建筑结构减隔震及结构控制技术的现状和发展趋势_第1页
建筑结构减隔震及结构控制技术的现状和发展趋势_第2页
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文档简介

一、传统的抗震方法地震是由于于地面的运动动,使地面上上原来处于静静止的建筑物物受到动力作作用而产生强强迫振动,因因而在结构中中产生内力、变变形和位移。经经过简化后模模型的动力学学分析,即一一次次的震害害分析进行修修正、补充,得得到一些建筑筑物在地震作作用下的反应应机理及破坏坏形式,提出出了一些建筑筑物抗争的计计算方法及设设计的基本原原则。这些在在实际应用中中得到了很不不错的效果。1、概念设计的的一些原则1)总体屈服机机制。例如强强柱弱梁。2)刚度与延延性均衡。砌砌体结构中为为提高延性设设构造柱与圈圈梁,形成一一个较弱的框框架。3)强度均匀匀。结构在平平面和立面上上的承载力均均匀。4)多道抗震震防线。5)强节点设设计。6)避开场地地卓越周期区区。2、在此基础上上作结构地震震反应分析,其其分析方法主主要有:①地震荷载法法;②振型分解法法;③动力时程分分析法。现在在还发展了push--over法、能力谱谱等方法。抗抗震设防目标标也从单一的的、基于生命命安全的性态态标准发展到到基于各种性性态,强调“个性”设计的设计计理念。3、传统抗震方方法的缺点与与不足传统抗震结结构主要利用用主体结构构构件屈服后的的塑性变形能能和滞回耗能能来耗散地震震能量,这使使得这些区域域的耗能性能能变得特别重重要,而一旦旦由于某些因因素导致这些些区域产生问问题,将严重重影响到结构构的抗震性能能,产生严重重破坏,由于于破坏部位位位于主要结构构构件,其修修复是很难进进行的。由于传统抗抗震结构是以以防止结构倒倒塌为目标,其其抗震性能在在很大程度上上依赖于结构构(构件)的的延性,以往往的许多研究究也注重于提提高结构(构构件)的延性性方面,却忽忽略了对结构构损伤程度的的控制。4、传统的抗震震方法在提高高结构性能方方面有较多困困难。传统抗震结结构的耗能能能力主要依赖赖于主体结构构的延性。既既要求主体结结构强度高,又又要求延性好好,很难实现现。1)框架结构许多研究究者推荐强柱柱弱梁体系作作为最合适的的抗震框架体体系。该体系系可将地震输输入能量分散散在结构的许许多部位耗散散掉,甚至可可以控制塑性性铰出现的顺顺序与部位,延延性对于使建建筑物在罕遇遇地震中保存存下来固然很很重要,但这这些预期的塑塑性铰区在中中等程度的地地震中也会产产生,延性也也同时应被看看作是一种“破坏”。后期修复复费用也很高高。2)剪力墙结构构剪力墙墙结构体系具具有抗侧刚度度大,在水平平地震作用下下的侧移小,其其总的水平地地震作用也大大等特点,常常见的震害一一般来说为墙墙面的斜向裂裂缝或是底部部楼层的水平平施工缝发生生水平错动,当当底部屈服后后,剪力墙的的抗侧作用就就很小,且剪剪力墙的耗能能也基本集中中与底部塑性性铰区域,上上部墙体对抵抵御强震无显显著作用。而而且剪力墙要要承担一定的的竖向荷载,因因此底部的破破坏也十分难难修复。3)框架-剪力力墙结构从抗震概念念设计来说,框框架-剪力墙结构构具有了多道道抗震防线。有有框架和墙体体组成的抗震震结构中,框框架的刚度小小,承担的地地震作用力小小,而弹性极极限变形值和和延性却较小小。整个结构构在地震作用用下,墙体很很快超过自身身的较小弹性性极限变形,出出现裂缝,水水平承载力下下降,此时框框架尚未充分分发挥自身的的水平抗力;;墙体开裂后后,框架承担担的地震力增增大,同时由由于结构刚度度的变化,地地震作用效应应也发生了变变化。