Engineering practice of seismic isolation and energy dissipation structures in China
The concepts of seismic isolation and energy dissipation structures emerged in the early 1970s. In China, the first seismic isolation structure was finished in 1993, and the first energy dissipation structure was built at about the same time. Up to 2007, China had more than 600 seismic isolation and about 100 energy dissipation building structures. In 2008, the huge Wenchuan earthquake hit the southwest of China, which triggered a bloom of new seismic isolation and energy dissipation structures. This paper presents the development history and representative applications of seismic isolation and energy dissipation structures in China, reviews the state-of-the-practice of Chinese design, and discusses the challenges in the future applications. Major findings are as follows: Basic design procedures are becoming standardized after more than ten years of experiences, which mainly involve determination of design earthquake forces, selection of ground motions, modeling and time-history analyses, and performance criteria. Nonlinear time-history analyses using multiple ground motions are the characteristic of the design of seismic isolation and energy dissipation structures. Regulations, standardization and quality control of devices, balance between performance and cost, comparison with real responses, and regular inspection are identified as the issues that should be improved to further promote the application of seismic isolation and energy dissipation structures in China.
seismic isolation structure, energy dissipation structure, development history, design practice 1. Introduction
The concept of modern seismic isolation emerged in the early 1970s in New Zealand, and the first seismic isolation building was also built in New Zealand in 1981. A few years later, Japan and the US had their own seismic isolation buildings in 1983 and 1984, respectively. Slightly later than these earthquake-prone countries, the application of the seismic isolation in China began, and the first building was finished in 1993. Up to 2007, the seismic isolation technology had been applied in over 20 countries. In terms of the application numbers, Japan, China, and the US are the leading countries in the world. Japan has more than 5000 seismic isolation buildings, and the number for the US is nearly 100. The highest seismic isolation buildings in Japan and the US have 50 stories and 29 stories, respectively. China has over 600 seismic isolation buildings, and the highest has 19 stories.
In 1972, Kelly et al. proposed an idea to dissipate earthquake energy by installing some soft steel dampers as energy dissipation devices in the structure. This is deemed to be the origination of energy dissipation structures. In the beginning of 1980s, it was imported to China and the research on the new structure system started. Major efforts were made on the development of energy dissipation devices and the evaluation of energy dissipation structure performances in the beginning. Real applications started ten years later, i.e., in the early 1990s. Up to now, China has about 100 buildings using energy dissipation devices.
In 2008, the huge Wenchuan earthquake hit the southwest of China, leading nearly 70000 deaths and 800 billion RMB economic losses. Great efforts from Chinese engineer society are made at evaluating the seismic capacity of existing structure systems and searching the alternative seismic technologies. A resonance workshop was held at China Academy of Engineering on June 28 to 29, 2008, and the application of seismic isolation and energy dissipation technologies was
suggested as one of the solutions to improve the seismic performance of buildings. Applications of seismic isolation and energy dissipation technologies were significantly increased in Japan after the 1995 Kobe earthquake. Similarly, they were expected to be more wildly used in China in the following years due to the Wenchuan earthquake.
This paper firstly presents the development history and some representative applications of seismic isolation and energy dissipation structures in China, then reviews the state-of-the-practice of Chinese design, and finally discusses the challenges of future application in China.
2. Development history and representative applications
2.1. Seismic isolation structures
Early in the 60#39;s of last century, Chinese researchers studied seismic isolation buildings by using low-cost sliding systems, and several single-story and a four-story isolation buildings were constructed in 1980. In the late 1980s, Chinese started the research on the modern isolation technology, and a few research projects were carried out in the universities and research institutes. The real engineering applications started in 1993. The history of the engineering applications in China can be divided into the following four stages.
