[PPT]结构抗震结构振动控制简介

1、 6.1结构振动控制简介抗震结构一.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，吸收地震能量。隔震结构消能减震结构 立足于“抗”。二.隔震结构 在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻止地震能量向上传递。 立足于“隔”。第六章 结构振动控制 6.1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：(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；(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 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；(3)复位特性：地震后，上部结构能回复到初始

2、状态，满足正常的使用要求。(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 而降低上部结构所吸收的地震能量。第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介隔震系统回顾 基础隔震的概念早在19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；现代的基础隔震理论和实践开始于上世纪70年代，基础隔震方案很多，下面作简单介绍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 结构振动控制

3、6.1结构振动控制简介J.A.Calantarients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。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 结构振动控制 6.1结构振动控制简介柔性层隔震结构(Flexible first-story building) 柔性层结构隔震概念由Martel

4、在1929年提出，由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)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 结构振动控制 6.1结构振动控制简介滚动支撑类隔震系统（Roller 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 结构振动控制 6.1结构振动控制简介2.最新隔震技术隔震橡胶

5、支座(The laminated rubber bearing)隔震系统。第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介 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 0.49g，而顶层加速度只有0.21g, 加速度折减系数为1.8。而抗震结构橄榄景医院(The Olive View Hospital)的底层加速度为 0.82g，而顶层加速度为2.31g, 加速度放大系数为2.8，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）橄榄景医院（抗震结构） 19

6、94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，死亡56人，伤7300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。第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介中南加州大学医院 地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；占地：4100平米；最高高度：36。0m；铅芯多层橡胶隔震器68个，多层橡胶隔震器81个。第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介 中南加州大学医院在这次地震及其其后的余震中，6-8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，医院功能得到维持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。第六章 结构振动控制 6

7、.1结构振动控制简介橄榄景医院（抗震结构） 橄榄景医院在1971年圣费尔南多地震中受到较大损害，10年后重建，并增加了抗震强度。 在此次地震中，剪力墙产生剪切裂缝，设备机器、医疗机械及家具等翻倒，病历等资料掉下、散乱。而且水管破裂，各层浸水，建筑物不能使用，完全丧失了医院的功能。 一九九四年九月十六日，台湾海峡发生了7.3级地震，震源距离汕头市约200公里，汕头市烈度为6度，各类房屋摇晃厉害，居民惊惶失措，水桶里的水溅出了1/3左右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。第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介日本阪神大地震 一九九五年一月十七日

8、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，在基础、l层和6层进行了地震记录观测。213263300基础193571061层377751036层上下南北东西地震观测位置方向第六章 结构振动控制 6.1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，高阻尼橡胶支座等 。天然夹层隔震橡胶支座 天然夹层橡胶支座构造如图所示。天然夹层橡胶

9、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。 铅芯隔震橡胶支座 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。 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中受到广泛欢迎。 第六章 结构振动控制 6.1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(The William

10、Clayton Building, New Zealand)和世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。 日本1997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40%，美国在1985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60.7%，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60%。第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介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；2）、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 载和结构变形；4）、高

11、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。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。第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介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 振周期，减小加速度反应，从而减小地震作用；2）、阻尼消能，为结构提供较大的阻尼，从而使位移反应 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 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。只有

12、具备这三项特性，隔振体系才具有明显的减震能力。 第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介基底隔振的形式很多，概括地讲有如下六种模式。(一)、LRB基底隔振系统（Laminated Rubber Bearing，层状橡胶支座）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2-1所示。运动方程可写为：式中：S是结构筏基相对地面的相对位移，是结构相对于筏基的第i层位移，是地面运动加速度的水平分量。，是质量比系数， 图6-1 LRB隔振系统 （6-1）（6-2）第六章 结构振动控制 6.1结

13、构振动控制简介为结构筏基质量，为第i层质量。分别为隔振系统的阻尼和刚度。是结构的总质量。分别为结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。是n维元素为1的列向量。 (二)、NZ基底隔振系统（New Zealand，铅塞滞变阻尼器）当LRB系统中带有铅芯时，称为NZ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2-2所示。运动方程由（6-1）和（6-3）组成第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介式中：N代表使用基底隔振单元的数量，M为总质量，Q为滞回恢复力，与铅芯的作用有关。其它符号同前。图6-2 NZ隔振系

14、统（6-3）R-FBI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。其工作原理如图6-3所示。运动方程由（6-1）和（6-4）组成图6-3 R-FBI隔振系统(三)、R-FBI基底隔振系统（Resilient-Friction Base Isolation，恢复力-摩擦）第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介式中：g为重力加速度，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。（6-4）（6-5）P-F基底隔振系统是由摩擦板或砂垫层组成。该系统是单纯的摩擦型或滑动节点型基底隔振系统。其工作原理如

15、图6-4所示。运动方程由（6-1）和（6-5）组成第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介(四)、P-F基底隔振系统（Pure-Friction，纯摩擦）(五)、EDF基础隔振系统（Electrite De France）EDF基础隔振系统是由铅-青铜板作盖的叠层橡胶衬垫块组成，其工作原理如图6-5所示。运动方程由（6-1）、（6-6）和（6-7）组成（6-6）图6-4 P-F隔振系统（6-7） 2-8）图6-5 EDF基础隔振系统第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介(六)、SR-F基底隔振系统（Sliding Resilient-Friction）SR-F基底隔振系统即滑移恢复力

16、-摩擦基底隔振系统。它主要是由R-FBI和EDF系统重新组合而成，实质上是一种上部具有附加摩擦板的R-FBI隔振元件。其工作原理如图6-6所示。运动方程由（6-1）、（6-8）和（6-9）组成（6-8） 图6-6 SR-F基底隔振系统（6-9）第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介三.消能减震结构 在结构中的某些部位设置消能装置，通过消能装置耗散或吸收地震能量，从而减小主体结构地震反应。消能装置有： 调频质量阻尼装置（Tuned Mass Dampers,简称TMD） 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，由此产生的惯性力反作用于结构，起到

17、减小结构振动反应的作用。第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介TMD是一个小的振动系统，由质量、弹簧和阻尼器组成。它是Frahmn在1909年发明的。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来抵消干扰力，以达到减振的作用。其工作原理如图6-7所示。图6-7 第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介TMD参数取值与结构形式和地震波有关。TMD的频率取值，取 时最有效， 为第i振型的频率。一般取第一振型频率来设计 取值在20%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1

18、%3%时较佳。总质量小时，比值可大些，总质量大时，比值可取小些，比值过小，其控制效果几乎为0。比值过大时，会产生有害影响。 调频液体阻尼装置(Tuned Liquild Dampers or Tuned Sloshing Dampers ,简称TLD或TSD)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，同时液体晃动产生阻尼吸收一部分能量。第六章 结构振动控制 6.1结构振动控制简介液压质量控制装置由液压缸、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。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