《抗震结构设计》多媒体课件 第章二

武汉理工大学出版社9隔震与耗能减震房屋设计9.隔震与耗能减震房屋设计9.1概述抗震设计：依靠结构的强度、刚度和延性来抵御地震作用立足于“抗”，是一种消极设计方法传统抗震方法存在的问题。（1）结构的安全性难以保证传统抗震方法以既定的“设防烈度”作为设计依据，由于地震的随机性，建筑结构的破损程度及倒塌的可能性难以控制，当发生突发性超烈度地震时，房屋可能会严重破坏。9.1概述（2）建筑费用和成本大幅度增加传统方法是在设计时提高材料强度、加大构件（结构）刚度，其结果是断面越大，刚度越大，使用面积减少，建筑物自重增大，地震作用亦随之增大。（3）适用范围受到限制传统抗震方法采用的是延性结构体系，允许结构部件在强震时发生比较大的塑性变形，以消耗地震能量，减轻地震反应，这种方法对于某些不容许在地震中出现破坏的结构、或内部有贵重装饰、重要设备仪器的结构是不适用的。9.1概述（4）施工难度大结构构件和节点的钢筋配置过密，9度区甚至无法排布。（5）建筑物的高度受到限制等。为克服传统抗震方法的缺陷，结构振动控制技术（简称“结构控制”）逐渐发展起来。结构控制的概念：通过对结构施加控制机构，由控制机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的振动反应，使它在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。

9.1概述结构控制的概念：在工程结构的特定部位装设某种装置（如隔震垫等）、或某种机构（如耗能支撑、耗能剪力墙、耗能节点、耗能器等）、或某种子结构（如调频质量等）、或施加外力（外部能量输入）、或调整结构的动力特性，使工程结构在地震（或风）的作用下，其结构的动力反应（加速度、速度、位移）得到合理的控制，从而确保结构本身及结构中的人、仪器设备、装修等的安全或处于正常的使用状态。结构控制技术按控制措施实施的方式不同，一般分为被动控制（PassiveControl）、主动控制（ActiveControl）、半主动控制（Semi—ActiveControl）和混合控制（HybridControl）四类。9.1概述（1）被动控制（PassiveControl）:

隔震、结构自控和结构附加装置控制。

①隔震：在建筑物适当部位设置隔震装置，切断或削弱地面运动向上部结构的传递，并提供适当的阻尼，从而使上部结构的地震作用大大降低，耗能能力加强。如叠层橡胶垫支座、高阻尼橡胶垫支座、滑移隔震支座和混合隔震装置等。9.1概述②结构自控(耗能减震）：通过在结构中优选耗能材料和耗能杆件，设置多道抗震防线达到耗能减震的目的。

常见的有：竖向通缝SW（剪力墙）、周边缝SW、双功能连梁、带抗震连梁的SW、顶层为刚性连梁的SW、偏交支撑、梁端设塑性铰的框架、悬挂式结构、底层设耗能缝的砖混结构。9.1概述③结构附加装置控制：在结构的适当位置安放耗能减震装置，以达到耗能减震的目的。

主要有：各种耗能支撑、预应力摩擦墙、金属阻尼器、摩擦阻尼器、调频质量阻尼器（TMD）、调频液体阻尼器（TLD）、粘滞流体阻尼器和粘弹性阻尼器等等。9.1概述（2）主动控制（ActiveControl）指有外加能源的控制，其控制力是按最优控制的规律，由外加能源驱动控制装置主动施加的。其工作原理为：9.1概述

常见的类型有：主动调频质量阻尼器(ActiveTunedMassDamper,

