建筑结构的阻尼研究.ppt
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1、建筑结构的阻尼研究,主讲人:施卫星 教授,土木工程学院结构工程与防灾研究所,建筑结构的阻尼研究,一、建筑结构的阻尼研究 二、舒适度与阻尼三、阻尼减振,建筑结构的阻尼研究,采用的仪器及分析系统传感器 Lance系列压电式加速度传感器,灵敏度为49V/g,量程为0.1g,频率范围为0.05-500 Hz,分辨率0.000002g。SVSA系统(同济大学结构工程与防灾研究所)由传感器、多通道采集仪和基于VB.net开发平台的采集分析软件构成。SVSA系统主要由信号采集和信号处理两个模块组成。,建筑结构的阻尼研究,建筑结构的阻尼研究,理论基础采样定理与采样方式 奈奎斯特定理:一个在频率 以上无频率分量
2、的有限带宽信号,可以由不大于 上均匀时间间隔上取值唯一地加以确定。工程中一般取 的采样频率进行采样。为了保证功率谱识别结果的准确性,希望达到16次以上平均,所以要保证足够长的采样时间。,建筑结构的阻尼研究,数据分析与处理 脉动试验的基本假设是建筑物的脉动是一种各态历的平稳随机过程。半功率点法:,钢筋混凝土框架结构的阻尼,概述对31幢钢筋混凝土框架房屋进行动力特性现场实测,主要测试结构各阶频率和对应的阻尼比,并对被测房屋的结构现状进行描述,记录内容将包括结构层高、层数、建造年代、设计单位、用途、裂缝及其分布、沉降等信息。测量结构横向和纵向两个方向的振动数据预处理(去初始项、去直流项、去趋势项),
3、结构概况 瑞安楼是由同济大学建筑设计研究院设计,2000年7月竣工,建筑面积1.3万平方米,分南北两部分,北翼为教师,南翼为研究生院总部,层高3.5m,南北体段之间设8层高中庭,采用两台蓝色科技型观光电梯,在中庭东端上下。平面尺寸长40m,宽30m。,钢筋混凝土框架结构的阻尼,纵向时域曲线,横向时域曲线,纵向功率谱,横向功率谱,钢筋混凝土框架结构的阻尼研究,建筑抗震设计规范(2010年版)中规定,除专门规定外,建筑结构的阻尼比应取0.05。日本规定钢筋混凝土结构的阻尼为0.03。,西安地区钢筋混凝土结构,日本地区钢筋混凝土结构,各类结构自振频率统计,砌体、底框结构框剪、剪力墙结构框架结构(填充
4、墙多)框架结构(填充墙少)超高层结构,几幢高层建筑的自振特性,上海金茂大厦:420.5m,0.167Hz,0.831%上海森茂大厦:203.35m,0.283Hz,2.37%上海建设大厦:173.1m,0.469Hz,3.22%上海凯旋门大厦:100m,0.557Hz,1.36%上海环球金融大厦:492m,0.157Hz,0.42%,环球金融中心90层激振至5gal后自由衰减运动(无TMD,阻尼比0.459%),环球金融中心90层激振至5gal后自由衰减运动(有TMD,阻尼比3.865%),考虑舒适度时建议的阻尼比选择,多层建筑:0.030.05钢筋混凝土结构高层:0.010.02钢-混凝土组
5、合结构高层:0.0050.01超高层:0.0050.01钢结构高层:0.0050.01,舒适度与阻尼,振动与舒适感对于建筑物来说,舒适感主要是指人在绝大部分时间内感受不到建筑物的振动。因此,满足振动舒适度要求的振动加速度水平往往和振感阈值有关,振感阈值给出了大多数建筑物发生不可接受的振动加速度水平的下限,对于可接受振动加速度水平的上限则在1倍到几倍振感阈值范围内变化,一个合理的上限取值依赖于振动的特性、持续时间、人在建筑物中所从事的活动和其它视觉、听觉诱导因素。,人对加速度的感觉,随着城市化的加速,我国各大城市规划并建设了高密度住宅、工业、商业区域。不可避免的会在铁路周边、道路、高架等有振动影
6、响的区域也出现了高层建筑。由于现代建材及施工技术的发展,越来越多的轻质高强的材料被使用。使建筑物具有阻尼和固有频率都较低,所以更容易受到地面振动的影响。,我国城市轨道交通发展十分迅猛:已有10个城市的轨道交通处于运营或试运营状态。在建线路长度超过了390公里。,地铁交通系统的发展也不可避免地对周围环境产生负面的影响,它引起的环境振动已成为公众反应十分强烈的环境污染源和社会公害,对居民的工作、生活乃至安全都产生了很大的影响。,振动传播路径,隧道结构,轮轨振动,周围土壤,降低振源激振强度轨道弹性扣件&轨道减振器&整体道床,建筑物基础,阻断传播途径开挖边沟&设置波阻块&增强土的刚度,建筑物自身减振建