From 1993 to 1994一 A few pioneer seismic isolation buildings were constructed. Funded by the United Nations Industrial Development Organization (UNIDO), Zhou constructed an eight-story building in Shantou City of China by using the rubber bearings made in Malaysia. This is deemed to be the first seismic isolation building in China. Tang built another two buildings by using the lead rubber bearing made in China in 1993 and 1994, respectively.
From 1995 to 1996一 Based on the experience gained from the pioneer projects, the seismic isolation technology in China was greatly improved, and more applications were implemented in Guangdong, Yunnan, Sichuan and Shanxi provinces. Meanwhile, the potential market of rubber bearing was recognized by the Chinese rubber industry, which accelerated the research and manufacture of Chinese rubber bearing devices.
From 1997 to 2000一 Quite a few Chinese manufactures could produce qualified rubber bearing devices. In 1997, the corresponding
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我国隔震和消能减震结构的工程实践
摘要 :70年代初,隔震和消能减震结构的概念开始出现,我国在 1993年首次建 造了隔震结构,同时开始建立了消能减震结构。到 2007年,中国有超过 600个 隔震结构,大约有 100个消能减震结构。 2008年,汶川大地震袭击了中国西南 地区, 这促进了隔震和消能减震结构的发展。 本文介绍了我国隔震和消能减震结 构的发展历史和代表性应用, 回顾了中国现阶段的设计实践, 并探讨了今后应用 方面的挑战。 主要研究结果如下:经过十多年的经验, 基本设计程序正在标准化, 这主要包括确定设计地震力,地震动的选择,建模和时程分析,性能标准。采用 多条地震动的非线性时程分析是隔震和消能减震结构设计的特点。 规范, 设备的 标准化和质量控制, 性能和成本之间的平衡, 结构实际响应的比较, 定期检查结 构是应改善的问题,以促进隔震和消能减震结构在中国的应用。
关键词 :隔震结构消能减震结构发展史设计实践
1 介绍
20世纪 70年代初, 现代隔震的概念出现在新西兰。 1981年, 新西兰建立了 第一个隔震结构。几年后,日本和美国分别在 1983和 1984年建造了隔震建筑。 隔震技术在中国开始应用的时间比这些地震多发国家稍晚些,中国在 1993年完 成了第一个隔震建筑。 直到 2007年, 隔震技术已在 20多个国家得到应用。 从应 用的角度来说, 主要是日本、 中国和美国这些国家。 日本有 5000多个隔震建筑, 而美国有近 100个。 最高的隔震建筑在日本和美国有分别为 50层和 29层。 中国 有超过 600个隔震建筑,最高的为 19层。
