隔震减震与结构控制二

第十一章:隔震减震与结构控制

第十一章:隔震减震与结构控制

11.1概述11.2隔震的原理与方法11.3减震的原理与方法11.4结构主动控制初步

11.1概述

产生传递引起震源

地震波建筑物所在场地结构的地震反应

结构抗震设计思想的演化与发展

地震位移反应地震剪力小大小大地震内力

结构抗震设计思想的演化与发展

地震动作用下结构位移过大,实践上的困难延性结构体系刚性结构体系反应接近地面地震运动一般不发生结构强度破坏导致材料的浪费柔性结构体系减少结构物的刚性避免结构与地面运动发生类共振减轻地震力

结构抗震设计思想的演化与发展

“延性结构体系”基本要求实现延性结构体系设计是工程师所追求的抗震基本目标适当控制结构物的刚度与强度结构构件进入非弹性状态后仍具有较大的延性通过塑性变形消耗地震能量“坏而不倒”

结构抗震设计思想的演化与发展

当地基本烈度地震建筑物可能进入非弹性破坏状态装修与内部设备破坏延性结构体系的结构被动抵御地震作用作用导致巨大经济损失某些生命线工程损失更是难以估量延性结构体系的应用也有了一定的局限性隔震、减震、制振技术一、概述震源传播途径结构反应消震隔震被动减震主动减震基底隔震悬挂隔震耗能减震冲击减震吸振减振11.1概述从控制理论的观点，上述方法又分为两大类减震方法：（1）被动控制方法。这种方法无外部能源供给，也称无源控制技术。包括隔震技术和被动减震技术。（2）主动控制方法。这种方法有外部能源供给，也称有源控制技术。与传统的消极抗震方法相比，减震方法优点：（1）减小地震作用，降低结构造价，提高结构抗震可靠度。隔震方法能够控制传到结构上的地震力，克服确定荷载的困难。（2）减小结构在地震作用下的变形，保证非结构构件不破坏，减小震后维修费用，对现代建筑，非结构构件的造价占总造价的80％以上。（3）隔震、减震装置的更换或维修比更换、维修结构构件方便、经济（4）精密加工设备、核工业设备等结构物，只能用隔震、减震的方法满足严格的抗震要求

结构抗震设计思想的演化与发展

隔震：地震动结构隔离装置隔开减小结构振动主要方法基底隔震悬挂隔震通过某种装置，将地震动与结构隔开，减弱或改变地震动对结构作用的强度或方式，达到减小结构振动的目的

11.1结构抗震设计思想的演化与发展

香港汇丰银行（悬挂隔震）南加州大学医院（隔震结构）

11.1结构抗震设计思想的演化与发展

减震：地震结构减轻结构振动耗能装置或附加子结构耗能主要方法耗能减震冲击减震吸振减震通过减弱震源振动强度达到减小结构振动的方法

11.1结构抗震设计思想的演化与发展

主动控制（狭义的制震技术）自动控制系统施加控制力地震结构减小结构振动

11.1结构抗震设计思想的演化与发展

研究、探索并部分应用于工程实践的时期。隔震技术实用阶段减震制振技术

11.2隔震原理与方法

11.2.1隔震原理隔震基底隔震悬挂隔震结构物地面以上部分隔震层隔开限制地震动向结构物的传递固结于地基中的基础

11.2隔震原理与方法

11.2.1隔震原理

11.2隔震原理与方法

基底隔震结构设计应注意:(1).在满足必要的竖向承载力的前提下，隔震装置的水平刚度应尽可

能小，以使结构周期尽可能远离地震动的卓越周期范围(2).保证隔震结构在强风作用下不致有太大的位移。通常要求在隔震结构系统底部安装风稳定装置或用阻尼器与隔震装置联合构成基底隔震系统。11.2.1隔震原理

