结构控制与近断层地震动

1、结构控制与近断层地震动结构控制与近断层地震动第一部分第一部分 工程结构控制工程结构控制第一节第一节 结构控制的基本概念结构控制的基本概念一、抗震理论的发展阶段一、抗震理论的发展阶段1 1静力理论，即抗侧力系数法静力理论，即抗侧力系数法刚性结构体系，无法真正实现刚性结构体系，无法真正实现2 2弹性地震反应谱分析方法弹性地震反应谱分析方法设计思想：设计思想：“小震不坏，大震不倒小震不坏，大震不倒”延性结构体系，应用日益受到限制延性结构体系，应用日益受到限制3 3结构控制理论：初期发展和初步应用阶段结构控制理论：初期发展和初步应用阶段结构控制主要研究结构工程中控制装置的设计理论、结构控制主要研究结构

2、工程中控制装置的设计理论、方法及其实施。方法及其实施。控制结构是根据给定的控制条件将结构和控制装置控制结构是根据给定的控制条件将结构和控制装置作为一个整体进行优化设计。作为一个整体进行优化设计。结构控制可分四类结构控制可分四类（1 1）被动控制：不需要外部提供能源）被动控制：不需要外部提供能源 上部减震：如调频质量阻尼器、耗能装置等上部减震：如调频质量阻尼器、耗能装置等 基础减震：即基础隔震基础减震：即基础隔震（2 2）主动控制：需要外部提供能源）主动控制：需要外部提供能源（3 3）半主动控制：仅需少量外部能源）半主动控制：仅需少量外部能源（4 4）以上几种控制类型的组合）以上几种控制类型的组

3、合二、不同结构二、不同结构 体系地震体系地震 反应比较反应比较二、不同结构二、不同结构 体系地震体系地震 反应比较反应比较第二节第二节 基础隔震基础隔震一、基础隔震模式一、基础隔震模式竖向支承机构竖向支承机构 水平隔震机构水平隔震机构阻尼机构阻尼机构基础基础地基地基上部结构上部结构隔震层隔震层 基础隔震建筑基本模式基础隔震建筑基本模式基础隔震与传统抗震房屋的反应对比基础隔震与传统抗震房屋的反应对比二、隔震机构及隔震原理二、隔震机构及隔震原理1 1 叠层钢板橡胶支座隔震叠层钢板橡胶支座隔震（1 1）普通叠层钢板橡胶支座）普通叠层钢板橡胶支座（3 3）高阻尼叠层钢板橡胶支座）高阻尼叠层钢板橡胶支座

4、（4 4）堆叠型叠层钢板橡胶支座）堆叠型叠层钢板橡胶支座 （2 2）铅芯叠层钢板橡胶支座）铅芯叠层钢板橡胶支座隔震基本原理隔震基本原理（1 1）延长结构基本自振周期，远离场地卓越周期，）延长结构基本自振周期，远离场地卓越周期，使结构基频处于地震能量高的频段之外，从而有使结构基频处于地震能量高的频段之外，从而有效地降低建筑物的地震反应。效地降低建筑物的地震反应。（2 2）适度增大橡胶支座的阻尼，以更多地吸收传）适度增大橡胶支座的阻尼，以更多地吸收传入结构的地震能量，抑制地震波中长周期成分可入结构的地震能量，抑制地震波中长周期成分可能给建筑物带来的大变形。能给建筑物带来的大变形。2 2滑动支座隔震

5、滑动支座隔震（1 1）普通滑动支座）普通滑动支座（2 2）双层滑动支座）双层滑动支座（3 3）回弹滑动支座）回弹滑动支座隔震基本原理：通过隔震层控制传入上部结构的地隔震基本原理：通过隔震层控制传入上部结构的地震力，地震力不超过隔震层摩擦力震力，地震力不超过隔震层摩擦力2 2滑动支座隔震滑动支座隔震2 2滑动支座隔震滑动支座隔震3 3螺旋弹簧支座隔震螺旋弹簧支座隔震4 4滚动支座隔震滚动支座隔震第三节第三节 结构消能减震结构消能减震一、消能减震原理一、消能减震原理结构在地震中任意时刻能量方程为结构在地震中任意时刻能量方程为 传统抗震结构传统抗震结构 Ein=EV+ EK + EC + ES 消能

