结构隔震与消能减震设计的基础知识.ppt

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1、第八章:隔震减震与结构控制初步,第八章:隔震减震与结构控制初步,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展8.2 隔震的原理与方法8.3 减震的原理与方法8.4 结构主动控制初步,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展,产生,传递,引起,震源,地震波,建筑物所在场地,结构的地震反应,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展,地震位移反应,地震剪力,小,大,小,大,地震内力,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展,地震动作用下结构位移过大,实践上的困难,延性结构体系,刚性结构体系,反应接近地面地震运动,一般不发生结构强度破坏,导致材料的浪费,柔性结构体系,减少结构物的刚性,避免结构与地面运 动发生类共振,减轻

2、地震力,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展,“延性结构体系”基本要求,实现延性结构体系设计是工程师所追求的抗震基本目标,适当控制结构物的刚度与强度,结构构件进入非弹性状态后仍具有较大的延性,通过塑性变形消耗地震能量,“坏而不倒”,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展,当地基本烈度地震,建筑物,可能进入非弹性破坏状态,装修与内部 设备破坏,延性结构体系的结构,被动抵御地震作用,作用,导致,巨大经济损失,某些生命线工程损失更是难以估量延性结构体系的应用也有了一定的局限性,隔震、减震、制振技术,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展,隔震：,地震动,结构,隔离装置,隔开,减小结构振动,主要方法,基底

3、隔震,悬挂隔震,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展,香港汇丰银行（悬挂隔震）,南加州大学医院（隔震结构）,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展,减震：,地震,结构,减轻结构振动,耗能装置或附加子结构,耗能,主要方法,耗能减震,冲击减震,吸振减震,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展,主动控制（狭义的制震技术）,自动控制系统,施加控制力,地震,结构,减小结构振动,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展,研究、探索并部分应用于工程实践的时期。,隔震技术,实用阶段,减震,制振技术,8.2隔震原理与方法,8.2.1 隔震原理,隔震,基底隔震,悬挂隔震,结构物地面以上部分,隔震层隔开限制地震动向结构物的

4、传递,固结于地基中的基础,8.2隔震原理与方法,8.2.1 隔震原理,8.2隔震原理与方法,基底隔震结构设计应注意:,(1).在满足必要的竖向承载力的前提下，隔震装置的水平刚度应尽可 能小，以使结构周期尽可能远离地震动的卓越周期范围,(2).保证隔震结构在强风作用下不致有太大的位移。通常要求在隔震结构系统底部安装风稳定装置或用阻尼器与隔 震装置联合构成基底隔震系统。,8.2.1 隔震原理,8.2隔震原理与方法,8.2.2 隔震分析模型,隔震建筑系统动力分析模型,单质点模型,多质点模型,空间分析模型,8.2隔震原理与方法,8.2.2 隔震分析模型-单质点模型,动力平衡方程:,结构的总质量；隔震层

5、的阻尼系数和水平刚度；上部简化刚体相对于地面的加速度、速度与位移；地面加速度过程。,上部结构侧移刚度远大于 隔震层的水平刚度,上部结构近似为 一个刚体,单质点模型,8.2隔震原理与方法,8.2.2 隔震分析模型多质点模型,隔震层,简化,等效粘滞阻尼比计算式为：,水平刚度为k,阻尼系数为c,结构层,隔震支座数量,第i 个隔震支座的水平动刚度,第 i个隔震支座的 等效粘滞阻尼比。,水平动刚度计算式为:,8.2隔震原理与方法,8.2.2 隔震分析模型,隔震装置,隔震层以上结构的水平地震作用,有效降级,采用水平向减震系数的概念反映这一特点,层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系,水平向减震系数不宜

6、低于0.25，且隔震结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用,8.2隔震原理与方法,8.2.3 常用隔震装置-橡胶支座隔震,8.2隔震原理与方法,1.橡胶支座隔震实例,南加州大学医院（隔震结构）,橄榄景医院（抗震结构）,1994年1月17日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级M=6.7，直下型地震,基础加速度0.49g顶层加速度0.21g 加速度折减系数为1.8,底层加速度 0.82g，顶层加速度2.31g,加速度放大系数为2.8,橡胶支座隔震系统的更优越,8.2隔震原理与方法,橡胶支座隔震实例,8.2隔震原理与方法,橡胶支座隔震,橡胶支座,钢板叠层橡胶支座,铝芯橡胶

