建筑结构基础隔震设计和消能减震设计

24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：了解结构消能减震的概念、方法、手段、优越性和应用范围；了解结构消能减震的设计参数确定和计算要点；了解粘弹性阻尼器和粘滞性阻尼器的减振机理；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》（GB50011－2001）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: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。

结构控制就是通过调整结构的自振频率ω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：

传统抗震结构消能减震结构式中，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。

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

粘弹性阻尼器粘滞流体阻尼器粘滞阻尼墙粘弹性阻尼墙(2)位移相关型

金属屈服型阻尼器摩擦阻尼器

(3)其它类型

调频质量阻尼器调频液体阻尼器

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（五）结构消消能减震建筑筑的特点1.消能减震装置置可同时减少少结构的水平平和竖向地震震作用，适用范围较广广，结构类型和和高度均不受受限制；2.消能减震装置置应使结构具具有足够的附加阻阻尼，以满足罕遇遇地震下预期期的结构位移移要求；3.由于消能减震震结构不改变变结构的基本本型式（但是是可减小梁、、柱断面尺寸寸和配筋，减减少剪力墙的的设置），除消能部件和和相关部件外外，结构设计仍可可按照《抗震规范》对相应结构类类型的要求进进行。建筑结构消能能减震设计4.2(六)结构消能减震震技术的优越越性1.安全性消能器在强震震中能率先消消耗地震能量量，迅速衰减减结构的地震震反应并保护护主体结构和和构件免遭破破坏。2.经济性消能减震结构构是通过“柔柔性消能”的的途径减少结结构的地震反反应，因而可可以减少剪力力墙的设置，，减少结构断断面和配筋，，并提高结构构的抗震性能能。3.技术合理性结构越高、越越柔，消能减减振效果越显显著。建筑结构消能能减震设计4.2（七）结构消消能减震技术术的应用消能减震技术术适用于结构构的地震和风风振控制，结构的层数越越多、高度越越高、跨度越越大、变形越越大、场地的烈度越越高，消能减减震效果越明明显。广泛应用于：：高层建筑，超超高层建筑；；高柔结构，高高耸塔架；大跨度桥梁；；柔性管道、管管线（生命线线工程）；旧有高柔建筑筑或结构物的的抗震（抗风风）加固改造造。建筑结构消能能减震设计4.2二、结构消能能减震设计(一)结构消能减震震设计的一般般规定1.消能减震装置置的设置要求求（1）应对结构提提供足够的附附加阻尼，并并应沿结构两两个主轴方向向均有附加阻阻尼或刚度；；（2）宜设在层间间变形较大的的部位，以便便更好地发挥挥消能作用，，计算确定位位置和数量，，并有利于提提高整个结构构的消能减震震能力，形成成均匀合理的的受力体系；；（3）应采用便于于检查和替换换的措施；（4）消能器与斜斜撑、墙体、、节点等支承承构件的连接接，应符合钢钢构件连接或或钢与钢筋砼砼构件连接的的要求，并能能承担消能器器施加给连接接节点的最大大作用力；建筑结构消能能减震设计4.2（5）与消能部件件相连的结构构构件，应计计入消能部件件传递的附加内力力并将其传给给基础；（6）消能器和连连接构件在长长期使用过程程中需要检查查和维护，其安装装位置应便于于维护人员接接近和操作，，即应具有较好好的易维护性性；（7）消能器和连连接构件应具具有耐久性能能；（8）设计文件上上应注明消能能减震装置的的性能要求；；（9）消能减震部部件的性能参参数应严格检检查，安装前前应对消能器进行行抽样检测，，每种类型和和每一规格的的数量不应少于于3个，抽样检测测的合格率应应为100%。建筑结构消能能减震设计4.22.结构消能减震震设计设防目目标抗震设防目标标应高于（传传统）抗震设设计的抗震设设防目标。采用消消能减震设计计，还不能完完全做到在设设防烈度下,上部结构不受受损坏或主体体结构处于弹弹性工作阶段段的要求，但是与与非消能减震震（及非隔震震）建筑相比比，应有所提高。3.消能减震结构构设计涉及的的主要问题消能减震装置置的设计、选选择、布置及及数量；消能减震装置置附加给结构构的阻尼比的的估算；消能减震结构构体系在罕遇遇地震下的位位移计算；消能部件与主主体结构的联联结构造。建筑结构消能能减震设计4.2(二)消能减震设计计的计算分析析参数1.