简称AMD)；主动支撑系统（ActiveBrace）；主动拉索控制器（ActiveTendon）；主动空气挡风板控制器（ActiveAerodynamicAppendayes）等。9.1概述（3）混合控控制（HybridControl）混合控制制是将主动控制制与被动控制制同时施加加在同一一结构上上的结构构振动控控制形式式。9.1概述组合方式式：一种是主主从组合合方式，即以某某一控制制为主控控制部件件，其他他部件通通过主要要部件实实现对结结构的控控制。另一种是是并列组组合方式式，即两种种控制各各自独立立工作，，对结构构实施校校正作用用。目前，较较为典型型的几种种混合控控制装置置有：AMD与TMD相组合、、AMD与TLD相组合、、主动控制制与基础础隔震相相组合、、主动控制制与耗能能减震相相组合、、HMS（液压－－质量振振动控制制系统)与AMD相组合等等。9.1概述（4）半主动动控制（（Semi-activeControl）以参数控控制为主主，只需需少量能能源即可可实现其其控制过过程。主要类型型有：半主动变变刚度装装置，半半主动变变阻尼装装置，半半主动耗耗能装置置，半主主动TMD，半主动动TLD，变摩擦擦阻尼，，磁流变变阻尼器器，可控控流体阻阻尼器和和可控摩摩擦隔震震支撑等等。9.1概述结构耗能能减震建建筑的特特点：1.耗能减震震装置可可同时减减少结构构的水平平和竖向向的地震震作用，，适用范范围较广广，结构构类型和和高度均均不受限限制；2.耗能减震震装置应应使结构构具有足足够的附附加阻尼尼，以满满足罕遇遇地震下下预期的的结构位位移要求求；3.由于耗能能减震结结构不改改变结构构的基本本型式，，除耗能能部件和和相关部部件外，，结构设设计仍可可按照《规范》对相应结结构类型型的要求求执行。。9.1概述耗能减震震技术的的优越性性：1.安全性：：耗能构件件或耗能能装置在在强震中中能率先先消耗的的地震能能量，迅迅速衰减减结构的的地震反反应并保保护主体体结构和和构件免免遭破坏坏，确保保结构的的安全。。耗能减震震结构的的地震反反应比传传统结构构降低40%——60%。2.经济性：：耗能减震震结构可可以减少少剪力墙墙的设置置，减少少结构断断面和配配筋，可可节约造造价5%—10%。若用于于旧建筑筑物的抗抗震加固固，则可可节约造造价10%——60%。3.技术合理理性：结构越高高、越柔柔，耗能能减震效效果越显显著。9.2结构隔震震设计结构隔震震主要有有基底隔震震和悬挂隔震震两种。9.2.1结构隔震震原理在结构物物底部与与基础顶面之间间设置隔隔震消能装置，，使之与与固结于地基中中的基础础顶面分开，限限制地震震动向结构物传传递。9.2.1结构隔震震原理9.2.1结构隔震震原理为达到明显减减震效果，通通常基础隔震系统统需具备以下下四种特性：：(1)承载特性：具有足够的的竖向强度和和刚度以支撑撑上部结构的的重量；(2)隔震特性：具有足够的水水平初始刚度度，在风载和和小震作用下下，体系能保保持在弹性范范围内，满足足正常使用的的要求，而中中强地震时，，其水平刚度度较小，结构构为柔性隔震震结构体系；；(3)复位特性：地震后，上部部结构能回复复到初始状态态，满足正常常的使用要求求。9.2.1结构隔震原理理(4)耗能特性：隔震系统本身身具有较大的的阻尼，地震震时能耗散足足够的能量，，从而降低上上部结构所吸吸收的地震能能量。基底隔震的适适用范围：高度不超过40m，以剪切变形形为主且质量量和刚度沿高高度分布比较较均匀的多层层和中高层结结构。9.2.2隔震系统的组组成与类型（1）隔震系统的的组成隔震装置由隔震器、阻尼尼器和复位装装置组成。隔震器的作用用：支承上部结结构全部质量量，延长结构构自振周期，，同时具有经经历较大变形形的能力。阻尼器的作用用：消耗地震能量量，抑制结构构可能发生的的过大位移，，同时在地震震终了时帮助助隔震器迅速速复位。复位装置的作作用：提高隔震系统统早期刚度，，使结构在微微震或风载作作用下，能够够具有和普通通结构相同的的安全性。9.2.2隔震系统的组组成与类型常用的隔震器器：叠层橡胶支座座、螺旋弹簧簧支座、摩擦擦滑移支座等等。常用的阻尼器器：弹塑性阻尼器器、粘弹性阻阻尼器、粘滞滞阻尼器、摩摩擦阻尼器等等。常用的隔震系系统：叠层橡胶支座座隔震系统、、摩擦滑移加加阻尼器隔震震系统、摩擦擦滑移摆隔震震系统。目前应用最广广泛的隔震装装置为叠层橡胶支座座隔震系统。。9.2.2隔震系统的组组成与类型（2）叠层橡胶支支座的构造与与性能叠层橡胶支座座一般由薄橡胶板与薄钢板分层交替叠合合，经高温高高压硫化粘结结而成。