但无论论是剪力墙还还是框架,都都是主体结构构的一部分,损损伤坏后的修修复工作都是是比较困难的的,而且花费费也不小。二、减振、隔震震和振动控制制的现状鉴于上述传传统抗震方法法的缺点与不不足,并在全全部了解地震震引起结构震震动的全过程程。由震源产产生地震动,通通过传播途径径传递到结构构上,从而引引起结构的震震动反应。通通过在不同阶阶段采取震动动方法控制措措施,就成为为不同的积极极抗震方法。大大致包括以下下四点:①震源→消震消消震是通过减减弱震源震动动强度达到减减小结构震动动的方法,由由于地震源难难以确定,且且其规模宏大大,目前还没没有有效可行行的措施将震震源强度减弱弱到预定的水水平。②传播途径→隔震隔隔震是通过某某种装置将地地震与结构隔隔开,其作用用是减弱和改改变地震动时时结构作用的的强度和方式式,以此达到到减少结构震震动的目的。隔隔震方法主要要有基底隔震震和悬挂隔震震两种。③结构→被动减震被动减震震是通过采取取一定的措施施或附加子结结构吸收和消消耗地震传递递给主结构的的能量,达到到减小结构震震动的目的。被被动减震方法法有耗能减震震,冲击减震震和吸震减震震。④反应→主动减震主动减震震是根据结构构的地震反应应,通过地震震系统地执行行机,主动给给结构施加控控制力,达到到减小结构震震动的目的。结构隔震震、减震方法法的研究和应应用开始于60年代,70年代以来发发展速度很快快。这种积极极的结构抗震震方法与传统统的消极抗震震方法相比,有有以下优点::①能大大减小小结构所收得得的地震作用用,从而可减减低结构造价价,提高结构构抗争的可靠靠度。此外,隔隔震方法能够够较准确地控控制传到结构构上的最大地地震力,从而而克服了设计计结构构件时时难以准确确确定载荷的困困难。②能大大减小小结构在地震震作用下的变变形,保证非非结构构件不不受地震破坏坏,从而减少少震后维修费费用,对于典典型的现代化化建筑,非结结构构件(如如玻璃幕墙,饰饰面,公用设设施等)的造造价甚至占整整个房屋总造造价的80%以上。③隔震、减震震装置即使震震后产生较大大的永久变形形或损坏,其其复位、更换换、维修结构构构件方便、经经济。④用于高技术术精密加工设设备、核工业业设备等的结结构物,只能能用隔震、减减震的方法满满足严格的抗抗震要求。(一)、隔震1、基地隔震1)夹层橡胶垫垫隔震装置用于隔震震装置的橡胶胶垫块,可用用天然橡胶,也也可用人工合合成橡胶(氯氯丁胶)。为为提高垫块的的垂直承载力力和竖向刚度度,橡胶垫块块一般由橡胶胶片与薄铜板板叠合而成。2)铅芯橡胶支支座这样样就使支座具具有足够的初初始刚度,在在风荷来和制制动力等常见见载荷作用下下保持具有足足够的刚度,以以满足正常使使用要求,但但强地震发生生时,装置柔柔性滑动,体体系进入消能能状态。3)滚珠(或滚滚轴)隔震有自复位位能力的;有有加铜拉杆风风稳定装置;;横向油压千千斤顶位的。另另外,还有加加消能装置的的,消能装置置有软消能杆杆剪,铅挤压压消能器,油油阻尼器,光光阻尼器等。4)悬挂基础隔隔震5)摇摆支座隔隔震同原原理还有踏步步式隔震制作作,用于细高高的结构物,如如烟囟、桥墩墩、柜体筒体体建筑物等。6)滑动支座隔隔震上部部结构与基础础之间设置相相互滑动的滑滑板。风载、制制动力或小震震时,静摩擦擦力使结构固固结于基础上上;大震时;;结构水平滑滑动,减小地地震作用,并并以其摩擦阻阻尼消耗地震震能源。