被动减震结构设计简述祥解PPT课件

1、第一节 基本概述 根据减震构件的种类分类粘滞阻尼器2摩擦阻尼器4油阻尼器 3 1粘弹性阻尼器3 3第1页/共57页减震构件结构形式直接型：直接将变形传给减震构件。间接型：将层间变形通过梁或短柱传给减震构件。其他形式：利用总体变形或设置放大装置将层间变形放大的装置。第2页/共57页第二节 减震原理 从能量角度分析 单质点体系减震结构力学原理和性能 各阻尼器的特性第3页/共57页从能量角度分析耗能减震结构原理传统抗震结构 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh耗能减震结构 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed Ein地震过程中输入结构体系的能量；Ev 结构体系的动能；Ec结构体系的粘滞阻尼耗能；Ek结构体

2、系的弹性应变能；Eh结构体系的滞回耗能；Ed耗能（阻尼）装置或耗能元件耗散或吸收的能量。第4页/共57页从能量角度分析耗能减震结构原理a）地震输人 b）传统抗震结构 c）消能减震结构第5页/共57页从能量角度分析耗能减震结构原理传统结构抗震分析 Ev、Ek不耗能，只做能量的转换 Ec占比很小 主要靠Eh（结构体系滞回耗能），弹塑性变形耗能，构件会损失甚至破坏。耗能减震结构 耗能阻尼装置在结构主体进入弹塑性变形前发挥作用，进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结构体系的地震能量，则结构本身需消耗的能量很少，这意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。第

3、6页/共57页单质点体系减震结构力学原理和性能 减震结构是依靠与主结构连接的阻尼器的附加刚度和粘滞特性，对建筑物在地震作用下产生的位移、速度、加速度反应进行控制。附加刚度系统周期缩短粘滞特性吸收能量，导致增加阻尼第7页/共57页等效周期与等效阻尼比降低地震反应的原理 Sd、Spv、Spa的分别表示位移反应谱、拟速度反应谱、拟加速度反应谱 自振周期Tf有阻尼器是等效周期Teq 初始阻尼比h0等效阻尼比heq第8页/共57页等效周期与等效阻尼比降低地震反应的原理 效应1（附加刚度）： 周期上升，位移减小加速度上升 效应2（增加阻尼）： 阻尼增加，位移、速度、加速度均减小第9页/共57页减震结构的滞

4、回特性及其效应 在减震结构的地震反应简易预测及设计中，必须考虑减震构件的滞回特性及其与其他构件的平衡关系、地震动的输入特性、减震构件与主结构的制约条件，对减震构件附加给主结构的刚度与粘滞特性所产生的效应做出适当的评估。第10页/共57页减震结构的滞回特性及其效应图 用单质点体系模型表述减震机理图a表示直接型的支撑型，图b表示间接型的中间柱型，图c表示阻尼器和支撑串联，然后和主体框架并联。第11页/共57页减震结构的滞回特性及其效应图 使用各种阻尼器的减震结构中的能量吸收部分、附加体系、系统的稳态反应第12页/共57页减震结构的滞回特性及其效应 储存刚度=最大变形时的力/最大位移 损失刚度=零变

5、形时的力/最大位移 油阻尼器和粘滞阻尼器的能量吸收部分的储存刚度为零粘弹性阻尼器和软钢阻尼器的能量吸收部分的两种刚度均存在第13页/共57页减震设计方法的基本原理 给建筑物附加刚度和阻尼，其附加的程度可用储存刚度和损失刚度来表示 若能评估阻尼器的储存刚度和损失刚度，就可以评估系统的储存刚度和损失刚度，进而求得等效自振周期和阻尼比。第14页/共57页第三节，耗能减震装置 粘滞阻尼器主要有筒式粘滞阻尼器、粘滞阻尼墙系统等。 筒式粘滞阻尼器一般由缸体、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他粘性流体的缸内作往复运动。当活塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞的小孔内通过，对两者的相对

6、运动产生阻尼，从而耗散能量。粘滞阻尼器粘滞阻尼器第15页/共57页摩擦阻尼器 摩擦耗能器是根据摩擦做功而耗散能量的原理设计的。 金属阻尼器工作特点：结构处在正常使用状态时，消能支撑充当结构构件，为结构提供初始刚度；结构在大震或强风作下，消能支撑率先进入屈服耗能阶段，抗疲劳性能好，滞回环饱满，增强了耗能能力，从而提高了结构的抗震性能。第16页/共57页粘弹性阻尼器 粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板所组成。 粘弹性阻尼器的典型滞回曲线呈椭圆形，具有很好的耗能性能，它能同时提供刚度和阻尼。 粘弹性阻尼器的性能受温度、频率和应变幅值的影响。其耗能能力随着温度的增加而降低；随着频率的增加而增加，但在