具有很大的竖竖向承载力和和竖向刚度(竖向荷载作用用下，橡胶板板的横向变形形受到刚板的的约束，处于于三向压力状状态）。水平刚度较小小，水平变形形能力大（水平刚度一一般为竖向刚刚度的1%，具有明显的的非线性特性性）。小变形时，其其水平刚度能能保证建筑物物在风载下的的使用功能；；大变形时橡橡胶剪切刚度度下降较多，，约为初始刚刚度的20%，可以大幅度度降低结构振振动频率，减减小地震反应应。9.2.2隔震系统的组组成与类型叠层隔震橡胶支座座包括天然夹层橡胶胶支座、铅芯橡胶支座座，高阻尼橡胶支支座等。天然夹层隔震震橡胶支座特点：：高弹弹性、、低阻阻尼。。竖向刚刚度较较大，，承受受建筑筑物的的重量量时竖竖向变变形小小。水平刚刚度较较小，，且线线性性性能好好。阻尼很很小，，不具具备足足够的的耗能能能力力。在结构构使用用中一一般同同其它它阻尼尼器或或耗能能设备备联合合使用用。9.2.2隔震系系统的的组成成与类类型铅芯叠叠层橡橡胶支支座铅芯芯隔隔震震橡橡胶胶支支座座是是在在叠叠层层橡橡胶胶支支座座的的圆圆形形孔孔中中压压入入铅铅而而成成。。铅芯芯的的作作用用：：提提高高支支座座的的吸吸能能能能力力；；确保保支支座座有有适适度度的的阻阻尼尼；；增加加支支座座的的初初始始刚刚度度；；控制制风风反反应应和和抵抵抗抗微微震震的的作作用用。。铅芯芯橡橡胶胶支支座座不不但但具具有有较较理理想想的的竖竖向向刚刚度度，，而而且且本本身身具具有有消消耗耗地地震震能能量量的的能能力力，，可可单单独独使使用用，，故故铅铅芯芯橡橡胶胶支支座座在在结结构构使使用用中中受受到到广广泛泛欢欢迎迎。。9.2.2隔震震系系统统的的组组成成与与类类型型高阻阻尼尼叠叠层层橡橡胶胶支支座座采用用了了高高阻阻尼尼橡橡胶胶，，同同时时兼兼有有隔隔震震器器和和阻阻尼尼器器的的作作用用，，目目前前在在我我国国尚尚无无使使用用。。铅芯芯叠叠层层橡橡胶胶支支座座9.2.3隔震震系系统统的的应应用用下图图分分别别是是世世界界上上第第一一栋栋采采用用铅芯橡胶胶支座隔隔震的建筑(TheWilliamClaytonBuilding,NewZealand)和世界上上使用铅铅芯橡胶胶支座中中基底面面积最大大的建筑筑(日本)。9.2.3隔震系统统的应用用日本1997年度评定定的隔震震建筑中中，采用用铅芯橡橡胶支座座隔震房房屋占总总数的40%；美国在1985年以后兴兴建的隔隔震房屋屋中，完完全或部部分采用用铅芯橡橡胶支座座的隔震震房屋占占总数的的60.7%；我国在已已建成的的隔震房房屋中，，完全或或部分采采用铅芯芯橡胶支支座的隔隔震房屋屋占总数数的60%。1994年9月16日，台湾湾海峡发发生了7.3级地震，，震源距距离汕头头市约200公里，汕汕头市烈烈度为6度，各类类房屋摇摇晃厉害害，居民民惊惶失失措，水桶里的的水溅出出了1/3左右……而陵海路路隔震楼楼上的人人并没有有感到晃晃动，听听到毗邻邻楼房和和邻街喧喧闹声后后下楼才才知道发发生了地地震。9.2.3隔震系统统的应用用1994年1月17日，美国圣圣菲尔南多多发生洛杉杉矶地震，，震级M=6.7，死亡56人，伤7300人，损失很很大。震中中附近有两两座医院，，一座为隔震结构，，另一座为抗震结构。。中南加州大大学医院（（隔震结构构）橄榄景医院院（抗震结结构）9.2.3隔震系统的的应用中南加州大大学医院是是橡胶支座座隔震系统。地下下一层，地地上7层，建筑面积：33000平方米；最最高高度：：36.0m；铅芯多层橡橡胶隔震器器68个，多层橡胶隔隔震器81个。地震时，这这栋八层医医院基础加加速度为0.49g，而顶层加加速度只有有0.21g,加速度折减减系数为1.8。在这次地震震及其其后后的余震中中，建筑物物内的各种种机器均未损坏，医医院功能得得到维持，，成为防灾灾中心，起起到十分重要的作用用。9.2.3隔震系统的的应用橄榄景医院院为抗震结结构，其底层加速度度为0.82g，而顶层加加速度为2.31g,加速度放大大系数为2.8。