为控制滑板板间的摩擦力力,使之满足足隔震要求;;在滑板间可可以加设滑层层。目前常用用的滑层有::涂层滑层(聚聚氯乙烯)、粉粉粒滑层(铅铅粒、沙粒、滑滑石、石墨等等)。2、悬挂隔震悬挂隔震使使将结构的全全部或大部分分质量悬挂起起来,是地震震动传递不到到主体质量上上,产生较小小的惯性力,从从而起到隔震震作用。悬挂挂结构在桥梁梁、火电厂锅锅炉架等方面面有大量应用用。著名的43层香港汇丰丰银行新大楼楼采用的就是是悬挂结构。悬挂结构构悬杆受力较较大,须采用用高强钢,而而高强钢忍性性差,在竖向向地震作用时时易拉断。为为减小竖向地地震作用,可可在吊点设减减震弹簧,并并配合使用阻阻尼器。3、隔震应用的的注意事项::1)隔震实际上上会使原有结结构的固有周周期演唱,在在下列情况下下不宜采用隔隔震设计:①①基础土层不不稳定;②下部结构变变性大,原有有结构的固有有周期比较长长;③位于软弱场场地,延长周周期可能引起起共振;④制作中出现现负反力;2)隔震装置必必须具有足够够的初始刚度度,这样能满满足正常使用用要求。当强强震发生时,装装置柔性消震震,体系进入入消能状态。3)隔震装置能能使结构在基基础面上柔性性滑动,在地地震来时这样样必然会产生生很大的位移移。为减低结结构的位移反反应,隔震装装置应提供较较大的阻尼,具具有较大的消消能能力。4、隔震体系的的优点:1)明显有效地地减轻结构的的地震反应。从从振动台地震震模拟试验结结果及美国,日日本建造的隔隔整结构在地地震中的强震震记录得知,隔隔振体系的结结构加速度反反应只相当于于传统结构(基基础固定)加加速度反应的的1/3——1/10。这种减震震效果是一般般传统抗震结结构所望尘莫莫及的。从而而能非常有效效地保护结构构物或内部设设备在强地震震冲击下免遭遭任何毁坏。2)确保安全。在在地面剧烈震震动时,上部部结构仍能处处于正常的弹弹性工作状态态。这既适用用于一般民用用建筑结构,确确保居民在强强地震中的绝绝对安全,也也适用于某些些重要结构物物和重要设备备。3)减低房屋造造价。从汕头头,广州,西西昌等地建造造隔震房屋得得知,多层隔隔震房屋比传传统多层隔震震房屋节省房房屋土建造价价:7度区节省3——6%,8度区节省8——14%,9度区节省15——20%。并且安全全度大大提高高。4)抗震措施简简单明了。抗抗震涉及的对对象从考虑整整个结构物的的复杂的不明明确的抗震措措施转变为只只考虑隔震装装置,简单明明了。结构物物本身与一般般非地震区的的做法无疑,设设计施工大大大简化。5)震后修复方方便:地震后后,只对隔震震装置进行必必要的检查更更换。而无需需考虑建筑结结构物本身的的修复,地震震后可很快恢恢复正产生活活或生产,这这带来极明显显的社会效益益和经济效益益。(二)被动减震震1、耗能减震1)结构消能减减震体系的特特点:结结构消能减震震体系是把结结构的某些非非承重构件(如如支撑剪力墙墙等)设计成成消能杆剪,或或在结构物的的某些部位(节节点或连接)装装设阻尼器,在在风荷载轻微微地震时,这这些消能杆件件或阻尼器仍仍处于刚弹性性状态,结构构物仍具有足足够的侧向刚刚度以满足正正常使用要求求,在强地震震发生时,随随着结构受力力和变形的增增大,这些消消能杆件和阻阻尼器,率先先进入非弹性性变形状态,产产生较大阻尼尼,大连消耗耗输入结构的的地震能量,从从而使主体结结构避免进入入明显的非弹弹性状态并迅迅速衰减结构构的地震反应应,从而保护护主体结构在在强地震中免免遭损失。