工程结构抗震--第六章结构振动控制

1、 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介抗震结构抗震结构一一. .抗震结构抗震结构 利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，吸利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震作用，吸收地震能量。收地震能量。隔震结构隔震结构消能减震结构消能减震结构 立足于立足于“抗抗”。二二. .隔震结构隔震结构 在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻止地在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻止地震能量向上传递。震能量向上传递。 立足于立足于“隔隔”。第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四种特性：为达到明显减震效果，通常基

2、础隔震系统需具备以下四种特性：(1)(1)承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量；承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量；(2)(2)隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持 在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平 刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；(3)(3)复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正常的使用要求。复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正

3、常的使用要求。(4)(4)耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从 而降低上部结构所吸收的地震能量。而降低上部结构所吸收的地震能量。第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介隔震系统回顾隔震系统回顾 基础隔震的概念早在基础隔震的概念早在1919世纪已有人提过，广义的隔震方案则更是世纪已有人提过，广义的隔震方案则更是源渊流长，如北京故宫就设有糯米加石灰的柔性减震支座层；现代的源渊流长，如北京故宫就设有糯米加石灰的柔性减震支座层；现代的基础隔震理论和实践开始于上世纪基础隔震理

4、论和实践开始于上世纪7070年代，基础隔震方案很多，下面年代，基础隔震方案很多，下面作简单介绍作简单介绍1.早期隔震技术河合浩藏的“地震时不受大震动的结构” 右图是1891年河合浩藏的“地震时不受大震动的结构”。其隔震思路是在地基上并排铺设了数层圆木，并且把建筑物周围挖空，从而地震时可对上部建筑起到隔震第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介J.A.CalantarientsJ.A.Calantarients提出的隔震结构提出的隔震结构 右图是J.A.Calantarients于1909年提出的隔震结构(Base-isolated building )方案

5、。这种隔震结构在建筑物结构与基础之间用滑石层隔开，地震时建筑物可以滑动。中村太郎的隔震结构 右图是中村太郎于1927年提出的隔震结构方案。在这种隔震系统中已使用阻尼泵来耗散地震动的能量，并且在该建筑地下层柱的上下端采用铰接构造，建筑物可以水平自由移动。 第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介柔性层隔震结构柔性层隔震结构( (Flexible first-story buildingFlexible first-story building) ) 柔性层结构隔震概念由Martel在1929年提出，由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)

6、进一步加以研究与完善；下图是真岛健三郎于1934年的柔性层结构。地震时，柔性层进入塑性，结构的刚度变小，结构的基本周期延长，从而导致上部结构所受的地震作用减小。 第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介滚动支撑类隔震系统滚动支撑类隔震系统（Roller bearing systemRoller bearing system） 为克服柔性层结构所带来的缺陷，科学家们相继提出了多种滚动支撑类隔震系统，工作元件有球形和椭圆形等多种，但由于其隔震是有向性的，而地震是具有无向性，这些类型的隔震系统均未能推广应用。 第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振

7、动控制简介结构振动控制简介2.最新隔震技术隔震橡胶支座隔震橡胶支座( (The laminated rThe laminated rubber bearing) )隔震系统。隔震系统。第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介 南加州大学医院南加州大学医院( (The University of Southern California Teaching Hospital)是橡胶支座隔震系统，这栋八层医院基础加速度为是橡胶支座隔震系统，这栋八层医院基础加速度为 0.49g，而顶，而顶层加速度只有层加速度只有0.21g, 加速度折减系数为加速度折减系数为1.8。

8、而抗震结构橄榄景医院。而抗震结构橄榄景医院(The Olive View Hospital)的底层加速度为的底层加速度为 0.82g，而顶层加速度为，而顶层加速度为2.31g, 加速加速度放大系数为度放大系数为2.8，由此可见橡胶支座隔震系统的优越性。，由此可见橡胶支座隔震系统的优越性。中南加州大学医院（隔震结构）中南加州大学医院（隔震结构）橄榄景医院（橄榄景医院（抗震结构）抗震结构） 19941994年年1 1月月1717日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级M=6.7M=6.7，直下，直下型地震，死亡型地震，死亡5656人，伤人，伤73007300人，