在此次地震震中，剪力力墙产生剪剪切裂缝，设设备机器、、医疗机械械及家具等翻倒倒，病历等等资料掉下下、散乱。而且且水管破裂裂，各层浸浸水，建筑物不能能使用，完完全丧失了了医院的功功能。10年后重建，，并增加了了抗震强度度。9.3耗能减震结结构设计9.3.1结构耗能减减震体系的的分类结构耗能减震震体系由主体结构和耗耗能部件（耗能装置和和连接件）组组成，可以按按照耗能部件件的不同“构构件型式”分分为以下类型型：（1）耗能支撑可以代替一般般的结构支撑撑，在抗震和和抗风中发挥挥支撑的水平平刚度和耗能能减震作用。。耗能装置可以以做成方框支撑、圆圆框支撑、交交叉支撑、斜斜杆支撑、K型支撑等9.3.1结构耗能减震震体系的分类类耗能支撑9.3.1结构耗能减震震体系的分类类9.3.1结构耗能减震震体系的分类类（2）耗能剪力墙墙可以代替一般般结构的剪力力墙，在抗震震和抗风中发发挥支撑的水水平刚度和耗耗能减震作用用。耗能剪力墙的的形式主要有：9.3.1结构耗能减震震体系的分类类（3）耗能节点在结构的梁柱柱节点或梁节节点处安装耗耗能装置。当结构构产生生侧向向位移移、在在节点点处产产生角角度变变化或或者转转动式式错动动时，，耗能能装置置即可可以发发挥耗耗能减减震作作用。。9.3.1结构耗耗能减减震体体系的的分类类（4）耗能能联接接：在结构构的缝缝隙处处或结结构构构件之之间的的联结结处设设置耗耗能装装置。。当结结构在在缝隙隙或联联结处处产生生相对对变形形时，，耗能能装置置即可可以发发挥耗耗能减减震作作用9.3.1结构耗耗能减减震体体系的的分类类（5）耗能能支承承或悬悬吊构构件对于某某些线线结构构（如如管道道、线线路，，桥梁梁的悬悬索、、斜拉拉索的的连接接处等等），，设置置各种种支承承或者者悬吊吊耗能能装置置，当当线结结构发发生振振（震震）动动时，，支支承或或者悬悬吊构构件即即发生生耗能能减震震作用用。9.3.1结构耗耗能减减震体体系的的分类类目前最最常见见的耗耗能器器为粘滞（（流体体）阻阻尼器器和粘弹性性阻尼尼器。。粘滞（（流体体）阻阻尼器器粘弹性阻阻尼器9.3.1结构耗能能减震体体系的分分类粘滞（流流体）阻阻尼器—由缸体、、活塞、和和液体构构成，活活塞在缸缸体内往往复运动动，粘滞滞液体从从一端流流向另一一端产生生阻尼力力，阻碍碍结构的的振动。。9.3.1结构耗能能减震体体系的分分类阻尼器的的试验装装置9.3.1结构耗能能减震体体系的分分类粘弹性耗耗能器通常由钢钢板和固固体粘弹弹性材料料交替叠叠合而成成，通过过粘弹性性材料的的往复剪剪切变形形来耗散散能量。。9.3.1结构耗能能减震体体系的分分类调频质量量阻尼装装置——由质量、弹弹性元件件和阻尼尼器构成成的振动动系统，，将其安安装在结结构上，，结构振振动时引引起该系系统的共共振，由由此产生生的惯性性力反作作用于结结构，起起到减小小结构振振动反应应的作用用。调频液体体阻尼装装置——由具有一一定形状状的盛液液容器构构成，液液体晃动动时，液液体对容容器箱壁壁产生动动压力，，同时液液体晃动动产生阻阻尼吸收收一部分分能量。。9.3.1结构耗能能减震体体系的分分类液压质量量控制装装置——由液压缸缸、活塞、管管路和质质量块构构成，当当结构由由地面运运动产生生振动时时，油缸缸的活塞塞推动管管路中的的液体，，使液体体和质量量随之振振动。结结构的一一部分振振动能量量传递给给了该系系统。摩擦耗能能装置——由摩擦元元件构成，这这些元件件相互滑滑动产生生摩擦力力，从而而耗散结结构的部部分振动动能量。。金属耗能能装置——由金属材材料制成成的耗能能装置，其耗能能机理是是通过金金属元件件的弹塑塑性变形形来耗能能。9.3.2结构耗能能减震设设计的应应用西安长庆庆石油勘勘探局科科研楼主主体为一一个29层的钢筋筋混凝土土结构，，高度为为105.5米。顶部微波波发射塔高44.5米，其中桅杆杆高17.5米。微波发射塔塔塔身为一个四四边形空间桁桁架体系，宽宽度为2米。塔柱为Φ140X6钢管，横杆为为Φ83X4.5钢管，斜腹杆杆为Φ95X5钢管。