被动减震结构设计简述

第一节基本概述根据减震构件的种类分类粘滞阻尼器2摩擦阻尼器4油阻尼器31粘弹性阻尼器33第一节基本概述1.摩擦阻尼器——利用金属（或非金属）之间的摩擦产生阻尼。加拿大PallDynamic公司的摩擦阻尼最有代表性。它的构造简单,造价低。缺点是承受力较小，温度的稳定性差。2.粘弹性阻尼器——利用一些粘弹性材料产生阻尼。美国3M公司的粘弹性阻尼在日本有了很大的应用。但它有个初始刚度，也有温度的稳定性的问题。3.液体粘滞阻尼器——利用液体在运动中的粘滞特性产生阻尼。这种阻尼器在军事和宇航上已经成功的应用了几十年，精确性好，稳定性高，缺点是价格较高4.金属屈服阻尼器——利用金属的屈服产生阻尼。金属屈服阻尼器通常采用低碳钢或铅作为原料，前者有良好的塑性变形能力，后者有较强的延展性能。这种阻尼器的滞回特性稳定，低周疲劳性能较好，缺点是屈服后无法恢复。阻尼器构件外形减震构件结构形式直接连接型间接连接型其他型式减震构件结构形式直接型：直接将变形传给减震构件。间接型：将层间变形通过梁或短柱传给减震构件。其他形式：利用总体变形或设置放大装置将层间变形放大的装置。适用范围（1）建筑物类别：办公楼、医院、电算中心、住宅、工厂、大跨度建筑、游艺场、构筑物等（2）结构种类：钢结构、钢筋混凝土结构、劲性钢筋混凝土结构、木结构等（3）规模：中低层、高层、超高层建筑物（4）减震目的：降低地震反应、降低风振反应等第二节减震原理从能量角度分析单质点体系减震结构力学原理和性能各阻尼器的特性从能量角度分析耗能减震结构原理传统抗震结构Ein=Ev+Ec+Ek+Eh耗能减震结构Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+EdEin——地震过程中输入结构体系的能量；Ev——结构体系的动能；Ec——结构体系的粘滞阻尼耗能；Ek——结构体系的弹性应变能；Eh——结构体系的滞回耗能；Ed——耗能（阻尼）装置或耗能元件耗散或吸收的能量。从能量角度分析耗能减震结构原理a）地震输人b）传统抗震结构c）消能减震结构从能量角度分析耗能减震结构原理传统结构抗震分析