6、减震结构消能减震结构 Ein=EV+ EK + EC + ES + ED 式中式中 Ein 地震过程中输入结构体系的能量；地震过程中输入结构体系的能量； EV 结构体系的动能；结构体系的动能； EK 结构体系的弹性应变能（势能）；结构体系的弹性应变能（势能）； EC 结构体系本身的阻尼耗能；结构体系本身的阻尼耗能； ES 结构构件的弹塑性变形消耗的能量；结构构件的弹塑性变形消耗的能量； ED 消能装置或消能元件消耗或吸收的能量。消能装置或消能元件消耗或吸收的能量。（a）地震输入）地震输入 （b）传统结构抗震）传统结构抗震 （c）消能减震结构）消能减震结构结构地震能最转换途径对比结构地震能最转换

7、途径对比二、消能减震机构二、消能减震机构消能减震体系：把结构物的某些非承重构件设计成消能减震体系：把结构物的某些非承重构件设计成消能杆件，或在结构的某些部位装设消能装置。消能杆件，或在结构的某些部位装设消能装置。消能装置按照其构造形式可以做成消能装置按照其构造形式可以做成（1 1）消能支撑：替代一般的结构支撑）消能支撑：替代一般的结构支撑（2 2）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙（3 3）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置（4 4）消能联结：在结构的缝隙处或结构构件之间）消能联结：在结构的缝隙处或结构构件之间的联结处

8、设置消能装置的联结处设置消能装置（1 1）消能支撑：替代一般的结构支撑）消能支撑：替代一般的结构支撑（2 2）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙（3 3）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置消能装置的功能：当构件或节点发生相对位移或转动消能装置的功能：当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。时，产生较大阻尼，从而发挥消能减震作用。消能装置的消能形式消能装置的消能形式（1 1）摩擦消能：摩擦消能支撑，摩擦节点）摩擦消能：摩擦消能支撑，摩擦节点（2 2）钢件（梁、板、棒）非弹性消能装置）钢件（梁

9、、板、棒）非弹性消能装置（3 3）材料塑性变形消能：铅阻尼器）材料塑性变形消能：铅阻尼器（4 4）材料粘弹性消能装置）材料粘弹性消能装置（5 5）液体阻尼消能：液体阻尼缸）液体阻尼消能：液体阻尼缸（6 6）混合式：几种消能形式混合应用。）混合式：几种消能形式混合应用。三、消能减震设计法三、消能减震设计法循环设计法：根据设计目标进行循环多次的设计计算，循环设计法：根据设计目标进行循环多次的设计计算，不断调整消能构件或消能装置的设计和布置，直到不断调整消能构件或消能装置的设计和布置，直到满足设计目标。满足设计目标。第四节第四节 调谐阻尼器减震调谐阻尼器减震一、调谐质量阻尼器一、调谐质量阻尼器(TM

10、D)减震机理减震机理:将结构振动的将结构振动的部分能量吸收到自己身部分能量吸收到自己身上，转化成自身的动能上，转化成自身的动能和阻尼耗能。和阻尼耗能。二、调谐液体阻尼器二、调谐液体阻尼器(TLD、TLCD) 减震机理：结构振动时带动阻尼器中的液体晃动，减震机理：结构振动时带动阻尼器中的液体晃动，通过结构与阻尼器之间的相互作用实现减震。通过结构与阻尼器之间的相互作用实现减震。被动调谐阻尼器一般安装在结构顶层。被动调谐阻尼器一般安装在结构顶层。第二部分第二部分 近断层地震动近断层地震动第一节第一节 地震动研究发展地震动研究发展 地震动研究的发展阶段地震动研究的发展阶段1 1无地震动记录之前无地震动

11、记录之前 结构设计采用静力理论，即抗侧力系数法结构设计采用静力理论，即抗侧力系数法2 2有地震动记录之后有地震动记录之后 （1 1）远场地震动记录为主）远场地震动记录为主 结构设计采用弹性地震反应谱分析方法结构设计采用弹性地震反应谱分析方法 （2 2）近断层地震动记录逐步积累增多）近断层地震动记录逐步积累增多第二节第二节 近断层地震的基本特征近断层地震的基本特征一、定义一、定义 近断层地震动是指强烈地依赖于断层的破裂机制、近断层地震动是指强烈地依赖于断层的破裂机制、包含明显的破裂方向性效应和地面永久位移的地震动。包含明显的破裂方向性效应和地面永久位移的地震动。 目前，一般将距离断层破裂面小于目