桅杆为为Φ400X16钢管。微波发发射塔与主体体采用铰接连连接。考虑到微波发发射塔在大风风和强震作用用下的动力响响应较大，故故本工程采用用粘滞流体阻阻尼器对该塔塔进行振动控控制以减小其其动力响应，，并满足使用用要求。9.3.2结构耗能减震震设计的应用用该工程在微波波发射塔标高高129.5m和121.5m之间斜向设置置了12个阻尼器；在111.5m平面水平设置置了8个阻尼器。设置了粘滞流流体阻尼器之之后，在风荷载作用下下，塔顶点最最大位移（相对于主楼楼顶部）下降降了53.5%，在地震作用下下，塔顶点最最大位移（相对于主楼楼顶部）降了了62.5%。9.3.2结构耗能减震震设计的应用用1972年建成的110层纽约世贸大大厦共安装了了1万个粘弹性耗耗能装置；西雅图76层哥伦比亚大大厦安装了260个粘弹性耗能能装置；1988年北京饭店和和北京火车站站在抗震加固固中，分别采采用了法国和和美国生产的的粘弹性耗能能装置。本章重点1.结构控制的类别和控制制原理。2.隔震结构的地地震反应。3.工程结构的耗能减震装置置。9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。1月-231月-23Thursday,January5,202310、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。02:46:1402:46:1402:461/5/20232:46:14AM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。1月-2302:46:1402:46Jan-2305-Jan-2312、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。02:46:1402:46:1402:46Thursday,January5,202313、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。1月-231月-2302:46:1402:46:14January5,202314、他乡生白发发，旧国见青青山。。05一月20232:46:14上午02:46:141月-2315、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。一月月232:46上上午午1月月-2302:46January5,202316、行动出出成果，，工作出出财富。。。2023/1/52:46:1402:46:1405January202317、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。2:46:14上午午2:46上午午02:46:141月-239、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。1月-231月-23Thursday,January5,202310、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。02:46:1402:46:1402:461/5/20232:46:14AM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。1月-2302:46:1402:46Jan-2305-Jan-2312、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。02:46:1402:46:1402:46Thursday,January5,202313、不知香积积寺，数里里入云峰。。。1月-231月-2302:46:1402:46:14January5,202314、意志坚强的的人能把世界界放在手中像像泥块一样任任意