1972年,凯利等人提出了通过在结构上安装一些软钢消能器来耗散地震能 量的想法。这被认为是消能结构的起源。在 80年代初,这种想法传入中国,随 后开始了对新结构体系的研究。 一开始的主要工作是对消能部件的发展和消能结 构的性能进行评价。 十年后, 也就是在 20世纪 90年代初, 中国开始应用这项技 术。到现在,中国有大约 100个建筑使用消能部件。
2008年,汶川大地震袭击了中国西南地区,导致近 70000人死亡和 8000亿 人民币的经济损失。 中国工程师在评价现有的结构体系的抗震能力和寻找替代抗
震技术上做出了巨大的努力。 2008年 6月 28日至 29日,中国工程院举行了一 个共振研讨会, 提出了以隔震和消能减震技术为解决方案来提高建筑物的抗震性 能。 在 1995年阪神大地震后, 日本隔震和消能减震技术的应用显著增加。 同样, 由于汶川大地震,该技术在中国得到更广泛的应用。
本文首先介绍了国内外隔震和消能减震结构的发展历史和一些有代表性的应用, 然后回顾了中国的设计实践,最后探讨了未来我国在应用上面临的挑战。
2 发展历史和代表性的应用
2.1 隔震结构
在上世纪 60年代初, 中国科研人员通过低造价滑动系统对隔震建筑进行了研究, 并在 1980年建造了几个单层和一个四层的隔震建筑。在 20世纪 80年代末,我 国开始了现代隔震技术的研究, 并在高校和研究机构开展了一些研究项目。 真正 的工程应用开始于 1993年。中国的工程应用史可以分为以下四个阶段。
从 1993到 1994年 —— 开始建造一些隔震建筑。 由联合国工业发展组织 (工发组 织) 资助, 周福霖使用马来西亚的橡胶支座在汕头建造了一座八层的建筑。 这被 认为是中国的第一个隔震建筑。 在 1993年和 1994年, 唐使用我国制造的铅芯橡 胶支座分别建造了另外两座建筑。
从 1995到 1996年 —— 基于之前项目所取得的经验, 我国的隔震技术有了很大的 提高,越来越多的应用在广东、云南,四川和山西省得到实施。同时,橡胶支座 的潜在市场得到了中国橡胶行业的认可,加快了中国橡胶支座的研究与制造。 从 1997到 2000年 —— 不少中国制造商能生产出合格的橡胶支座。 1997年, 我家建立了相应的技术规范和产品标准。图 1展示了 2000年前,我国隔震建筑 的建筑面积。可以看到在 1997年时隔震技术应用的显着增加。
图 1 隔震建筑的建筑面积(2000年前)
从 2001年到现在 —— 隔震和消能减震结构作为一个章节被添加到中国 2001年发 布的《建筑抗震设计规范》 ,这意味着隔震结构被正式接受。在这一时期,隔震 建筑的数量稳步增长, 直到 2007年, 在超过 16个省份中, 有 600多个隔震建筑, 覆盖了中国大部分的地震带。
在图 2中展示了一些有代表性的项目。图 2(a )展示了上面提到的第一个 隔震建筑。 汕头市, 这个建筑的所在地, 在 1994年受到台湾 7.3级地震的影响, 然而这个建筑表现得很好。 在附近普通建筑里的人们感到非常强烈的震动, 一些 人从窗户逃出, 地震导致 126人受伤, 但那些在隔震建筑中的人几乎没有意识到 地震。图 2(b )展示了一个高层隔震建筑。这个 19层的建筑是 1999年在中国 山西省建造的。 这是近十年来的最高的隔震建筑。 直到汶川大地震后, 四川建造 了一个 20层的高层隔震建筑。图 2(c )为昆明机场新航站楼,是中国最大的隔 震建筑,其隔震层由 535个铅芯橡胶支座和 1177个直径为 1000mm 的天然橡胶 支座组成,其中有 54个黏滞阻尼器。图 2(d )展示了北京地铁枢纽地区的一个 隔震建筑群。这里建造了一个非常大的平台(2层的钢筋混凝土框架) ,尺寸为 1500米 times;2000米, 50个隔震建筑 (7-9层的钢筋混凝土框架结构) 建立在平台上。 这些隔震建筑的总建筑面积约为 480000平方米,居世界第一位。图 2(e )展示 了一个最近由作者设计的隔震建筑。 这是北京国家生物安全实验室。 这座建筑物 的安全性和功能性要求非常高,因此,隔震成为一个很好的选择。在设计中,认 真考虑了结构的抗震性能, 包括加速度响应。 图 2(f ) 是上海 F1赛道新闻中心。 隔震层设置在 31.6米高处。这层有三个功能,即维持重力,减少地震力,释放 热应力。