9、损失很大。人，损失很大。 震中附近有两座医院，一座为隔震结构，另一座为抗震结构。震中附近有两座医院，一座为隔震结构，另一座为抗震结构。第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介中南加州大学医院中南加州大学医院 地下一层，地上地下一层，地上7 7层，建筑面积：层，建筑面积：3300033000平方米；占地：平方米；占地：41004100平米；平米；最高高度：最高高度：3636。0m0m；铅芯多层橡胶隔震器；铅芯多层橡胶隔震器6868个，多层橡胶隔震器个，多层橡胶隔震器8181个。个。第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介

10、 中南加州大学医院在这次地震及其其后的余震中，中南加州大学医院在这次地震及其其后的余震中，6-86-8英尺高的花瓶英尺高的花瓶等没有一个掉下来，建筑物内的各种机器等均未损坏，医院功能得到维等没有一个掉下来，建筑物内的各种机器等均未损坏，医院功能得到维持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介橄榄景医院（橄榄景医院（抗震结构）抗震结构） 橄榄景医院在橄榄景医院在19711971年圣费尔年圣费尔南多地震中受到较大损害，南多地震中受到较大损害，1010年年后重建，并增加了抗震强度。后重建，

11、并增加了抗震强度。 在此次地震中，剪力墙产生在此次地震中，剪力墙产生剪切裂缝，设备机器、医疗机械剪切裂缝，设备机器、医疗机械及家具等翻倒，病历等资料掉下、及家具等翻倒，病历等资料掉下、散乱。而且水管破裂，各层浸水，散乱。而且水管破裂，各层浸水，建筑物不能使用，完全丧失了医建筑物不能使用，完全丧失了医院的功能。院的功能。 一九九四年九月十六日，台湾海峡发生了一九九四年九月十六日，台湾海峡发生了7.3级地震，震源距离级地震，震源距离汕头市约汕头市约200公里，汕头市烈度为公里，汕头市烈度为6度，各类房屋摇晃厉害，居民惊度，各类房屋摇晃厉害，居民惊惶失措，水桶里的水溅出了惶失措，水桶里的水溅出了1/

12、3左右左右而陵海路隔震楼上的人并没而陵海路隔震楼上的人并没有感到晃动，听到毗邻楼房和邻街喧闹声后下楼才知道发生了地震。有感到晃动，听到毗邻楼房和邻街喧闹声后下楼才知道发生了地震。第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介日本阪神大地震日本阪神大地震 一九九五年一月十七日发生了日本阪神大地震。震级7.2级，是日本战后最大地震灾害。在这次地震中，有二幢隔震结构建筑得到了地震观测记录。从这些记录可以看到隔震房屋在大地震中发挥了隔震效果，证实了隔震结构的有效性。WEST大厦(西部邮政大楼)建筑面积46000m2，6层，是日本最大的隔震建筑。该建筑距震源东北35公里，

13、在基础、l层和6层进行了地震记录观测。213263300基础基础193571061层层377751036层层上下上下南北南北东西东西地震观测地震观测位置位置方向方向第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介 隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座等支座等 。天然夹层隔震橡胶支座天然夹层隔震橡胶支座 天然夹层橡胶支座构造如图所示。天天然夹层橡胶支座构造如图所示。天然夹层橡胶支座具有较大的竖向刚度，承然夹层橡胶支座具有较大的竖向刚度，承受建筑物的重量时竖向变形小，而水平刚受建筑物的

14、重量时竖向变形小，而水平刚度较小，且线性性能好。由于天然夹层橡度较小，且线性性能好。由于天然夹层橡胶支座的阻尼很小，不具备足够的耗能能胶支座的阻尼很小，不具备足够的耗能能力，所以在结构使用中一般同其它阻尼器力，所以在结构使用中一般同其它阻尼器或耗能设备联合使用。或耗能设备联合使用。 铅芯隔震橡胶支座铅芯隔震橡胶支座 铅 芯 隔 震 橡 胶 支 座 由 新 西 兰 的铅 芯 隔 震 橡 胶 支 座 由 新 西 兰 的ROBINSON及其公司最早研制开发，以后及其公司最早研制开发，以后在中国、日本、美国、意大利等国家都得在中国、日本、美国、意大利等国家都得到了较大的发展与应用。到了较大的发展与应用