7、高频下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至某一平衡值。第17页/共57页粘弹性阻尼器第18页/共57页粘弹性阻尼器第19页/共57页粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器(3M) 美国世贸双塔楼1969World Trade Center Tower消能装置：3M 粘弹性阻尼器共100002个从10层到110层，每层100个，每塔楼10000个，两栋塔楼阻尼比由原来不到1%增加到3.0%建设日期：1966-1973年（1969年开始装设阻尼器）第20页/共57页粘弹性阻尼器减震性能曲线的绘制方法减震性能曲线的绘制步骤如下：第21页/共57页粘弹性阻尼器第22页/共57页利用单质点体系进行初步设计第23页

8、/共57页粘弹性阻尼器多质点减震结构的设计方法 设计步骤第24页/共57页粘弹性阻尼器多质点减震结构的设计方法第25页/共57页粘弹性阻尼器多质点减震结构的设计方法设计流程：第26页/共57页粘弹性阻尼器的设置形式第27页/共57页粘弹性阻尼器试件形状： 第28页/共57页粘弹性阻尼器的工程实例 使用粘弹性阻尼器的钢结构24层办公楼 本实例是将大地震下能量吸收能力优良的软钢阻尼器设置在低层，将强风时或大地震时均可获得附加阻尼效应的粘弹性阻尼器设置在高层，构成对地震和风振均有效的减震体系。第29页/共57页粘弹性阻尼器的工程实例本建筑物是地下1层、地上24层、塔楼3层的综合建筑物，最大高度为13

9、2.6m，主要用途为商店、县立学校、办公楼等。 标准层的平面形状为68.6m的柱网所构成的24.6m42m的矩形，另有17层的低层部分。23层中设置天象仪、由18m柱距的大空间构成。 基础为桩基础，使用钢管混凝土桩。上部结构为钢结构（柱为钢管混凝土CFT），120层为附加阻尼器的框架结构，21层以上为支撑结构。 第30页/共57页粘弹性阻尼器的工程实例结构规划时，在以框架结构为主的主结构上设置软钢滞回阻尼器和粘弹性阻尼器的两种阻尼器，对地震和风振两种外部扰动实施有效的减震第31页/共57页粘弹性阻尼器的工程实例 由于滞回阻尼器对大地震时的能量吸 收特别有效，因此在楼层面积大的低层部分设置，目的

10、是希望滞回阻尼器在吸收所在层地震能量的同时可减少对高层的输入。由于粘弹性阻尼器在小振幅情况下也具有附加阻尼的特性，故在强风可能作用的高层部分的短边方向设置，粘弹性阻尼器在改善强风时居住性能的同时也可在地震时产生附加阻尼作用。第32页/共57页粘弹性阻尼器的工程实例第33页/共57页第四节，盲分析简介 2009年，日本E-Ddfense研究中心用世界上最大的振动台进行了5层楼足尺寸带减震斜撑的钢框架振动台试验，并举行了盲分析大赛。试验用同一个钢框架结构，分别加装不同的阻尼器进行测试，包含了金属阻尼器、油阻尼器、粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器，最后再测试了不加阻尼器的钢框架7。在试验进行前，主办单位举办

11、了一个结构反应预测的国际竞赛，参与此竞赛的学者专家针对五层钢框架分别加装金属阻尼器和粘性阻尼器的地震反应进行了预测。需要提交的预测结果包括每一层相对于基础的位移绝对值的最大值、每一层的绝对加速的的最大值、每一层的层间剪力和层间位移的最大值、第1层柱以及第2层梁跨中的最大应变、第1层和第4层阻尼器轴向力的最大值和最小值、第34页/共57页盲分析简介 第1层和第4层阻尼器轴向位移的最大值和最小值。各参赛队提供的以上各项指标与实验结果之间误差的均方根作为评定名次的指标。 盲分析比赛分两步进行。第一步是前分析，参赛队输入的地震波是振动台预计输入到结构上的地地震波，而确切的振动台运动要需在实验过程中通过