12、前，一般将距离断层破裂面小于20km的区域看作的区域看作近断层区域。近断层区域。震中震中震源震源近断层近断层( (场场) )远场远场二、近断层地震动基本特征二、近断层地震动基本特征1、滑冲效应、滑冲效应 近断层地震中某一个方向的位移时程中会显示突然升近断层地震中某一个方向的位移时程中会显示突然升高或降低的高或降低的“台阶台阶”，这种由于断层的两盘发生相对，这种由于断层的两盘发生相对错动而造成的永久性地面位移，即被称为滑冲效应，错动而造成的永久性地面位移，即被称为滑冲效应，或被形象化地称为或被形象化地称为“Fling step”效应。效应。 台湾集集地震时台湾集集地震时TCU068台站记录的地震

13、动时程曲线，台站记录的地震动时程曲线，滑冲效应使地震动的速度时程中出现脉冲，而位移时滑冲效应使地震动的速度时程中出现脉冲，而位移时程则出现阶跃性的不可恢复的位移。程则出现阶跃性的不可恢复的位移。 2、破裂的方向性效应破裂的方向性效应同时满足同时满足：（1）断层破裂的方向指向场地或与其夹角较小，）断层破裂的方向指向场地或与其夹角较小，（2）断层破裂的速度与剪切波速相接近）断层破裂的速度与剪切波速相接近。在破裂的前方向区，在相当短的时间内，地震波的能量接近在破裂的前方向区，在相当短的时间内，地震波的能量接近于同一时间传至某个场点，能量迅速累积，一般在速度时程于同一时间传至某个场点，能量迅速累积，一

14、般在速度时程的初始阶段会形成一个持时短且幅值大的速度脉冲，此时的的初始阶段会形成一个持时短且幅值大的速度脉冲，此时的地面运动就会具有明显的地面运动就会具有明显的“破裂向前的方向性效应破裂向前的方向性效应”；在其后方，在相对较长的时间内，各个子源破裂引发的地震在其后方，在相对较长的时间内，各个子源破裂引发的地震波陆续到达破裂后方向区的场点，产生较为均匀能量分布，波陆续到达破裂后方向区的场点，产生较为均匀能量分布，引发的地震动相对来说具有较长的持时，且幅值较小，即所引发的地震动相对来说具有较长的持时，且幅值较小，即所谓的谓的“破裂向后的方向性效应破裂向后的方向性效应”。1992年年Landers近

15、断层地震近断层地震1979年年Imperial Valley近断层地震近断层地震3、长周期速度大脉冲长周期速度大脉冲（1）引起速度脉冲的引起速度脉冲的2个主要原因个主要原因 滑冲效应滑冲效应 向前的方向性效应向前的方向性效应（2）方向性效应和滑冲效应产生的脉冲是有区别的方向性效应和滑冲效应产生的脉冲是有区别的 1）由滑冲效应造成的一般为单向速度脉冲由滑冲效应造成的一般为单向速度脉冲。 由向前的方向性效应造成的一般为双向或多向由向前的方向性效应造成的一般为双向或多向速度脉冲速度脉冲。1999年土耳其年土耳其Kocaeli地震中由滑冲效应造成的单向速度脉冲地震中由滑冲效应造成的单向速度脉冲1979

16、年年Imperial Valley近断层地震近断层地震由向前的方向性效应造成的双向速度脉冲由向前的方向性效应造成的双向速度脉冲2）对于倾滑断裂，方向性效应产生的脉冲和滑冲效应产生的脉）对于倾滑断裂，方向性效应产生的脉冲和滑冲效应产生的脉冲都发生在垂直于断层走向的分量，两种速度脉冲是彼此重冲都发生在垂直于断层走向的分量，两种速度脉冲是彼此重叠在一起的。叠在一起的。 对于走滑断裂，方向性效应和滑冲效应所产生的脉冲发生在对于走滑断裂，方向性效应和滑冲效应所产生的脉冲发生在不同的地震动分量上。不同的地震动分量上。 a)走滑断裂走滑断裂 b)倾滑断裂倾滑断裂4、上上/下盘效应下盘效应 对于倾斜断层，断层