15、。 铅芯橡胶支座构造如图所示。因为铅芯橡胶支座不但具有较理想的竖铅芯橡胶支座构造如图所示。因为铅芯橡胶支座不但具有较理想的竖向刚度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故铅芯橡胶支座在结构使用向刚度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故铅芯橡胶支座在结构使用中受到广泛欢迎。中受到广泛欢迎。 第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介 下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑(The William Clayton Building, New Zealand)和世界上使用铅芯橡胶支和世界上使用铅芯橡胶支座中基底

16、面积最大的建筑座中基底面积最大的建筑(日本日本)。 日本日本19971997年度评定的隔震建筑中，采用铅芯橡胶支座隔震房屋占总年度评定的隔震建筑中，采用铅芯橡胶支座隔震房屋占总数的数的40%40%，美国在，美国在19851985年以后兴建的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯年以后兴建的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的橡胶支座的隔震房屋占总数的60.7%60.7%，我国在已建成的隔震房屋中，完，我国在已建成的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的60%60%。第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制

17、简介结构振动控制简介基底隔振结构具有以下特性：基底隔振结构具有以下特性：1）、基底隔振导致剪力沿结构下部有较均匀的分布；）、基底隔振导致剪力沿结构下部有较均匀的分布；2）、高柔基底使高阶振型有较小的振型参与系数；）、高柔基底使高阶振型有较小的振型参与系数；3）、滞变阻尼器的引入，大大减小了基底位移、地震荷）、滞变阻尼器的引入，大大减小了基底位移、地震荷 载和结构变形；载和结构变形；4）、高整体柔性使第一振型周期加长，它与大阻尼一起通常）、高整体柔性使第一振型周期加长，它与大阻尼一起通常 给出较低的地震反应谱系数。给出较低的地震反应谱系数。基底隔振最适合于较短周期的结构，它能显著减小第一振型基底

18、隔振最适合于较短周期的结构，它能显著减小第一振型反应，对于比较柔性的场地，应采用小的基底柔性，基底隔反应，对于比较柔性的场地，应采用小的基底柔性，基底隔振已广泛地用于建筑物的抗震，其实验研究也很深入。振已广泛地用于建筑物的抗震，其实验研究也很深入。第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介基底隔振体系具备下述三项特性：基底隔振体系具备下述三项特性： 1）、柔性滑动，结构在基础面上滑动会加大结构体系的自）、柔性滑动，结构在基础面上滑动会加大结构体系的自 振周期，减小加速度反应，从而减小地震作用；振周期，减小加速度反应，从而减小地震作用；2）、阻尼消能，为结构提

19、供较大的阻尼，从而使位移反应）、阻尼消能，为结构提供较大的阻尼，从而使位移反应 减小；减小；3）、弹性刚度，隔振体系必须具有足够的初始刚度，当荷载）、弹性刚度，隔振体系必须具有足够的初始刚度，当荷载 小于屈服荷载时，结构体系满足正常使用状态，否则，小于屈服荷载时，结构体系满足正常使用状态，否则， 隔振装置滑动，体系处于消能状态。隔振装置滑动，体系处于消能状态。只有具备这三项特性，隔振体系才具有明显的减震能力。只有具备这三项特性，隔振体系才具有明显的减震能力。 第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介gniiixxaSSS 120002基底隔振的形式很多，概

20、括地讲有如下六种模式。基底隔振的形式很多，概括地讲有如下六种模式。(一一)、LRB基底隔振系统（基底隔振系统（Laminated Rubber Bearing，层状，层状橡胶支座）橡胶支座）LRB基底隔振系统是用橡胶和薄钢片组成的层状橡胶垫块做隔基底隔振系统是用橡胶和薄钢片组成的层状橡胶垫块做隔振装置，橡胶板是热粘到钢板上的。这种支座在水平方向相当柔振装置，橡胶板是热粘到钢板上的。这种支座在水平方向相当柔软，但在竖直方向却很坚硬。其工作原理图如图软，但在竖直方向却很坚硬。其工作原理图如图2-1所示。运动所示。运动方程可写为：方程可写为：)(gxS 1MKXXCXMixgx MKMC020000