7、筑物基础&建筑内浮筑楼板&基底减振支座,3.振动实测-隧道内测点布置,隧道内,3.振动实测结果分析-隧道内,1.列车通过时,轨道处振动峰值加速度非常大,最大超过12000gal,约为12g;加速度有效值也在2000gal左右,约为2g;2.列车运行轨道处:竖向振动横向振动纵向振动,其中,竖向振动约是横向振动的2倍,纵向振动略小于横向振动;3.隧道半高处:横向振动竖向振动纵向振动,其中,横向振动是竖向振动的2倍多,竖向振动约是纵向振动的1.5倍;4.竖向振动由轨道传到隧道壁上,衰减较大,峰值衰减到85gal左右,有效值约为10gal。横向振动相对衰减较小,峰值为220gal左右,有效值约为25g
8、al。纵向振动峰值在60gal左右,有效值约为7gal;5.列车开过时,轨道处振动频段较宽,竖向振动主要能量分布在150-300Hz,峰值出现在230Hz附近。在50Hz附近,功率谱亦有一个峰值。其他频段也有一定的能量分布;6.隧道壁上的竖向振动,能量主要分布在20-70Hz,峰值出现在45Hz附近。隧道壁上的横向振动,能量主要分布在20-100Hz,峰值亦出现在45Hz附近。纵向振动能量较小,分布频段较宽,峰值出现在430Hz附近。,建筑内,舒适度与阻尼,风荷载对建筑结构振动的影响1).对航空管制塔中35 名男管制员的调查显示,最大加速度达到 2cm/s 2时,人员开始有感觉,超过3cm/s
9、 2时有明显的振动感觉,超过5cm/s 2时有较强的振动感觉。2).一栋高度115m的办公楼遭受台风时,调查到的其中37 名(男28 人,女9 人)居住者的反应是:(1)所有人感觉到摇晃,对摇晃的反应,女性比男性敏感。(2)最大加速度1cm/s 2时开始有感觉,超过2cm/s 2时有较强的振动感觉。(3)调查期间的最大加速度约为10cm/s 2,对这一程度的振动,不管男女,20 3 0%的人感到不安,50%的男性感到不快。,舒适度与阻尼,风荷载对建筑结构振动的影响3).5 栋高层建筑中的1431 人经历台风的感觉是(根据分析估计此次建筑最大加速度是3040cm/s 2):上层的人有头痛、晕船、
10、不安的感觉。对本次台风导致的建筑振动,大约半数的人认为如果1年仅发生1 次还可以忍受,约1/3的人说再也不想遇到这种情况。,人的活动对建筑结构振动的主动影响 在这些日常活动中,有些行为由于存在冲击性而会引起结构的振动,如行走、跳跃等行为;而有些行为由于人体特殊的肌肉、内脏等弹性特点而会对结构施加阻尼作用,从而缓解己经存在的振动。这两种行为在建筑结构中同时存在,从而使得人致结构振动问题变得非常复杂。在办公室、候车大厅、人行天桥等一类仅限人类活动的结构中,由于目前结构的可实现跨度越来越大,材料越来越轻,结构基频越来越低,使得人行产生的振动往往引起结构中人的不舒适。人的主动行为会引起建筑物的振动,这
11、主要是由于人在行走过程中的提足和落足行为会对结构产生冲击作用。,对竖向振动舒适度评价,国内外相关标准逐渐倾向于以峰值加速度为控制指标,如美国的Floor Vibrations Due to Human Activities(A ISC-11)和Minimizing Floor Vibration(ATC Design Guide 1)等。对楼面结构竖向振动舒适度要求进行评价,根据ATC要求,行走时舒适度竖向加速度推荐限值见表1,节律运动时竖向加速度推荐限值见表2。,表1 ATC推荐的行走引起的振动加速度限值,表2 ATC推荐的节律运动引起的振动加速度限值,奥林匹克国家会议中心大宴会厅L4桁架跨
12、度大,人正常行走、跳跃时容易产生共振。尽管结构的强度满足要求,不会发生强度引起的破坏,但是因为结构共振引起的加速度的振幅过大,超过人体舒适度耐受极限,极易在人的心理上造成恐慌。经动力特性分析,确定采用TMD粘滞流体阻尼器(如左图)的减振方案,减振效果非常明显,满足了舒适度要求。,解决舒适度的方法阻尼减振,TMD示意图,阻尼减振,结构减振控制技术的分类结构消能减振技术结构被动调频减振技术结构主动调频减振技术,消能减振装置(阻尼装置)的分类,按建筑消能阻尼器分类,粘滞阻尼器30年,舒适度、减震金属屈服型阻尼器50年,减震屈曲约束耗能支撑50年,减震粘弹性阻尼器50年,舒适度、减震,环境温度对性能影
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