17、面与地表之间夹角小于对于倾斜断层，断层面与地表之间夹角小于9090的一侧为上盘，的一侧为上盘，另一侧即为下盘另一侧即为下盘。 上盘上盘A点与下盘点与下盘B点至断层在地表迹线的距离均为点至断层在地表迹线的距离均为L，但至发，但至发震断层面的距离震断层面的距离R1 R2，由于近断层地震随着断层距的增加其，由于近断层地震随着断层距的增加其强度衰减很快，所以强度衰减很快，所以A点的地震动强度较点的地震动强度较B点要大点要大。 集集地震地面峰值加速度（集集地震地面峰值加速度（PGA）等值线分布图，图中粗黑线）等值线分布图，图中粗黑线表示断层线，断层线东侧为上盘，西侧为下盘。表示断层线，断层线东侧为上盘，

18、西侧为下盘。 a)东西向东西向 b)南北向南北向 c)竖向竖向在相同断层距的情况下，上盘在相同断层距的情况下，上盘PGA较下盘高，且下盘较下盘高，且下盘PGA衰减衰减较上盘较上盘PGA衰减快。衰减快。5、强地震动集中性、强地震动集中性 随着断层距增加，近断层地震的强度快速衰减，近断层地震主随着断层距增加，近断层地震的强度快速衰减，近断层地震主要的强震动，集中在一个狭窄的以断层在地表投影为中心的要的强震动，集中在一个狭窄的以断层在地表投影为中心的区域内，而在这个区域之外，地震动的强度将会有明显的降区域内，而在这个区域之外，地震动的强度将会有明显的降低，这就是所谓的低，这就是所谓的“近断层地震强地

19、震动集中性近断层地震强地震动集中性”。 1970年我国通海年我国通海7. 6级地震的震害分布图级地震的震害分布图。极震区位于沿断层的狭长区域内，紧靠断层两侧的区域受到严重极震区位于沿断层的狭长区域内，紧靠断层两侧的区域受到严重破坏，加速度等值曲线随着断层距增加破坏，加速度等值曲线随着断层距增加，越来越稀疏，当断层距越来越稀疏，当断层距增大到一定范围之外，震害则明显减轻。增大到一定范围之外，震害则明显减轻。6、竖向效应、竖向效应 在计算竖向地震作用时，抗震规范取水平方向加速度的在计算竖向地震作用时，抗震规范取水平方向加速度的2/3作作为地震动竖向加速度分量，并将水平设计反应谱缩小一定比为地震动竖

20、向加速度分量，并将水平设计反应谱缩小一定比例作为竖向设计反应谱。例作为竖向设计反应谱。 随着实际近断层强震记录的逐渐丰富，在近断层区域，观测到随着实际近断层强震记录的逐渐丰富，在近断层区域，观测到地震动的竖向与水平地震动的竖向与水平PGA之比远超过之比远超过2/3，且近断层竖向地震，且近断层竖向地震一般包含更多的高频成分，这对高柔结构、大跨空间结构、一般包含更多的高频成分，这对高柔结构、大跨空间结构、长悬臂结构等对竖向地震较敏感的结构可能有较大影响。长悬臂结构等对竖向地震较敏感的结构可能有较大影响。 二、二、近断层地震波记录近断层地震波记录选取选取 选波原则如下：选波原则如下：（1）根据大多数

21、学者公认的近断层地震定义，选择断层距根据大多数学者公认的近断层地震定义，选择断层距不大于不大于20km的地震动记录；的地震动记录； （2）为突出近断层地震异于远场地震动的强度特征，选择为突出近断层地震异于远场地震动的强度特征，选择矩震级不小于矩震级不小于5.5级的地震动记录；级的地震动记录；（3）为突出近断层地震动的强地面运动特性，选择为突出近断层地震动的强地面运动特性，选择PGA大大于于0.1g的地震动记录。的地震动记录。 三、近断层地震动与远场地震动的时程曲线对比三、近断层地震动与远场地震动的时程曲线对比 四、近断层地震动与远场地震动反应谱的比较四、近断层地震动与远场地震动反应谱的比较 选选18条近断层及条近断层及10条远场的地震记录，采用条远场的地震记录，采用seismosignal软件计算软件计算5%阻尼比的拟加速度、拟速度和位移反应谱。阻尼比的拟加速度、拟速度和位移反应谱。 五、近断层地震动中含有与不含速度脉冲地震动反应谱五、近断层地震动中含有与不含速度脉冲地震动反应谱的比较的比较 选含速度脉冲的近断层地震记录共选含速度脉冲的近断层地震记录共10条，不含有速度脉条，不含有速度脉冲的近断层地震记录共冲的近断层地震记录共8条，采用条，采用seismosignal软件计算软件计算5%阻尼比的拟加速度、拟速度和位移反应