与与传统的结构构抗震体系相相比较,它有有如下的优越越性:①传统的结构构抗震体系是是把结构的主主要承重构件件(梁、柱、节节点)作为消消能构件,地地震中受损坏坏的是这些承承重构件,甚甚至导致房屋屋倒塌。而消消能减震体系系则是以非承承重构件作为为消能构件或或另设阻尼器器,他们的损损坏过程是保保护主体结构构的过程,所所以是安全可可靠的。②震后易于修修复或更换,是是建筑结构物物迅速恢复使使用。③可利用结构构的抗侧力构构件(支撑、剪剪力墙等)作作为消能杆件件,无需专设设。④有效地衰减减结构的地震震反应。由于上述的的优越性,消消能减震体系系被广泛用于于高层建筑的的抗震,高耸耸构筑物(塔塔、架等)的的抗震或抗风风,单层工业业厂房排架纵纵向抗震,管管线系统减震震保护等。2)结构消能减减震体系的设设计和工程应应用:消能减减震体系按其其消能装置的的不同,可分分为二类:①①消能构件减减震体系:利用结构构的非承重构构件作为消能能装置的结构构减震体系。常常用的消能构构件有:消能支撑::耗能交叉支支撑,摩擦耗耗能支撑,耗耗能偏心支撑撑,耗能隔撑撑。一般支撑撑杆件大都用用软钢制作,取取材容易,屈屈服点适当,延延性好,故有有较高的消能能减震性能。构构件大都采用用非弹性“弯曲”变形的消能能减震性能,具具有较高抵抗抗周疲劳破坏坏的能力。消能剪力力墙:竖缝消消能剪力强、横横缝消能剪力力墙、周边缝缝消能剪力墙墙等。其混凝凝土的接缝面面可以填充粘粘性材料能或或用钢筋联接接。强地震时时,出现非弹弹性的缝面错错动,产生阻阻尼,消耗地地震能量。②②阻尼器消能能减震体系::在结构的某某些部位(支支撑杆件、剪剪力墙与边框框联结处、梁梁柱节点处等等)装设阻尼尼器(软钢阻阻尼器、挤压压铅阻尼器、摩摩擦阻尼器、粘粘弹性阻尼器器等)。在强强地震时,结结构物这些部部位发生较大大变形,从而而使装设在该该部位的阻尼尼器有效的发发挥消能作用用。2.冲击减震冲击减震是是依靠附加活活动质量与结结构之间的非非完全弹性碰碰撞达到交换换动量和耗散散动能进而实实现减小结构构地震反应的的技术。实际应用时时,一般在结结构的某部位位(常在顶部部)悬挂摆锤锤。结构震动动时,摆锤撞撞击结构使结结构震动衰减减。另外,摆摆锤还兼有吸吸振器的功能能。3.吸振减震吸震减震是是通过附加子子结构,使结结构的震动发发生位移,即即使结构的振振动能量在原原结构与子结结构之间重新新分配,从而而达到减小结结构震动的目目的。目目前,工程结结构应用的吸吸震减震装置置主要有:调调谐质量阻尼尼器(简称TMD),调液(柱)阻阻尼器(简称称TLD或TLCD)悬吊质量量摆阻尼器(简简称SMPD)和质量放放大器。(三)主动控制制减震主动控制减震体体系是利用外外部能源,在在结构受地震震激励震动过过程中,瞬时时改变结构动动力特性和施施加控制力,以以衰减结构地地震反应的自自动控制体系系。主动动控制体系中中的控制器有有三部分组成成。①传感器。安安装在结构上上,测量结构构所受外部激激励或结构反反应或两者,将将测量的信息息传递给控制制器的处理器器。②处理器。处处理测得的信信息,根据给给定的控制算算法,计算所所需的控制力力,并将控制制信息传递给给控制器中的的致动器。③③致动器。根根据控制信息息,有外部供供给能源产生生所需的控制制力,从而减减小结构振动动反映。根据控制器器的工作方式式,主动控制制体系分三种种类型:①开环控制。根根据外部激励励信息调整控控制力。②闭环控制。根根据结构反应应信息调整控控制力。③开笔环控制制。根据外部部激励和结构构反应的综合合信息调整控控制力。