21、,2ia式中：式中：S是结构筏基相对地面的相对位移，是结构筏基相对地面的相对位移，是结构相对于筏基的第是结构相对于筏基的第i层位移，层位移，是地面运动加速度的水平分量。是地面运动加速度的水平分量。，是是质量比系数，质量比系数， S图图6-1 LRB隔振系统隔振系统 Mmaii（6-1）（6-2）第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介bmim00,KCniibmmM1CKM,1为结构筏基质量，为结构筏基质量，为第为第i层质量。层质量。分别为隔振系统的阻尼和刚度。分别为隔振系统的阻尼和刚度。是结构的总质量。是结构的总质量。分别为结构分别为结构的质量矩阵、刚度

22、矩阵和阻尼矩阵。的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。是是n维元素为维元素为1的列向量。的列向量。 (二二)、NZ基底隔振系统（基底隔振系统（New Zealand，铅塞滞变阻尼器），铅塞滞变阻尼器）当当LRB系统中带有铅芯时，称为系统中带有铅芯时，称为NZ隔振系统，该系统最早隔振系统，该系统最早是由新西兰人提出的。铅芯系用来减小侧向位移并提供附加的是由新西兰人提出的。铅芯系用来减小侧向位移并提供附加的能量逸散机制，而弹性恢复力则是由橡胶支座提供的。其工作能量逸散机制，而弹性恢复力则是由橡胶支座提供的。其工作原理如图原理如图2-2所示。运动方程由（所示。运动方程由（6-1）和（）和（6-3）组成）组

23、成第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介gniiixxaQMNSSS 120002S式中：式中：N代表使用基底隔振单元代表使用基底隔振单元的数量，的数量，M为总质量，为总质量，Q为滞回为滞回恢复力，与铅芯的作用有关。恢复力，与铅芯的作用有关。其它符号同前。其它符号同前。图图6-2 NZ隔振系统隔振系统（6-3）SR-FBI基底隔振系统是由带橡胶芯的聚四基底隔振系统是由带橡胶芯的聚四氟乙烯涂叠摩擦板的叠层组成，橡胶芯提氟乙烯涂叠摩擦板的叠层组成，橡胶芯提供恢复力，因此起控制相对位移作用，而供恢复力，因此起控制相对位移作用，而能量则通过摩擦力逸散。其工作原理

24、如图能量则通过摩擦力逸散。其工作原理如图6-3所示。运动方程由（所示。运动方程由（6-1）和（）和（6-4）组）组成成图6-3 R-FBI隔振系统(三三)、R-FBI基底隔振系统（基底隔振系统（Resilient-Friction Base Isolation，恢复力，恢复力-摩擦）摩擦）第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介gniiixxaSgsignSSS 12000)(2()sign式中：式中：g为重力加速度，为重力加速度，为摩擦系数，为摩擦系数，是控制系统滑动与非滑动状态的符号函数。其它符号同前。是控制系统滑动与非滑动状态的符号函数。其它符号同前

25、。（6-4）gniiixxaSgsignS 1)(（6-5）P-F基底隔振系统是由摩擦板或砂垫层组成。该系统是单纯的基底隔振系统是由摩擦板或砂垫层组成。该系统是单纯的摩擦型或滑动节点型基底隔振系统。其工作原理如图摩擦型或滑动节点型基底隔振系统。其工作原理如图6-4所示。所示。运动方程由（运动方程由（6-1）和（）和（6-5）组成）组成第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介(四四)、P-F基底隔振系统（基底隔振系统（Pure-Friction，纯摩擦），纯摩擦）gniiixxaYYS 120002)(22000YSgsignYYS(五五)、EDF基础隔振系

26、统（基础隔振系统（Electrite De France）EDF基础隔振系统是由铅基础隔振系统是由铅-青铜板作盖的叠层橡青铜板作盖的叠层橡胶衬垫块组成，其工作原理如图胶衬垫块组成，其工作原理如图6-5所示。运动所示。运动方程由（方程由（6-1）、（）、（6-6）和（）和（6-7）组成）组成（6-6）图图6-4 P-F隔振系统隔振系统（6-7）yS图图6-5 EDF基础隔振系统基础隔振系统第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介gniiixxaYgsignYYS 1120002)()(212000YSgsignYgsignYYSy(六六)、SR-F基底隔振系

