建筑结构基础隔震设计和隔音设计

1、2 4建筑结构基础隔震设计和消能减震设计4.1 建筑结构基础隔震设计4.2 建筑结构消能减震设计学习目的：l 了解结构消能减震的概念、方法、手段、优越性 和应用范围；l 了解结构消能减震的设计参数确定和计算要点；l 了解粘弹性阻尼器和粘滞性阻尼器的减振机理；l 了解消能减震结构的设计要点和设计步骤。 建筑结构消能减震设计4.2一、结构消能减震概述 传统抗震设计方法以概率理论为基础，提出三水准的设防要 求，并通过两个阶段设计来实现 。 传统抗震结构体系实际上是依靠结构及承重构件的损坏消耗 大部分输入能量，往往导致结构构件严重破坏甚至倒塌，这 在一定程度上是不合理也是不安全的。 为了克服传统抗震设

2、计方法的缺陷，结构振动控制技术（简 称“结构控制”）逐渐发展起来，并被认为是减轻结构地震 和风振反应的有效手段。 结构消能减震技术就是一种结构控制技术，建筑抗震设计 规范（GB500112001）首次以国家标准的形式对房屋消 能减震设计这种抗震设防新技术的设计要点做出了规定 。建筑结构消能减震设计4.2（一）结构振动控制的概念 结构控制的减振机理:)()()()()(txttttg MIFKxxCxM式中，M，C，K 分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵； F(t) 为外部作用（包括控制机构或装置施加的控制力、 风或可 能施加的其它外力）列向量； 分别为结构在外部作用（或荷载）下的加速度、 速度和

3、位移反应列向量； 是地面的地震加速度反应; I 为单位列向量。)(tx )(tx )(tx gx 结构控制就是通过调整结构的自振频率或自振周期T（通过改变K，M）或增大阻尼C，或施加控制力F(t)，以大大减少结构在地震（或风）作用下的反应。 4.2建筑结构消能减震设计4.2(二)结构消能减震设计的概念 指在房屋结构中设置消能装置，通过其局部变形提供附加阻尼，以消耗输入上部结构的地震能量，达到预期设防要求。 地震时结构的能量转换过程： l 传统抗震结构 l 消能减震结构 式中，Ein地震时输入结构的地震能量； ER结构物地震地震反应的能量，即结构物振动的动能和 势能（弹性变形能）； ED结构阻尼

4、消耗的能量（一般不超过5%）； ES主体结构及承重构件非弹性变形（或损坏）消耗的能量； EA消能构件或消能装置消耗的能量。 SDRinEEEEASDRinEEEEE建筑结构消能减震设计4.2（三）结构消能减震体系的分类（1）消能支撑：可以代替一般的结构支撑，在抗震和抗风中发挥支撑的水平刚度和消能减震作用，如下图。 图 消能支撑建筑结构消能减震设计4.2（2）消能剪力墙：可以代替一般结构的剪力墙，在抗震和抗风中发挥支撑的水平刚度和消能减震作用。 图 消能剪力墙建筑结构消能减震设计4.2（3）消能节点：梁柱节点或梁节点处安装消能装置。 （4）消能连接：结构缝隙处或构件之间的连接处设置。（5）消能支

5、承或悬吊构件建筑结构消能减震设计4.2(四)消能器的分类1.消能器的功能：当结构构件（或节点）发生相对位移（或转动）时，产生较大阻尼，从而发挥消能减震作用。2.消能能力：消能器阻尼力（或消能器承受的弯矩）位移（转角）关系滞回关系曲线所包络的面积度量。 图 典型的消能器力（弯矩）位移（转角）滞回关系曲线建筑结构消能减震设计4.23.消能器类型(1)速度相关型 l粘弹性阻尼器l粘滞流体阻尼器l粘滞阻尼墙l粘弹性阻尼墙(2)位移相关型 l金属屈服型阻尼器l摩擦阻尼器 (3)其它类型 l调频质量阻尼器l调频液体阻尼器 粘弹性阻尼器粘滞流体阻尼器屈曲约束耗能支撑调频质量阻尼器建筑结构消能减震设计4.2（