Ev、Ek不耗能，只做能量的转换Ec占比很小主要靠Eh（结构体系滞回耗能），弹塑性变形耗能，构件会损失甚至破坏。耗能减震结构

耗能阻尼装置在结构主体进入弹塑性变形前发挥作用，进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结构体系的地震能量，则结构本身需消耗的能量很少，这意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。单质点体系减震结构力学原理和性能减震结构是依靠与主结构连接的阻尼器的附加刚度和粘滞特性，对建筑物在地震作用下产生的位移、速度、加速度反应进行控制。附加刚度——系统周期缩短粘滞特性——吸收能量，导致增加阻尼Sd、Spv、Spa的分别表示位移反应谱、拟速度反应谱、拟加速度反应谱自振周期Tf——有阻尼器是等效周期Teq初始阻尼比h0——等效阻尼比heq等效周期与等效阻尼比降低地震反应的原理等效周期与等效阻尼比降低地震反应的原理效应1（附加刚度）：周期上升，位移减小加速度上升效应2（增加阻尼）：阻尼增加，位移、速度、加速度均减小减震结构的滞回特性及其效应在减震结构的地震反应简易预测及设计中，必须考虑减震构件的滞回特性及其与其他构件的平衡关系、地震动的输入特性、减震构件与主结构的制约条件，对减震构件附加给主结构的刚度与粘滞特性所产生的效应做出适当的评估。减震结构的滞回特性及其效应图用单质点体系模型表述减震机理图a表示直接型的支撑型，图b表示间接型的中间柱型，图c表示阻尼器和支撑串联，然后和主体框架并联。减震结构的滞回特性及其效应图使用各种阻尼器的减震结构中的能量吸收部分、附加体系、系统的稳态反应减震结构的滞回特性及其效应储存刚度=最大变形时的力/最大位移损失刚度=零变形时的力/最大位移油阻尼器和粘滞阻尼器的能量吸收部分的储存刚度为零粘弹性阻尼器和软钢阻尼器的能量吸收部分的两种刚度均存在减震设计方法的基本原理给建筑物附加刚度和阻尼，其附加的程度可用储存刚度和损失刚度来表示若能评估阻尼器的储存刚度和损失刚度，就可以评估系统的储存刚度和损失刚度，进而求得等效自振周期和阻尼比。粘滞阻尼器粘滞阻尼器主要有筒式粘滞阻尼器、粘滞阻尼墙系统等。筒式粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘滞流体组成。活塞上开有小孔，并可以在充有硅油或其他粘性流体的缸内作往复运动。当活塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞的小孔内通过，对两者的相对运动产生阻尼，从而耗散能量。粘滞阻尼器粘滞阻尼器液体粘滞阻尼器最适于结构工程应用，这种阻尼器有以下明显的优点：1.内置液体，本身没有可计算的刚度，不影响整个结构原有的设计和计算（如周期，振型等），也就不会产生预想不到的副作用；2.呈椭圆型的滞迴曲线（图1-2(1)），保证了安置在结构上的阻尼器在最大位移的状态下受力为零，最大受力情况下位移为零，这一性能对减小结构反应十分有利；3.它既可以降低地震反应中的结构受力也可以降低反应位移。4.可在地震和大风荷载下重复使用；5.只要内置液体选用合适，几十年没有老化、变质问题。粘滞阻尼器摩擦阻尼器Pall型摩擦耗能器及典型滞回曲线摩擦阻尼器摩擦耗能器是根据摩擦做功而耗散能量的原理设计的。金属阻尼器工作特点：结构处在正常使用状态时，消能支撑充当结构构件，为结构提供初始刚度；结构在大震或强风作下，消能支撑率先进入屈服耗能阶段，抗疲劳性能好，滞回环饱满，增强了耗能能力，从而提高了结构的抗震性能。摩擦阻尼器摩擦阻尼器主要通过界面摩擦生热耗散振动能量，其效果的好坏关键取决于接触面的粗糙程度和法向力装置的好坏。通常设计成风振和小震作用下阻尼器不耗能，仅仅在静摩擦阶段工作；在中震和大震作用下处于滑动摩擦阶段，在此阶段内，摩擦阻尼器的受力往往是小于或等于最大静摩擦力的恒定值。粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板所组成。粘弹性阻尼器的典型滞回曲线呈椭圆形，具有很好的耗能性能，它能同时提供刚度和阻尼。粘弹性阻尼器的性能受温度、频率和应变幅值的影响。其耗能能力随着温度的增加而降低；随着频率的增加而增加，但在高频下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至某一平衡值。粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器(3M)美国世贸双塔楼1969WorldTradeCenterTower消能装置：3M粘弹性阻尼器共10000×2个从10层到110层，每层100个，每塔楼10000个，两栋塔楼阻尼比由原来不到1%增加到3.0%建设日期：1966-1973年（1969年开始装设阻尼器）第三节减震效果及实例评价实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建建筑物概要所在地：大阪府用途：办公楼规模：建筑面积2,666m2楼层总面积：29,499m2地上8层、地下3层、塔楼3层、高度29.90m结构类型：劲性钢筋混凝土结构(型钢混凝土）、一部分为钢筋混凝土结构基础类型：直接阀式基础施工：1964年7月实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建加固后建筑物概要施工时间：1998年6月~2001年3月（分二期实施）加固概要：外包钢板加固柱，粘贴钢板加固墙减震加固：油阻尼器边工作边施工实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建抗震分析主要问题①柱的抗剪切配筋不足，属于韧性不足的剪切破坏型。特别是外围结构的大梁是墙梁，柱的h/D小而形成短柱，属于剪切破坏性型。同时外围柱由于地震时轴力的变化也会使柱轴力比增大。②抗震墙的平均剪应力大，属于剪切破坏型。实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建加固计划柱：外包钢板钢筋混凝土墙：外粘钢减震加固：设置油阻尼器，目的为吸收能量，减小变形。实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建减震装置：钢结构支撑和油阻尼器串联。实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建特点：劲性钢筋混凝土结构刚度大，减震结构采用刚度大的支撑，同时为保证对小震的作用，采用高灵敏度的阻尼器。（速度相关性可满足小变形时发挥作用）。在1~6层的外围结构面内的每层在纵向设置4个、横向设置4个。实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建减震效果用地震反应分析检验减震效果。将地上部分模拟成1层1个质点的等效剪切层模型，假定阻尼为初始刚度比例型（3%）输入地震动5条，两条人工波，三条实际波。

实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建实例1使用油阻尼器的劲性钢筋混凝土结构

8层政府办公楼的改建层间位移的降低率大致为25%左右，验证了减震装置的加固效果。实例2合肥翡翠电视塔-高耸塔架结构安装摩擦阻尼器实例2合肥翡翠电视塔-高耸塔架结构安装摩擦阻尼器概要合肥翡翠电视塔塔高339m钢结构电视塔具有广播电视发射与传输、微波通讯和旅游观光等综合功能标高255m以下为正六边形空间桁架体系,底部外接圆直径为88m,标高255m以上为正四边形天线桅杆,其中65m和218.2m处设球形塔楼(下塔楼和上塔楼)。该塔的绝大多数质量和刚度集中于上下塔楼处,而与上塔楼相连的高达84m的天线桅杆的刚度则非常小。实例2合肥翡翠电视塔-高耸塔架结构安装摩擦阻尼器风振动控制将阻尼器设置于层间变形较大的质点(节点层)之间将有较好的减振效果。上下塔楼处共设置48根阻尼器标高69.5m与92m之间和189.75m与202.4m之间分别设置了24根摩擦阻尼器实例2合肥翡翠电视塔-高耸塔架结构安装摩擦阻尼器实例2合肥翡翠电视塔-高耸塔架结构安装摩擦阻尼器实例2合肥翡翠电视塔-高耸塔架结构安装摩擦阻尼器实例2合肥翡翠电视塔-高耸塔架结构安装摩擦阻尼器实例2合肥翡翠电视塔