12、加速度传感器测量后后才知道，所以盲分析比赛的第二步后分析也是必要的，在后分析中，参赛队使用振动台真实的运动情况评估结构的地震响应。比赛的评估参数主要集中在15% Takatori记录和100% Takatori记录作用下的地震响应。第35页/共57页盲分析简介 模型 盲分析比赛采用了一个5层的钢框架模型，没有加阻尼器的钢框架模型见图2-1。此模型长度方向定义为Y向，宽度方向定义为X向，长度方向为双跨共12米，宽度方向为双跨共10米。此五层楼钢结构的一楼层高为3.85m，二到四层层高为3m，五楼层高为2.985m。二到五层混凝土楼板厚度均为165mm，顶楼的为150mm。模型的重量由钢梁、钢柱、

13、钢承板、混凝土楼板、内外墙、楼梯、测量仪器等组成。从二楼到顶楼，分配到每层楼的重量为867、842、835、790、1451kN。钢材部分，梁的材质为SN490B，冷弯箱型柱材质为BCR295，构件的主梁、柱尺寸详见表2-1、表2-2，梁截面为宽翼断面，柱截面为中空方管。阻尼器在一楼到四楼X2、Y1和Y3轴线上布置，如图2-2所示，共12个阻尼器。第36页/共57页盲分析模型 第37页/共57页盲分析模型在一楼到四楼X2、Y1和Y3轴线上布置，如图2-2所示，共12个阻尼器。第38页/共57页第五节，ETABSETABS模型的建立和分析ETABS 是有美国CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与

14、设计软件。ETABS已有近30年的历史，是美国乃至全球公认的高层结构计算程序，在世界范围内广泛应用，是房屋建筑结构分析与设计软件的业界标准。是一个完善且易于使用的建筑结构专用分析与设计程序，具有直观、强大的图形界面和建模、分析、设计、详图功能。功能：建模功能 分析功能：反应谱分析 线性时程分析 非线性时程分析 静力非线性分析（push-over方法）第39页/共57页ETABSETABS建模 ETABS建模主要步骤 （1）新建轴网 （2）定义材料、框架截面、板截面 （3）绘制结构构件 （4）指定约束 （5）定义荷载模式、质量源、时程函数、反应谱函数 （6）定义荷载工况 （7）运行分析、查看分析

15、结果 第40页/共57页ETABSETABS建模Model File: 粘弹性阻尼 2015/5/12第41页/共57页ETABSETABS建模1 模型简化 本次设计采用有限元分析软件Etabs建模，模型中各个构件的截面尺寸、材料属性以及物理性能是从盲分析资料中提取的。其中做了几点简化或变化：1 各种钢材均采用了其平均弹性模量；2 次梁与主梁的连接采用刚接，主梁沿全长采用等截面；3楼面及楼层附重在其对应空间内采用均布荷载的形式；4一、二层外墙采用均布线载施加在对应主梁上；5楼梯采用质量等效的方式换算成厚度均匀的钢板，没考虑其横向刚度对楼层刚度的影响； 6 通过调整附重使得模型楼层重量与资料中提

16、供的楼层质量基本一致2 承重结构截面尺寸及材料详见盲分析资料第42页/共57页ETABSETABS建模3 减震前结构楼层数据没设置阻尼器的结构模型形式如下：设置阻尼器的结构概图如下：第43页/共57页ETABSETABS建模数据对比StoryStiffness XStiffness YkN/mkN/mStory553066.03654661.104Story460916.76756747.471Story370279.21764474.798Story274799.25969559.841Story185164.62577350.461表六 楼层刚度StoryStiffness XStiffn

17、ess YkN/mkN/mStory568915.07364341.547Story486390.50176354.647Story3103539.80491813.894Story2110577.86898473.7Story1110178.12893691.58表十四 减震结构楼层刚度楼层刚度减震结构的楼层刚度表七 模态周期、频率StoryAcceleration XAcceleration YAcceleration ZStory518407170361548Story415974122334134Story313868106754079Story211760116693766Story

18、18221776443282mm Sce2mm Sce2mm SceStoryAcceleration XAcceleration YAcceleration ZStory566746854327Story4545854611525Story3486648571513Story2419642311647Story13581355619002mm Sec2mm Sec2mm Sec楼层加速度减震结构楼层加速度第44页/共57页ETABSETABS建模CaseModePeriodFrequencyCircular FrequencyEigenvalueseccyc/secrad/secrad/se

