耗散结构的代表性应用。（a）使用中国自行开发的brb的第一种结构；（b）使用粘滞阻尼器的最高结构；（c）世茂国际广场；（d）Ganghui广场；（e） 2010年世博会主题展览馆。
中国的最高建筑面积94.95米，被认为是使用粘性阻尼器的中国最高建筑。本建筑最初考虑粘性阻尼墙；然而，由于经济考虑，传统的气缸式阻尼器最终得到了应用。图3（c）显示世茂国际广场，其主要和附件结构由40个阻尼器连接。结构的扭转效应和主结构的风振均由阻尼器[55]成功地控制。图3（d）和（e）分别显示了在改造和新项目中耗能结构的最大工程应用。前者是上海的港汇广场它采用了88个阻尼器进行改造。后者是2010年世博会的主题展厅，占地面积80000平方米，使用44个阻尼器[56]。
3地震隔离和消能装置
3.1地震光电隔离器
中国最受欢迎的隔离器是天然橡胶轴承（NRBs）和带圆形截面的铅橡胶轴承（LRBs）。相当多的中国公司正在以极具竞争力的价格制造地震隔离器。
中国的NRBs和LRBs由天然橡胶层组成，厚度从2到15毫米不等，厚度为2 ~ 5毫米的坚硬细长钢板夹层。天然橡胶层和钢板的厚度随着直径的增加而增加。对于直径为D、橡胶层为厚度tR的环形隔离器，形状因子定义为S1 = D/4tR。中国的S1值通常在25到45之间。S1形状因子的控制是为了避免在大的横向变形中轴承的屈曲，并保证较大的竖向刚度，以尽量减小倾覆效果。之间的垂直刚度是1.0times;106和8.0times;106 kN / m，这增加而增加橡胶轴承的直径。第二种形状因子S2，其定义为在隔离器S2 = D/（ntR） （n =橡胶层数）中所含橡胶的纵横比，为6左右。在橡胶的剪切模量方面，制造商通常提供两种类型的轴承。0.4或0.6 N/mm2。允许的长期压应力（由于重力）范围在10 ~ 15n /mm2。在中国的设计实践中，上界用于普通建筑结构，而下界则用于重要建筑，其失败会导致严重的次生灾害。
中国橡胶轴承的直径从200毫米到1200毫米，间隔为50毫米（图4（a））。直径小的橡胶轴承，例如200和300毫米在过去很受欢迎，但是由于它们相对较小的变形，所以不鼓励使用。
图4地震隔离和消能装置。（a）橡胶轴承；（b）型阻尼器。
在建筑物中最常用的是直径在500到800毫米之间的。剪切应变的设计最大变形量约为250%至300%（800毫米直径一般为450至550毫米）。
LRBs是NRBs的一个铅塞（通常为40到150毫米直径）插入，以消除滞回能量。屈服力取决于铅芯的直径，直径为100毫米的铅芯直径约为100 kN。LRBs的初始刚度高（约为后屈服刚度的10到16倍），因为通常是由风产生的相对较低的水平力。
3.2能量耗散装置
不同于地震隔离器，在这种情况下，橡胶轴承占主导地位，耗能装置（或简称为阻尼器）有更大的变化。能量耗散装置可以在结构中分布，也可以与地震隔离器一起集中在隔震层。阻尼器主要包括以下五种类型：粘弹性阻尼器、粘性流体阻尼器、金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器和屈曲约束支撑。尽管在本文中它被归类为一种金属屈服阻尼器，但在工程师学会中，屈曲约束支撑通常被认为是一种独立的类型。在设计实践中，最常用的是粘滞阻尼器，其次是心理屈服阻尼器和屈曲约束。
粘性流体阻尼器提供了线性或非直线速度的比例阻尼力。粘性流体阻尼器的力能力普遍采用的范围150到1500 kN，速度之间比例阻尼系数值200 - 2000 kN s / m，和共同价值观的速度比例阻尼指数的范围在0.2到1.0的区间0.05。阻尼力被建模为线性或非线性速度-比例分析。
大多数阻尼器只对一个方向的变形有效；因此，对于地震隔离建筑物的应用，每个建筑至少需要4台设备来抑制扭转效应。最近，图4（b）中所示的一个壶式阻尼器被用于地震隔离层，它可以在多个方向上提供阻尼力。
3.3设备授权过程
对于实际应用程序，所有设备必须经过授权过程，然后才能运往建筑工地。通常只需要对特定的项目进行交付检查。但是，如果设备是新产品，或者加工技术发生变化，或者制造商停止生产超过一年，就应该进行型式认证测试。由中国计量认证机构（CMA）组织进行出厂检验和型式认证测试，合格的设备将获得认证。每一种设备要测试的设备数量至少是三种，合格率应该是100%。一般来说，试验必须呈现全尺寸标本的结果；然而，在某些情况下，由于测试设备的承载能力有限，使用了伸缩的试样。例如，图5（a）和（b）分别显示橡胶轴承和罐阻尼器的试验。
4设计实践
4.1设计框架
中国建筑抗震设计实践中考虑了三层地震，即：（1）频繁地地震——指的是在50年里有63%的概率的地震，以及大约50年的基准期；2）当地设防地震，50年超过10%的概率，回返周期约475年；3）罕见的地震
相应地，建筑物的抗震设防目标为：1）在频繁发生地震的情况下，建筑物不会受到任何损害，或仅发生轻微的破坏，建筑物仍可使用；2）在进行局部设防地震时，应将该建筑物设为在快速翻修或不进行任何修补后可获得的，尽管一些损坏是允许的；在遭受罕见地震的情况下，建筑物既不会倒塌，也不会受到危及人类生命的严重损害。
图5地震隔离和消能装置的试验。（a）橡胶轴承；
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