消能部件附加加给结构的有有效阻尼比①消能部件附附加给结构的的有效阻尼比比ζa——消能结构的附附加有效阻尼尼比；Wc——所有消能部件件在结构预期期位移下往复复一周所消耗耗的能量；Ws——设置消能部件件的结构在预预期位移下的的总应变能。。②不计及扭转转影响时，消消能减震结构构在其水平地地震作用下的的总应变能式中，Fi——质点i的水平地震作作用标准值；；ui——质点i对应于水平地地震作用标准准值的位移。。建筑结构消能能减震设计4.2③速度线性相关关型消能器水水平地震作用用下所消耗的的能量式中，T1——消能减震结构构的基本自振振周期；Cj——第j个结构由试验验确定的线形形阻尼系数；；——第j个消能器的消消能方向与水水平面的夹角角；△uj——第j个消能器两端端的相对水平平位移。④位移相关型型、速度非线线性相关型和和其他类型消消能器水平地震作用用下所消耗的的能量式中，Aj——第j个消能器的恢恢复力滞回环环在相对水平平位移△uj时的面积。⑤消能部件附附加给结构的的有效阻尼比比宜不超过20%建筑结构消能能减震设计4.22.消能部件由试试验确定的有有效刚度、阻阻尼比和恢复复力模型的设设计参数①速度相关型型阻尼器由试验提供设计容许位移移、极限位移移，以及在设设计容许位移移幅值和不同同环境温度下下、加载频率率为0.1～4Hz的滞回模型。。速度相关型消消能器与斜撑撑、墙体或梁梁等支承构件件组成消能部部件时，该部部件在消能器消能方方向的刚度:式中,Kb——消能部件在消消能器方向的的刚度；CV——消能器由试验验确定的相应应于结构基本本自振周期的的线性阻尼数数；T1——消能减震结构的基基本自振周期。建筑结构消能减震震设计4.2②位移相关型阻尼器器应由试验确定设计计容许位移、极限限位移和恢复力模模型参数。位移相关型消能器器与斜撑、墙体或或梁等支承构件组组成消能部件时，，该部件的恢复力力模型参数宜符合合：式中,Kp—消能部件在水平方方向的初始刚度；；Ks—设置消能部件的结结构楼层侧向刚度度；△upy—消能部件的屈服位位移；△usy—设置消能部件的结结构层间屈服位移移。③在最大容许位移幅幅值下，按应允许许的往复周期循环环60圈后，消能器的主主要性能衰减量不不应超过10%、且不应由明显的的低周疲劳现象。。建筑结构消能减震震设计4.2(三)消能减震设计的计计算要点（1）由于加上消能部部件后不改变结构构基本型式，除消能部件和相关关部件外，结构设计（包括抗抗震构造）仍可按按抗规对相应结构构类型的要求进行行。（2）一般情况下，计计算消能减震结构构宜采用静力非线线性（弹塑性）分分析方法或者非线性（弹塑塑性）动力时程分分析方法。对非线性动力时程程分析法，宜采用用消能部件的恢复复力模型计算；对静力非线性分析析法，可采用消能能部件附加给结构构的有效阻尼比和和效刚度计算。。（3）当主体结构基本本处于弹性工作阶阶段时，可采用线线性分析方法作简简化估算，并根据结构的的变形特征和高度度等，按抗震规范范规定分别采用底底部剪力法、振型分解反反应谱法和时程分分析法。其地震影响系数可可根据消能减震结构的总阻尼比比按抗震规范规定定的地震影响系数数曲线采用。（4）消能减震结构的总总刚度：结构刚度和消能部部件有效刚度的总总和。（5）消能减震结构的总总阻尼比：结构阻尼比和消能能部件附加给结构构的有效阻尼比的总和。建筑结构消能减震震设计4.2(四)消能减震结构设计计1.两阶段设计方法多遇地震作用下的的弹性阶段验算，，进行承载力计算算和弹性变形验算算；罕遇地震作用下的的变形验算。2.速度相关型消能器器（粘滞消能器和黏弹弹性阻尼器）力与速度和位移的的关系：式中，Fd——为消能器提供的阻阻尼力；cd，kd——分别是消能器的阻阻尼系数和刚度；；X，——分别是消能器的相相对位移和相对速速度。建筑结构消能减震震设计4.2(1)粘滞消能器图粘滞消能器构构造对于粘滞消能器，，Cd是消能器的粘滞阻阻尼系数，与阻尼尼材料、温度、消消能器构造、阻尼尼孔大小等因素有有关，由产品型号号给定或试验测定定；Kd等于0。图粘滞消能器产产品建筑结构消能减震震设计4.2(2)黏弹性阻尼器——分别是粘弹性材料料的损耗因子和剪剪切模量，一般与与频率和温度有关关，由粘弹性材料特性性曲线确定；A,δ——分别是粘弹性材料料的受剪面积和厚厚度；ω——结构的振动频率，，对于多自由度结结构，取弹性振动动的固有频率。图黏弹性阻尼器器构造图黏弹性阻尼器器产品建筑结构消能减震震设计4.23.振型分解反应谱法法消能减震结构在地地震作用下弹性振振动的动力方程可可以表示为：由消能减震结构的的质量阵Ms和总刚度阵（Ks+Kd）可求得其频率向向量和振型矩阵：：原结构的阻尼矩阵阵Cs通常假定是正交的的，即消能器附加给结构构的阻尼矩阵Cd需要进行强行解耦耦，即作为近似处处理，忽略Cd的非正交项，则有：此时，可对动力方方程进行求解，这这种方法成为强行解耦法。建筑结构消能减震震设计4.24.时程分析法考虑每一时间的增增量变化，采用分