图 2 我国隔震结构代表性应用。 (a )第一个建筑; (b )最高的建筑; (c )最大的建筑; (d )最大的建筑群; (e )国家生物安全实验室; (d)上海 F1赛道新闻中心
2.2 消能减震结构。
消能减震结构的概念在 80年代初传入中国,从那时起,中国的研究人员和工程 师们对消能部件和工程应用做了基础和创新的工作。
具体而言, 至少研究了以下四种类型的消能部件, 即金属屈服消能器, 摩擦消能 器,黏弹性消能器和黏滞消能器。关于金属消能器,在上世纪 80年代,周开展 了由弯钢构件组成的消能支撑的试验研究。 从那时起, 周等人开发了多种金属消 能器,包括屈曲约束支撑。
至于摩擦消能器,其研究始于上个世纪 80年代后期,研究人员例如周和吴改善 了鲍尔摩擦消能器, 陈发展了螺栓摩擦消能器, 曲等人提出了一种新的摩擦机制, 即通过在钢筋混凝土 /钢剪力墙中设置槽来消能。至于黏弹性消能器,陈和吴为 消能器的建模开发了一种设计函数,吴等人对黏弹性消能器开展了参数化研究。 对黏滞消能器的研究在我国起步相对较晚。清华大学、东南大学、同济大学、哈 尔滨工业大学等高校对黏滞消能器进行了初步的研究。 钱等人开展了对黏滞消能 墙抗震性能的试验研究。 随着研究的进展, 消能减震技术在我国工程实践中逐渐 得到应用。目前,我国已建立了约 100个消能减震结构。
图 3给出了我国几种具有代表性的消能减震结构。图 3(a )展示了第一个 中国自主研发的屈曲约束支撑结构(BRBs ) 。 BRBs 包括钢芯和外部钢筋混凝土 约束单元。该建筑物于 2005年完工,安装了共 350个 BRBs 。图 3(b )展示了 中国江苏的百年财富中心, 它高 94.95米, 是中国最高的采用黏滞消能器的建筑。 最初是考虑在建筑上使用黏滞消能墙; 然而, 出于经济上的考虑,
最终采用了常
规的筒式黏滞消能器。图 3(c )展示了世茂国际广场,其主题结构和附属结构 由 40个消能器连接起来。消能器很好地控制住附属结构的扭转效应和主体结构 的风振效应。图 3(d )和(e )展示了消能减震结构分别在改造和新建项目中最 大规模的工程应用。前者是上海的港汇广场,这次改造使用了 88个消能器。后 者是 2010世博会的主题展馆,建筑面积为 8万平方米,使用了 44个消能器。



图 3 我消能减震结构的代表性应用。 (a )使用我国自主研制 BRBs 的第一个建筑; (b )使 用黏滞消能器的最高的结构; (c )世茂国际广场; (d )港汇广场; (e ) 2010世博会主题展 馆
3 隔震与消能减震部件
3.1隔震器
在中国最受欢迎的隔震器是圆截面的天然橡胶支座(NRBs )和铅芯橡胶支座 (LRBs ) 。相当多的中国企业以具有竞争力的价格制造隔震器。
中国的 NRBs 和 LRBs 由厚度从 2mm 到 15mm 的天然橡胶层, 嵌入 2到 5mm 厚 的硬质薄钢板组成。 天然橡胶层和钢板的厚度随着直径的增加而增大。 一个直径 为 D 的圆形隔震器和厚度为 tR 的橡胶层,形状因子的定义是 S 1 = D / 4tR。在中 国 S1值通常在 25到 45之间。对形状因子 S1的控制是避免过大的横向变形导 致支座屈曲和确保较大垂直刚度以减小倾覆作用。一般垂直刚度在 1.0times;106到 8.0times;106kN/m之间,随着橡胶支座直径的增加而增加。 第二形状因子 S2,通过含 有隔震器的橡胶支座的纵横比来定义, S 2 = D /(ntR ) (n 为橡胶层的数量) ,其 值大约是 6。制造商考虑到橡胶的剪切模量,比如 0.4或 0.6 N / mm2,通常会提 供两种类型的支座。允许的长期压应力值(重力引起)为 10到 15 N/mm2。在中 国的设计实践中, 上限是用于一般建筑结构, 而下界是用于重要的建筑物,