11.2隔震原理与方法

11.2.2隔震分析模型隔震建筑系统动力分析模型单质点模型多质点模型空间分析模型

11.2隔震原理与方法

11.2.2隔震分析模型--单质点模型动力平衡方程:—结构的总质量；

—隔震层的阻尼系数和水平刚度；—上部简化刚体相对于地面的加速度、速度与位移；—地面加速度过程。上部结构侧移刚度远大于隔震层的水平刚度上部结构近似为一个刚体单质点模型11三.2隔震三原理三与方三法11三.2三.2隔震三分析三模型—多质三点模三型隔震三层简化等效三粘滞三阻尼三比计三算式三为：水平三刚度三为k阻尼三系数三为c结构三层隔震三支座三数量第i个隔三震支三座的三水平三动刚三度第i个隔三震支三座的三等三效粘三滞阻三尼比。水平三动刚三度计三算式三为:11三.2隔震三原理三与方三法11三.2三.2隔震三分析三模型隔震三装置隔震三层以三上结三构的三水平三地震三作用有效三降级采用三水平三向减三震系三数的三概念三反映三这一三特点层间剪力最大比值0.530.350.260.18水平向减震系数0.750.500.380.25层间三剪力三最大三比值三与水三平向三减震三系数三的对三应关三系水平三向减三震系三数不三宜低三于0.三25，且三隔震三结构三的总三水平三地震三作用三不得三低于三非隔三震结三构在6度设三防时三的总三水平三地震三作用11三.2隔震三原理三与方三法11三.2三.3常用三隔震三装置--橡胶三支座三隔震11三.2隔震三原理三与方三法1.橡胶三支座三隔震—实例南加三州大三学医三院（三隔震三结构三）橄榄三景医三院（三抗震三结构）19三94年1月17日，三美国三圣菲三尔南三多发三生洛三杉矶三地震三，震三级M=三6.三7，直三下型三地震基础三加速三度0.三49三g顶层三加速三度0.三21三g加速三度折三减系三数为1.三8底层三加速三度0.三82三g，顶层三加速三度2.三31三g,加速三度放三大系三数为2.三8橡胶三支座三隔震三系统三的更三优越11三.2隔震三原理三与方三法橡胶三支座三隔震—实例11三.2隔震三原理三与方三法橡胶三支座三隔震橡胶三支座钢板三叠层三橡胶三支座铝芯三橡胶三支座石墨三橡胶三支座在天三然橡三胶中三加入三石墨三大幅三度提三高橡三胶支三座的三阻尼实际三中应三用还三不多11三.2隔震三原理三与方三法橡胶三支座三隔震钢板：限制三橡胶三片的三横向三变形三使座三竖向三刚度三较纯三橡胶三支座三大大三增加橡胶三片：总厚三度越三小所三能承三受的三竖向三荷载三越大钢板三叠层三橡胶三支座支座三内阻三尼较三小，三常需三配合三阻尼三器一三起使三用11三.2隔震三原理三与方三法橡胶三支座三隔震叠层三橡胶三支座三中间钻三孔灌三入铝三芯提高三支座三大变三形时的三吸能三能力集隔三震器三与阻三尼器三于一三身，三因而三可以三独立三使用11三.2隔震三原理三与方三法橡胶三支座三隔震三：水平三刚度三是竖三向刚三度的1%左右具有三显著三的非三线性三变形三特征小变三形，三刚度三大，三抗风三有利大变三形，三橡胶三剪切三刚度三下降三，结三构频三率降三低，三结构三反应三减少橡胶三剪应三变超三过50三%以后三，刚三度又三逐渐三有所三回升三，起三到安三全阀三的作三用，三有利三于防三止建三筑的三过量三位移11三.2隔震三原理三与方三法橡胶三支座三隔震：设计三的关三键--合理三确定三隔震三支座三承受三的应三力我国三建筑三抗震三设计三规范三规定：隔震三层各三橡胶三隔震三支座三，考三虑永三久荷三载和三可变三荷载三组合三的竖三向平三均压三应力三设计三值不三应超三下表三的规三定。建筑类别甲类建筑乙类建筑丙类建筑平均压应力（Mpa）101215橡胶三隔震三支座三平均三压应三力限三值注：1.对需三验算三倾覆三的结三构，三平均三压应三力设三计值三应包三括水三平地三震作三用效三应；2.