6、五）结构消能减震建筑的特点 1. 消能减震装置可同时减少结构的水平和竖向地震作用，适用范围较广，结构类型和高度均不受限制；2. 消能减震装置应使结构具有足够的附加阻尼，以满足罕遇地震下预期的结构位移要求；3. 由于消能减震结构不改变结构的基本型式（但是可减小梁、柱断面尺寸和配筋，减少剪力墙的设置），除消能部件和相关部件外，结构设计仍可按照抗震规范对相应结构类型的要求进行。 建筑结构消能减震设计4.2(六)结构消能减震技术的优越性 1. 安全性 消能器在强震中能率先消耗地震能量，迅速衰减结构的地震反应并保护主体结构和构件免遭破坏。 2. 经济性 消能减震结构是通过“柔性消能”的途径减少结构的地震

7、反应，因而可以减少剪力墙的设置，减少结构断面和配筋，并提高结构的抗震性能。 3. 技术合理性 结构越高、越柔，消能减振效果越显著。 建筑结构消能减震设计4.2（七）结构消能减震技术的应用 消能减震技术适用于结构的地震和风振控制，结构的层数越多、高度越高、跨度越大、变形越大、场地的烈度越高，消能减震效果越明显。 广泛应用于：l高层建筑，超高层建筑；l高柔结构，高耸塔架；l大跨度桥梁；l柔性管道、管线（生命线工程）；l旧有高柔建筑或结构物的抗震（抗风）加固改造。 建筑结构消能减震设计4.2二、结构消能减震设计(一)结构消能减震设计的一般规定1.消能减震装置的设置要求 （1）应对结构提供足够的附加阻

8、尼，并应沿结构两个主轴方向均有附加阻尼或刚度；（2）宜设在层间变形较大的部位，以便更好地发挥消能作用，计算确定位置和数量，并有利于提高整个结构的消能减震能力，形成均匀合理的受力体系；（3）应采用便于检查和替换的措施；（4）消能器与斜撑、墙体、节点等支承构件的连接，应符合钢构件连接或钢与钢筋砼构件连接的要求，并能承担消能器施加给连接节点的最大作用力； 建筑结构消能减震设计4.2（5）与消能部件相连的结构构件，应计入消能部件传 递的附加内力并将其传给基础；（6）消能器和连接构件在长期使用过程中需要检查和 维护，其安装位置应便于维护人员接近和操作， 即应具有较好的易维护性；（7）消能器和连接构件应具

9、有耐久性能；（8）设计文件上应注明消能减震装置的性能要求；（9）消能减震部件的性能参数应严格检查，安装前应 对消能器进行抽样检测，每种类型和每一规格的 数量不应少于3个，抽样检测的合格率应为100%。 建筑结构消能减震设计4.22.结构消能减震设计设防目标 抗震设防目标应高于（传统）抗震设计的抗震设防目标。采用消能减震设计，还不能完全做到在设防烈度下,上部结构不受损坏或主体结构处于弹性工作阶段的要求，但是与非消能减震（及非隔震）建筑相比，应有所提高。3.消能减震结构设计涉及的主要问题l消能减震装置的设计、选择、布置及数量；l消能减震装置附加给结构的阻尼比的估算；l消能减震结构体系在罕遇地震下的

10、位移计算；l消能部件与主体结构的联结构造。 建筑结构消能减震设计4.2(二)消能减震设计的计算分析参数1.消能部件附加给结构的有效阻尼比 消能部件附加给结构的有效阻尼比 a消能结构的附加有效阻尼比； Wc 所有消能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量； Ws 设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。 不计及扭转影响时，消能减震结构在其水平地震作用下的总应变能 式中，Fi 质点i的水平地震作用标准值； ui 质点i对应于水平地震作用标准值的位移。 scaWW4/iisuFW2/1建筑结构消能减震设计4.2 速度线性相关型消能器水平地震作用下所消耗的能量式中，T1消能减震结构的基本自振周期；

11、 Cj 第j个结构由试验确定的线形阻尼系数； 第j个消能器的消能方向与水平面的夹角； uj 第j个消能器两端的相对水平位移。位移相关型、速度非线性相关型和其他类型消能器 水平地震作用下所消耗的能量 式中，Aj第j个消能器的恢复力滞回环在相对水平位移uj时的面积。消能部件附加给结构的有效阻尼比宜不超过20% 2212cos/2jjjcuCTWjcAW建筑结构消能减震设计4.22.消能部件由试验确定的有效刚度、阻尼比和恢复力模型的设计参数速度相关型阻尼器l由试验提供设计容许位移、极限位移，以及在设计容许位移幅值和不同环境温度下、加载频率为0.14Hz的滞回模型。l速度相关型消能器与斜撑、墙体或梁等