7、支座,石墨橡胶支座,在天然橡胶中加入石墨大幅度提高橡胶支座的阻尼实际中应用还不多,8.2隔震原理与方法,橡胶支座隔震,钢板：限制橡胶片的横向变形使座竖向刚度较纯橡胶支座大大增加,橡胶片：总厚度越小所能承受的竖向荷载越大,钢板叠层橡胶支座,支座内阻尼较小，常需配合阻尼器一起使用,8.2隔震原理与方法,橡胶支座隔震,叠层橡胶支座中间钻孔灌入铝芯提高支座大变形时的吸能能力,集隔震器与阻尼器于一身，因而可以独立使用,8.2隔震原理与方法,橡胶支座隔震：,水平刚度是竖向刚度的1%左右具有显著的非线性变形特征,小变形，刚度大，抗风有利,大变形，橡胶剪切刚度下降，结构频率降低，结构反应减少,橡胶剪应变超过5

8、0%以后，刚度又逐渐有所回升，起到安全阀的作用，有利于防止建筑的过量位移,8.2隔震原理与方法,橡胶支座隔震：,设计的关键-合理确定隔震支座承受的应力,我国建筑抗震设计规范规定：隔震层各橡胶隔震支座，考虑永久荷载和可变荷载组合的竖向平均压应力设计值不应超下表的规定。,橡胶隔震支座平均压应力限值 注：1.对需验算倾覆的结构，平均压应力设计值应包括水平地震作用效应；2.对需进行竖向地震作用计算的结构，平均压应力设计值应包括竖向 地震作用效应；,在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力,8.2隔震原理与方法,橡胶支座隔震：,隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位移，应符合下列要求：,罕遇地震作用下，第 i

9、个隔震支座考虑扭转的水平位移,第 i个隔震支座的水平位移限值；对橡胶隔震支座，不应超过该支座有效直径的0.55倍和支座各橡胶层总厚度3.0倍二者的较小值,罕遇地震下隔震层质心处或不考虑扭转的水平位移,第 i个隔震支座的扭转影响系数，应取考虑扭转和不考虑扭转时 支座计算位移的比值；当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心在两个主轴方向均无偏心时，边支座的扭转影响系数不应小于1.15,8.2隔震原理与方法,2.常用隔震装置-其它隔震装置：,滚珠隔震装置,已用于墨西哥城内一座五层钢筋混凝土框架结构的学校建筑中，安放在房屋底层柱脚和地下室柱顶之间。为保证不在风载下产生过大的水平位移，在地下室采用了交叉钢

10、拉杆风稳定装置,8.2隔震原理与方法,其它隔震装置：摇摆式隔震支座,是一种摇摆隔震支座。在杯形基础内设一个上下两端有竖孔的双圆筒摇摆体。竖孔内穿预应力钢丝束并锚固在基础和上部盖板上，起到压紧摇摆体和提供复位力的作用。在摇摆体和基础壁之间填以沥青或散粒物，可为振动时提供阻尼。经试验证实：当地面加速度幅值达330cm/s2时，被隔震房屋的加速度反应被降低到无隔震反应的1/3左右。我国山西省的悬空寺，历史上经历多次大地震而仍完整无损。分析认为是其特有的支撑木柱起到了摇摆支座隔震的作用山西悬空寺,8.2隔震原理与方法,其它隔震装置：不倒翁式隔震,伊朗人设计的不倒翁式隔震房屋。该房屋顶面半径显著大于底面

11、半径，能起提供复位力的作用。,8.3减震原理与方法,8.3.1 耗能减震原理,地震,结构,减轻结构振动,耗能构件,耗能,地震时，结构在任意时刻的能量方程为：,地震过程中输入给结构的能量,附加耗能构件的耗能,结构主体自身的耗能,能量观点：一定 结构地震反应的降低,动力学观点：耗能装置的作用，相当于结构的阻尼，必使结构地震反应,8.3减震原理与方法,8.3.1 耗能减震原理,风和小震,耗能装置,较大的刚度,结构,减轻结构振动,耗能,应具有,结构的使用性能,保证,强烈地震作用,耗能装置,结构,减轻结构振动,耗能,非弹性状态,应率先 进入,大量消耗地震能量,有试验表明，耗能装置可做到消耗地震总输入能量

12、的90%以上。,8.3减震原理与方法,8.3.1 耗能减震原理：,耗能元件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算：,耗能减震结构的地震反应分析,非线性时程反应分析方法(本书第三章所述),可以利用,通常需要耗能元件的试验数据，以确立结构动力方程中的阻尼矩阵,耗能减震结构的附加有效阻尼比,所有耗能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量,设置耗能部件的结构在预期位移下的总应变能,8.3减震原理与方法,8.3.2 耗能减震装置,阻尼器,耗能交叉支撑,耗能墙,8.3减震原理与方法,阻尼器,与速度相关的粘弹型阻尼器,以摩擦或金属屈服为特征的位移相关型阻尼器,阻尼器,支撑处,框架与剪力墙的连接处,梁柱连接处,