对需三进行三竖向三地震三作用三计算三的结三构，三平均三压应三力设三计值三应包三括竖三向地震三作用三效应三；在罕三遇地三震作三用下三，不三宜出三现拉三应力11三.2隔震三原理三与方三法橡胶三支座三隔震三：隔震三支座三对应三于罕三遇地三震水三平剪三力的三水平三位移三，应三符合三下列三要求三：罕遇三地震三作用三下，三第i个隔三震支三座考三虑扭三转的三水平三位移第i个隔三震支三座的三水平三位移三限值三；对橡三胶隔三震支三座，三不应三超过三该支三座有三效直三径的0.三55倍和三支座三各橡三胶层三总厚三度3.三0倍二三者的三较小三值罕遇三地震三下隔三震层三质心三处或三不考三虑扭三转的三水平三位移第i个隔三震支三座的三扭转三影响三系数三，应三取考三虑扭三转和三不考三虑扭三转时三支三座计三算位三移的三比值三；当三隔震三层以三上结三构的三质心三与隔三震层三刚度三中心三在两三个主三轴方三向均三无偏三心时三，边三支座三的扭三转影三响系三数不三应小三于1.三1511三.2隔震三原理三与方三法2.常用三隔震三装置--其它三隔震三装置：滚珠三隔震三装置已用三于墨三西哥三城内三一座三五层三钢筋三混凝三土框三架结三构的三学校三建筑三中，三安放三在房三屋底三层柱三脚和三地下三室柱三顶之三间。三为保三证不三在风三载下三产生三过大三的水三平位三移，三在地三下室三采用三了交三叉钢三拉杆三风稳三定装三置11三.2隔震三原理三与方三法其它三隔震三装置三：摇三摆式三隔震三支座是一三种摇三摆隔三震支三座。三在杯三形基三础内三设一三个上三下两三端有三竖孔三的双三圆筒三摇摆三体。三竖孔三内穿三预应三力钢三丝束三并锚三固在三基础三和上三部盖三板上三，起三到压三紧摇三摆体三和提三供复三位力三的作三用。三在摇三摆体三和基三础壁三之间三填以三沥青三或散三粒物三，可三为振三动时三提供三阻尼三。经三试验三证实三：当三地面三加速三度幅三值达33三0c三m/三s2时，三被隔三震房三屋的三加速三度反三应被三降低三到无三隔震三反应三的1/三3左右三。我三国山三西省三的悬三空寺三，历三史上三经历三多次三大地三震而三仍完三整无三损。三分析三认为三是其三特有三的支三撑木三柱起三到了三摇摆三支座三隔震三的作三用山西三悬空三寺11三.2隔震三原理三与方三法其它三隔震三装置三：不三倒翁三式隔三震伊朗三人设三计的三不倒三翁式三隔震三房屋三。该三房屋三顶面三半径三显著三大于三底面三半径三，能三起提三供复三位力三的作三用。11三.3减震三原理三与方三法11三.3三.1耗能三减震三原理地震结构减轻三结构三振动耗能三构件耗能地震三时，三结构三在任三意时三刻的三能量三方程三为：地震三过程三中输三入给三结构三的能三量附加三耗能三构件三的耗三能结构三主体三自身三的耗三能能量三观点三：三一定结构三地震三反应三的降三低动力三学观三点：三耗能三装置三的作三用，相当三于结三构的三阻尼三，必使三结构三地震三反应11三.3减震三原理三与方三法11三.3三.1耗能三减震三原理风和三小震耗能三装置较大三的刚三度结构减轻三结构三振动耗能应具三有结构三的使三用性三能保证强烈三地震三作用耗能三装置结构减轻三结构三振动耗能非弹三性状三态应率三先进入大量三消耗三地震三能量有试三验表三明，三耗能三装置三可做三到消三耗地三震总三输入三能量三的90三%以上三。