其失
败会导致严重的次生灾害。
橡胶支座的直径从 200到 1200mm ,间隔 50mm (图 4(a ) ) ,直径小的橡胶 支座,例如 200和 300mm ,在过去很流行,但由于相对较小的变形能力,现在 不再推荐使用了。建筑物中最常用的是直径在 500到 800mm 之间的支座。设计 最大变形设置为约剪切变形的 250%至 300%(通常直径 800mm 的采用 450至 550mm ) 。

图 4 隔震和消能减震部件。 (a )橡胶支座; (b )罐式阻尼器
嵌入铅塞(通常为直径 40至 150mm )的 LRBs 和 NRBs 可以耗散滞回消能。屈 服力取决于铅塞的直径, 大约是 100 kN对应直径 100mm 的铅塞。 对于正常风荷 载引起的相对较低的水平力, LRBs 有很高的初始刚度(约屈服后刚度的 10至 16倍) 。
3.2 消能部件
和以橡胶支座为主的隔震器不同,消能部件(简称消能器)有更大的变化。消能 器可以分布在结构上或和隔震器一起组合成隔震层。 消能器主要包括以下五种类 型:黏弹性消能器,黏滞流体消能器,金属屈服消能器,摩擦消能器,屈曲约束 支撑。 虽然在本文中屈曲约束支撑被分类为一种金属屈服消能器, 但在工程上通 常是作为一个独立的类型。 在实际设计中, 黏滞消能器是最常用的, 其次是金属 屈服消能器和屈曲约束支撑。
黏性流体消能器提供一个与速度成线性或非线性的阻尼力。 常用的黏滞流体消能 器可以承受 150到 1500 kN的力, 速度线性相关型的阻尼系数值介于 200到 2000 kN*s/m,速度线性相关型的阻尼指数的正常值介于 0.2到 1之间,间隔为 0.05。 分析阻尼力时采用与速度成线性或非线性的模型。
大多数阻尼器仅能在一个方向变形, 因此, 在隔震建筑中的应用, 至少需要四个 装置,以减小扭转效应。图 4(b
)展示了最近在隔震层中使用的一种能在多个
方向上提供阻尼力的罐型阻尼器。
3.3 设备授权程序
在实际应用中, 所有的设备在装运到建筑工地之前, 必须经过一个授权过程。 通常特定项目仅需要交付检查即可。 然而, 如果设备是新产品, 或变更加工技术, 或制造商停止生产超过一年, 就需要进行类型批准测试。 交付检查和类型批准测 试都由中国计量认证(CMA )组织进行,合格的设备将获得产品合格证。每种 设备至少测试三个样品,合格率应为 100%。一般来说,测试必须展示样品的全 部结果,但是,在某些情况下,由于测试设施有限的承载能力,只能对样品进行 部分测试。 举个例子, 图 5(a ) 和 (b ) 分别显示橡胶支座和罐式阻尼器的测试。

图 5 隔震和消能减震部件实验。 (a )橡胶支座; (b )罐式阻尼器
4设计实践
4. 1设计框架
我国的建筑抗震设计考虑了三个水平的地震。 1) 多遇地震指的是 50年内发 生地震的超越概率为 63%,约 50年一遇; 2)当地设防地震指的是 50年内发生 地震的超越概率为 10%, 约 475年一遇; 3) 罕见的地震指的是 50年内发生地震 的超越概率为 2%到 3%, 2000度年一遇。 相应的, 建筑物的抗震设防目标是:1) 当遭遇多遇地震时, 建筑物将保持弹性, 或只发生轻微损伤, 此时建筑仍然是可 用的; 2)当遭遇当地设防地震时,允许建筑出现损坏,但要求在快速改造或无 任何修复下仍可继续使用; 3)当遭遇罕遇地震时,建筑物不出现倒塌和不出现 危机生命安全的严重破坏。
为了达到上述设计目标, 在中国建筑抗震设计中采用了两阶段设计方法。 第 一阶段设计的主要目的是为了保证建筑物在多遇
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