19、cModal10.8791.1387.150951.1354Modal20.8531.1727.363454.2191Modal30.6321.5839.947298.9464Modal40.2763.62922.8037520.0103Modal50.2713.68723.1652536.6259Modal60.2074.83330.3696922.3108Modal70.147.1444.86122012.5241Modal80.1367.33446.07972123.3344Modal90.1069.40359.0813490.5677Modal100.08911.2570.683499

20、6.0807Modal110.08611.69373.47155398.0685Modal120.06814.78992.91998634.1104模态周期、频率Case Mode PeriodFrequencyCircular FrequencyEigenvalueseccyc/secrad/secrad/secModal10.7641.3098.225267.6534Modal20.721.3898.729176.1964Modal30.5651.7711.1199123.6516Modal40.2533.95524.8491617.4757Modal50.2384.19826.37576

21、95.6763Modal60.1935.18732.59171062.2206Modal70.137.66948.18322321.6247Modal80.1238.14751.19172620.5859Modal90.19.97862.69053930.0989Modal100.08411.9575.08595637.8984Modal110.07812.76680.21296434.1079Modal120.06415.5797.82959570.6083减震结构模态周期、频率第45页/共57页ETABSETABS建模StoryShearshearKNKNStory5890912Story

22、412661298Story316051601Story218561848Story120111990XYStory51/2311/190Story41/1811/160Story31/1771/156Story21/1631/147Story11/1951/121减震结构楼层剪力 减震结构在BCJ-L2作用下X、Y向最大楼层转角StoryShearShearKNKNStory520291975Story426742629Story333242986Story239793272Story144023589楼层剪力XYStory51/651/73Story41/511/54Story31/461

23、/52Story21/421/54Story11/571/76 BCJ-L2作用下X、Y向最大楼层转角第46页/共57页ETABSETABS建模减震前后X方向的楼层转角减震前后Y方向的楼层转角第47页/共57页减震前后X向楼层剪力 减震前后Y向楼层剪力 减震前后X向楼层加速度 减震前后Y向楼层加速度第48页/共57页ETABSETABS建模对比分析结果： 安装粘弹性阻尼器的结构，其楼层转角基本大于1/150，X方向楼层剪力降低幅度在51.7%-56.1%之间，Y方向楼层剪力降低幅度在43.6%-53.8%之间，X方向楼层加速度降低幅度在56.4%-65.8%之间，Y方向楼层加速度降低幅度在54

24、.2%-63.7%之间。不难发现，粘弹性阻尼器的减震效果是明显的。 第49页/共57页Excel表格设计分析1 等效单质点体系储存刚度计算 Excel表格计算部分采用课程被动减震结构设计.施工手册提供的Excel计算软件进行辅助计算。Excel计算部分的实质是求出结构所需的存储刚度，用以粘弹性阻尼器的设计。 Excel表格计算使用BCJ-L2人工合成波的反应谱。性能目标层间位移角：选用1/150。 根据Excel提供的位移反应谱，采用差值法求解基本周期对应的位移反应谱值。 Excel表格采用了迭代法进行求解阻尼器损失系数 的迭代采用如下公式： 减震结构的等效自振频率()sin(2()()cos

25、(/2)eqdeqeqeqa baba b 2/ )1+eq第50页/共57页Excel表格设计分析阻尼器损失系数(第1阶段按T=Tf确定)阻尼器损失刚度比阻尼器储存刚度比连接构件刚度与阻尼器储存刚度比附加体系的储存刚度比附加体系损失系数0.9650.4530.46921.30.46570.88500.9850.4530.46021.80.45720.90300.9840.4530.46021.80.45740.90260.9840.4530.46021.80.45740.9026d/dfkk/dfkk/bdkk/afkka 阻尼器损失系数d的迭代计算 对于丙烯类阻尼器的 )eq 取决于减震结

26、构的等效eqT和温度，但和周期的相关度小。根据这个性质，在第一次迭代求 时，我们用 近似替代 。求出 和 后，我们利用Excel表格中的数据用插值的方法求出此时的 )eq fTeqT)eq dR/dfkk如表：第51页/共57页Excel表格设计分析2 多质点体系储存刚度分配由等效单质点体系求得的储存刚度比 ，我们可以进行多质点体系储存刚度的分配，分配结果如下表：/dfk k层阻尼器个数黏弹性体层数黏弹性体厚度(cm)黏弹性体长度(cm)黏弹性体宽度(cm)黏弹性体剪切面积(cm2)阻尼器储存刚度(kN/cm)5161.0012016.3711786.54256.354181.0012021.9621084.31458.5731101.0012022.4126886.73584.7721101.001