11三.3减震三原理三与方三法11三.3三.1耗能三减震三原理三：耗能三元件三附加三给结三构的三有效三阻尼三比可三按下三式估三算：耗能三减震三结构三的地三震反三应分三析非线三性时三程反三应分三析方三法(本书三第三三章所三述)可以三利用通常三需要三耗能三元件三的试三验数三据，三以确三立结三构动三力方三程中三的阻三尼矩三阵耗能三减震三结构三的附三加有三效阻三尼比所有三耗能三部件三在结三构预三期位三移下三往复三一周三所消三耗的三能量设置三耗能三部件三的结三构在三预期三位移三下的三总应三变能11三.3减震三原理三与方三法11三.3三.2耗能三减震三装置阻尼三器耗能三交叉三支撑耗能三墙11三.3减震三原理三与方三法阻尼三器与速三度相三关的三粘弹三型阻三尼器以摩三擦或三金属三屈服三为特三征的三位移三相关三型阻三尼器阻尼三器支撑三处框架三与剪三力墙三的连三接处梁柱三连接三处上部三结构三与基三础连三接处有相三对变三形或三相对位移三的地三方安装三于11三.3三.2耗能三减震三装置--阻尼三器11三.3减震三原理三与方三法粘弹三型阻三尼器最大三长度91三5m三m，最三小长三度59三5m三m，冲三程32三0m三m11三.3三.2耗能三减震三装置11三.3减震三原理三与方三法摩擦三阻尼三器33三012三.52512三.510三011三.3三.2耗能三减震三装置--阻尼三器11三.3减震三原理三与方三法各种三形状三的软三钢阻三尼器三（弹三塑性三阻尼三器）11三.3三.2耗能三减震三装置--阻尼三器11三.3减震三原理三与方三法11三.3三.2耗能三减震三装置--耗能三支撑耗能三交叉三支撑摩擦三耗能三支撑耗能三偏心三支撑耗能三耦撑屈服三约束三支撑11三.3减震三原理三与方三法塑性三耗能三支撑耗能三交叉三支撑支撑三交叉三处通过三钢框三或钢三环的三塑性三变形三消耗三地震三能量11三.3减震三原理三与方三法摩擦三耗能三支撑在支三撑杆三或节三点板三上开三长圆三孔11三.3减震三原理三与方三法耗能三偏心三支撑偏心三支撑三框架11三.3减震三原理三与方三法耗能三隅撑耦撑三框架11三.3减震三原理三与方三法屈曲三约束三支撑屈曲三约束三支撑三的基三本部三件屈曲三约束三支撑的轴三力－三位移三关系11三.3减震三原理三与方三法屈曲三约束三支撑屈曲三约束三支撑三的一三些典三型截三面形三状11三.3减震三原理三与方三法周边三耗能三墙摩擦三耗能三墙11三.3三.2耗能三减震三装置--耗能三墙11三.3减震三原理三与方三法11三.3三.3吸振三减震三原理地震结构减轻三结构三振动附加三子能量三转移11三.3减震三原理三与方三法运动三平衡三方程三：--刚度--阻尼三系数--主体三结构三质量--附加三子结三构质三量、阻尼三系数三、刚三度11三.3三.3吸振三减震三原理三：11三.3减震三原理三与方三法考虑三简谐三地面三运动三输入考虑三无阻三尼体三系的三反应三特征主结三构振三幅为三零系统三振动三能量三集中三于子三结构三而主三体结三构得三到了三保护数学三推导地震三动含三有多三种频三率分三量结构三系统三也必三然是三有阻三尼系三统子结三构的三频率三等于三地面三运动三输入三频率实际三情况子结三构频三率接三近或三等于三主结三构频三率时主结三构的三地震三反应三总是可以三得到三一定三程度三的降三低11三.3三.3吸振三减震三原理11三.3减震三原理三与方三法按照三随机三振动三原理三的分三析结三果R是主三结构三的振三动控三制频三率参三数当R<三1时，三表示三具有三减震三效果大量三理论三分析三结果三表明三：主结三构的三阻尼三比越三小，吸振三装置三的减三震作三用越三大质量三比增三加，三减震三作用三增大11三.3三.3吸振三减震三原理三：11三.3减震三原理三与方三法11三.3三.4吸减三震装三置调频三质量三阻尼三器（TM三D）通过三弹簧三连接三于主三体结三构，三可安三装在三高耸三结构三或高三层建三筑的三顶部调频三质量三阻尼三器是三包括三质量三系和三弹簧三、阻三尼系三的小三型振三动系三统11三.3减震三原理三与方三法调谐三液体三阻尼三器（TL三D）将装三水的三容器三置于三结构三物上三，结三构振三动时三，水三的振三荡也三能形三成一三个调三频质三量阻三尼器设计TL三D时，三应尽三量使三水的三振荡三周期三接近三结构三的固三有周三期。三水的三振荡三频率三公式三为：水面三