27、统（基底隔振系统（Sliding Resilient-Friction）SR-F基底隔振系统即滑移恢复力基底隔振系统即滑移恢复力-摩擦基底隔振系统。它主要摩擦基底隔振系统。它主要是由是由R-FBI和和EDF系统重新组合而成，实质上是一种上部具有系统重新组合而成，实质上是一种上部具有附加摩擦板的附加摩擦板的R-FBI隔振元件。其工作原理如图隔振元件。其工作原理如图6-6所示。运动所示。运动方程由（方程由（6-1）、（）、（6-8）和（）和（6-9）组成）组成（6-8） 图图6-6 SR-F基底隔振系统基底隔振系统（6-9）第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制

28、简介三三. .消能减震结构消能减震结构 在结构中的某些部位设置消能装置，通过消能装置耗散在结构中的某些部位设置消能装置，通过消能装置耗散或吸收地震能量，从而减小主体结构地震反应。或吸收地震能量，从而减小主体结构地震反应。消能装置有：消能装置有： 调频质量阻尼装置调频质量阻尼装置（Tuned Mass Dampers,简称简称TMD） 由质量、弹性元件和阻尼器构成的振动系统，将由质量、弹性元件和阻尼器构成的振动系统，将其安装在结构上，结构振动时引起该系统的共振，由此产生其安装在结构上，结构振动时引起该系统的共振，由此产生的惯性力反作用于结构，起到减小结构振动反应的作用。的惯性力反作用于结构，起到

29、减小结构振动反应的作用。第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介TMD是一个小的振动系统，由质量、弹簧是一个小的振动系统，由质量、弹簧和阻尼器组成。它是和阻尼器组成。它是Frahmn在在1909年发明年发明的。它主要被用于机械工业系统中。由于的。它主要被用于机械工业系统中。由于土木工程中抗风抗的需要，现被用于抗震土木工程中抗风抗的需要，现被用于抗震抗风结构之中。这种机构主要依赖它与结抗风结构之中。这种机构主要依赖它与结构作相对运动，凭惯性对结构产生作用力构作相对运动，凭惯性对结构产生作用力来抵消干扰力，以达到减振的作用。其工来抵消干扰力，以达到减振的作用。

30、其工作原理如图作原理如图6-7所示。所示。图图6-7 第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结构振动控制简介TMDTMD参数取值与结构形式和地震波有关。参数取值与结构形式和地震波有关。TMDTMD的频率取值，的频率取值，取取 时最有效，时最有效， 为第为第i i振型的频率。一般振型的频率。一般取第一振取第一振型频率来设计型频率来设计1ididd 取值在取值在20%左右时为最佳，质量比随结构总质量大小而变左右时为最佳，质量比随结构总质量大小而变化，一般来说，质量比在化，一般来说，质量比在1%3%时较佳。总质量小时，比值时较佳。总质量小时，比值可大些，总质量大时，比值可取小

31、些，比值过小，其控制效果可大些，总质量大时，比值可取小些，比值过小，其控制效果几乎为几乎为0。比值过大时，会产生有害影响。比值过大时，会产生有害影响。 调频液体阻尼装置调频液体阻尼装置( (Tuned Liquild Dampers or Tuned Sloshing Dampers ,简称简称TLD或或TSD)由具有一定形状的盛液容器构成，液体晃动由具有一定形状的盛液容器构成，液体晃动时，液体对容器箱壁产生动压力，同时液体晃动产时，液体对容器箱壁产生动压力，同时液体晃动产生阻尼吸收一部分能量。生阻尼吸收一部分能量。h2ax(t)第六章第六章 结构振动控制结构振动控制 6.1结构振动控制简介结

32、构振动控制简介液压质量控制装置液压质量控制装置由液压缸、活塞、管路和质量块构成，由液压缸、活塞、管路和质量块构成，当结构由地面运动产生振动时，油缸的活塞推动管路中的当结构由地面运动产生振动时，油缸的活塞推动管路中的液体，使液体和质量随之振动。结构的一部分振动能量传液体，使液体和质量随之振动。结构的一部分振动能量传递给了该系统。递给了该系统。TLD系统是一种固定在结构楼时或屋面上的矩形或圆形水箱，系统是一种固定在结构楼时或屋面上的矩形或圆形水箱，可以是浅水、深水和大型水箱，也可以是多个水箱的组合。当可以是浅水、深水和大型水箱，也可以是多个水箱的组合。当结构带动水箱振动时，水箱的运动使箱中的水产生晃动并引起结构带动水箱振动时，水箱的运动使箱中的水产生晃动