主动控制是是振动控制的的现代方法,他他已广泛用于于电子工程,机机械工程,航航空航天工程程等领域,但但在土木工程程中应用该方方法进行结构构主动控制尚尚是一个新兴兴研究方向。结构震动动主动控制装装置①主动拉索。主主动拉索控制制系统由连接接在结构上的的预应力钢拉拉索构成,在在拉索上安装装一套液压伺伺服机系统。②主动调频质量阻尼器。是在TMD的基础上增加主动控制力而构成的减震器。③气体脉冲发生器。这是一种通过喷管释放高压气体产生脉冲动力,以减弱结构振动反应的装置。(四)半主动控控制和混合控控制1、半主动控制制半主动控制制兼有被动控控制和主动控控制的优点。它它具备主动控控制的效果又又只需很小的的电能通过调调节和改变结结构的性能减减小地震反应应,因此比较较适合于改善善工程结构的的抗震设防。1)变阻尼半主主动控制对变阻尼半半主动控制的的研究一度非非常活跃,其其目的在于寻寻找比定阻尼尼系统更好的的减震效果,但但事实上人们们早已知道,阻阻尼的减振效效果是有条件件的。但单自自由度体系基基座受到简谐谐运动激励时时,阻尼愈大大,结构和相相对运动(位位移、速度和和加速度)不不断减少;对对绝对运动则则不然,当干干扰频率与自自振频率的比比值时,增大大阻尼反而会会使绝对位移移、速度和加加速度反应增增大。在地震震作用下也可可能出现类似似的情况。这说明对对中、短周期期的结构,当当设计地震动动的主要周期期较短时,不不必要采用半半主动变阻尼尼系统。但是是对于长周期期结构,采用用半主动变阻阻尼控制方法法与采用上限限阻尼时相比比可以明显地地减小绝对加加速度反应,对对相对反应也也无不利影响响。看来只有有当需要同时时减小长周期期结构的相对对位移反应和和绝对加速度度反应时才有有必要采用变变阻尼半主动动控制。常见的变阻阻尼半主动控控制有变孔径径油阻尼器、电电流变阻尼器器、磁流变阻阻尼器、变摩摩擦可控阻尼尼器、调谐质质量可控阻尼尼器。2)

变刚度度半主动控制制系统(AVS)日本本鹿岛公司在在他们的大型型振动台控制制楼上采用了了AVS系统以减小小中震和大震震中的反应。在在此系统中,应应用液压元件件改变刚性支支撑和大梁的的连接条件,随随时调节层间间刚度,避免免共振。变刚度和变变阻尼系统应应属于变结构构控制的范畴畴,其理论基基础在自动控控制领域中已已有深入地研研究。在变刚刚度半制动控控制系统中结结构的层间水水平刚度可以以在其最大值值和最小值之之间跳跃或随随意调节。当当强震地面运运动的主要频频率不在被控控结构自振频频率的可能的的变化范围以以内时,对系系统将产生什什么样的影响响则是值得研研究的问题。2、混合控制将主动控制制与被动控制制结合起来应应用或采用其其它复合控制制方式通常称称为混合控制制,其最常用用的形式是用用作动器拖动动调谐质量阻阻尼器(HMS)。主主动控制、半半主动控制和和混合控制由由于都需要实实时观测结构构反应并进行行实时分析和和反馈控制,系系统极为复杂杂,在推广应应用方面受制制于经济和技技术条件。相相比之下以增增加结构阻尼尼、避免共振振的被动控制制技术则更适适合在众多的的实际工程中中应用。三、今后的发展展趋势传统的依赖赖结构延性的的抗震措施是是以一定的损损伤为代价减减小地震反应应,应用见证证效能技术则则可以减小结结构本身的损损伤,对各类类结构基本上上能使用,其其减震效果对对地面运动特特性依赖性较较小,耗资也也不是很大,因因此是可以广广泛使用的方方法。值得注注意的是增大大阻尼在减小

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