12、支承构件组成消能部件时，该部件在消能器消能方向的刚度:式中, Kb 消能部件在消能器方向的刚度； CV 消能器由试验确定的相应于结构基本自振周期的线性阻尼数； T1 消能减震结构的基本自振周期。 VbCTK)/6(1建筑结构消能减震设计4.2位移相关型阻尼器l应由试验确定设计容许位移、极限位移和恢复力模型参数。l位移相关型消能器与斜撑、墙体或梁等支承构件组成消能部件时，该部件的恢复力模型参数宜符合：式中,Kp消能部件在水平方向的初始刚度；Ks设置消能部件的结构楼层侧向刚度； upy消能部件的屈服位移； usy设置消能部件的结构层间屈服位移。在最大容许位移幅值下，按应允许的往复周期循环60圈后，

13、消能器的主要性能衰减量不应超过10%、且不应由明显的低周疲劳现象。 3/2/sypyuu 8 . 0/sypyspuuKK建筑结构消能减震设计4.2(三)消能减震设计的计算要点（1）由于加上消能部件后不改变结构基本型式，除消能部件和相关部件外， 结构设计（包括抗震构造）仍可按抗规对相应结构类型的要求进行。 （2）一般情况下，计算消能减震结构宜采用静力非线性（弹塑性）分析方法 或者非线性（弹塑性）动力时程分析方法。l对非线性动力时程分析法，宜采用消能部件的恢复力模型计算；l对静力非线性分析法，可采用消能部件附加给结构的有效阻尼比和 效刚度计算。（3）当主体结构基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分

14、析方法作简化估 算，并根据结构的变形特征和高度等，按抗震规范规定分别采用底部剪 力法、振型分解反应谱法和时程分析法。其地震影响系数可根据消能减 震结构的总阻尼比按抗震规范规定的地震影响系数曲线采用。（4）消能减震结构的总刚度： 结构刚度和消能部件有效刚度的总和。（5）消能减震结构的总阻尼比： 结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效 阻尼比的总和。 建筑结构消能减震设计4.2(四)消能减震结构设计1.两阶段设计方法l 多遇地震作用下的弹性阶段验算，进行承载力计算和弹性变形验算；l 罕遇地震作用下的变形验算。2.速度相关型消能器（粘滞消能器和黏弹性阻尼器） 力与速度和位移的关系： 式中，Fd为消能器

15、提供的阻尼力； cd，kd分别是消能器的阻尼系数和刚度； X， 分别是消能器的相对位移和相对速度。 XkXcFdddX建筑结构消能减震设计4.2(1)粘滞消能器 图 粘滞消能器构造 对于粘滞消能器，Cd是消能器的粘滞阻尼系数，与阻尼材料、温度、消能器构造、阻尼孔大小等因素有关，由产品型号给定或试验测定；Kd 等于0。 图 粘滞消能器产品 建筑结构消能减震设计4.2(2)黏弹性阻尼器 AGcd AGkd 分别是粘弹性材料的损耗因子和剪切模量，一般与频率和温度有关， 由粘弹性材料特性曲线确定； A, 分别是粘弹性材料的受剪面积和厚度； 结构的振动频率，对于多自由度结构，取弹性振动的固有频率。 G图

16、 黏弹性阻尼器构造 图 黏弹性阻尼器产品 建筑结构消能减震设计4.23.振型分解反应谱法 消能减震结构在地震作用下弹性振动的动力方程可以表示为： )()()()()()(txtttgdsdss MIxKKxCCxM 由消能减震结构的质量阵Ms和总刚度阵（Ks +Kd）可求得其频率向量和振型矩阵：n,21n21, 原结构的阻尼矩阵Cs通常假定是正交的，即jijiCCsijsTi, 0, 消能器附加给结构的阻尼矩阵Cd需要进行强行解耦，即作为近似处理，忽略Cd的非正交项，则有：jijiCCdijdTi, 0, 此时，可对动力方程进行求解，这种方法成为强行解耦法。 建筑结构消能减震设计4.24.时程分析法 考虑每一时间的增量变化，采用分步积分法求出消能减震结构体系在各个时刻的结构地震反应。5.消能减震结构的设计步骤确定结构所在场地的抗震设计参数。按照传统抗震设计方法优选结构设计方案。对结构进行分析计算，如抗震设计方案满足要求，即可采用抗震方案。 如不能满足,或虽能满足但为进一步提高抗震能力，考虑采用消能减震方案。选择消能减震装置,根据消能减震装置的设计参数，初步确定消能减震装置 的布置方案（位置、数量、型式等）。对消能