13、上部结构与基础连接处,有相对变形或相对 位移的地方,安装于,8.3.2 耗能减震装置-阻尼器,8.3减震原理与方法,粘弹型阻尼器,最大长度915mm，最小长度595mm，冲程320mm,8.3.2 耗能减震装置,8.3减震原理与方法,摩擦阻尼器,330,12.5,25,12.5,100,8.3.2 耗能减震装置-阻尼器,8.3减震原理与方法,各种形状的软钢阻尼器（弹塑性阻尼器）,8.3.2 耗能减震装置-阻尼器,8.3减震原理与方法,8.3.2 耗能减震装置-耗能支撑,耗能交叉支撑 摩擦耗能支撑 耗能偏心支撑 耗能耦撑 屈服约束支撑,8.3减震原理与方法,塑性耗能支撑,耗能交叉支撑,支撑交叉处

14、通过钢框或钢环的塑性变形消耗地震能量,8.3减震原理与方法,摩擦耗能支撑,在支撑杆或节点板上开长圆孔,8.3减震原理与方法,耗能偏心支撑,偏心支撑框架,8.3减震原理与方法,耗能隅撑,耦撑框架,8.3减震原理与方法,屈曲约束支撑,屈曲约束支撑的基本部件,屈曲约束支撑的轴力位移关系,8.3减震原理与方法,屈曲约束支撑,屈曲约束支撑的一些典型截面形状,8.3减震原理与方法,周边耗能墙摩擦耗能墙,8.3.2 耗能减震装置-耗能墙,8.3减震原理与方法,8.3.3 吸振减震原理,地震,结构,减轻结构振动,附加子,能量转移,8.3减震原理与方法,运动平衡方程：,-刚度,-阻尼系数,-主体结构质量,-附加

15、子结构质量、阻尼系数、刚度,8.3.3 吸振减震原理：,8.3减震原理与方法,考虑简谐地面运动输入考虑无阻尼体系的反应特征,主结构振幅为零,系统振动能量集中于子结构而主体结构得到了保护,数学推导,地震动含有多种频率分量结构系统也必然是有阻尼系统,子结构的频率等于地面运动输入频率,实际情况,子结构频率接近或等于主结构频率时,主结构的地震反应总是可以得到一定程度的降低,8.3.3 吸振减震原理,8.3减震原理与方法,按照随机振动原理的分析结果,R是主结构的振动控制频率参数当R1时，表示具有减震效果,大量理论分析结果表明：,主结构的阻尼比越小，吸振装置的减震作用越大,质量比增加，减震作用增大,8.3

16、.3 吸振减震原理：,8.3减震原理与方法,8.3.4 吸减震装置,调频质量阻尼器（TMD）,通过弹簧连接于主体结构，可安装在高耸结构或高层建筑的顶部,调频质量阻尼器是包括质量系和弹簧、阻尼系的小型振动系统,8.3减震原理与方法,调谐液体阻尼器（TLD）,将装水的容器置于结构物上，结构振动时，水的振荡也能形成一个调频质量阻尼器,设计TLD时，应尽量使水的振荡周期接近结构的固有周期。水的振荡频率公式为：,水面波的波长,水深,重力加速度,8.3.4 吸减震装置,8.4结构主动控制,外部能源,施加控制力,地震,结构,减小结构振动,结构的动力特性,改变,借鉴现代控制思想,8.4.1 基本概念,8.4结

17、构主动控制,主动控制体系组成,传感器,处理器（一般为计算器）,作动器(一般为加力装置),测量,结构所受外部激励 及结构相应,传送,计算,所需的控制力,传送,有外部能源提供所需的 控制力,8.4结构主动控制,控制体系分类,开环控制,闭环控制,开闭环控制,震源,控制器,结构,反应,震源,结构,反应,控制器,震源,控制器,结构,反应,控制器,近年来研制的主动控制装置一般采用闭环控制原理进行设计,8.4结构主动控制,8.4.2 控制原理,结构运动方程：,作动器对结构施加主动控制力带入上式,对结构实施主动控制 相当于改变了结构动力特性结构刚度与阻尼增大、地震作用减小,8.4结构主动控制,为开环控制,为闭环控制,和 皆不为零,为开闭环控制,主动可调刚度控制,主动可调阻尼控制,主动可调质量控制,8.4结构主动控制装置,8.4.3 结构主动控制装置,主动调频质量阻尼器：（ATMD）,主动拉索,TMD基础上增加主动控制力而构成应用集中于高层建筑与高耸结构,