抗震课件第八章

1、第八章 隔震、减震与结构控制初步81结构抗震设计思想的演化与发展 由震源产生的地震力，通过一定途径传递到建筑物所在场地，引起结构的地震反应。一般来说，建筑物的地震位移反应沿高度从下向上逐级加大，而地震内力则自上而下逐级增加。当建筑结构某些部分的地震力超过该部分所能承受的力时，结构就将产生破坏。 在抗震设计的早期，人们曾企图将结构物设计为“刚性结构体系”。这种体系的结构地震反应接近地面地震运动，一般不发生结构强度破坏。但这样做的结果必然导致材料的浪费，诚如著名的地震工程专家Rosenblatt所说的那样：“为了满足我们的要求，人类所有财富可能都是不够的，大量的一般结构将成为碉堡。”作为刚性结构体

2、系的对立体系，人们还设想了“柔性结构体系”，即通过大大减少结构物的刚性来避免结构与地面运动发生类共振，从而减轻地震力。但是，这种结构体系在地震动作用下结构位移过大，在较小的地震时即可能影响结构的正常使用，同时，将各类工程结构都设计为柔性结构体系，也存在实践上的困难。长期的抗震工程实践证明：将一般结构物设计为“延性结构”是合宜的。通过适当控制结构物的刚度与强度，使结构构件在强烈地震时进入非弹性状态后仍具有较大的延性，从而可以通过塑性变形消耗地震能量，使结构物至少保证“坏而不倒”，这就是对“延性结构体系”的基本要求。在现代抗震设计中，实现延性结构体系设计是工程师所追求的抗震基本目标。然而，延性结构

3、体系的结构，仍然是处于被动地抵御地震作用的地位。对于多数建筑物，当遭遇相当于当地基本烈度的地震袭击时，结构即可能进入非弹性破坏状态，从而导致建筑物装修与内部设备的破坏，造成巨大的经济损失。对于某些生命线工程（如电力、通讯部门的核心建筑），结构及内部设备的破坏可以导致生命线网络的瘫痪，所造成的损失更是难以估量。所以，随着现代化社会的发展，各种昂贵设备在建筑物内部配置的增加，延性结构体系的应用也有了一定的局限性。面对新的社会要求，各国地震工程学家一直在寻求新的结构抗震设计途径。以隔震、减震、制振技术为特色的结构控制设计理论与实践，便是这种努力的结果。隔震，是通过某种隔离装置将地震动与结构隔开，以达

4、到减小结构振动的目的。隔震方法主要有基底隔震和悬挂隔震等类型。减震，是通过采用一定的耗能装置或附加子结构吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动。减震方法主要有耗能减震、吸振减震、冲击减震等类型。狭义的制振技术又称结构主动控制。它是通过自动控制系统主动地给结构施加控制力，以期达到减小结构振动的目的。目前，结构隔震技术已基本进入实用阶段，而对于减震与制振技术，则正处于研究、探索并部分应用于工程实践的时期。82 隔震原理与方法821 隔震原理这里主要介绍基底隔震方法。基底隔震的基本思想是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶面分离开，从而限制地震动向结构物的

5、传递。大量试验研究工作表明：合理的结构隔震设计一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从而可以有效地减轻结构的地震破坏，提高结构物的地震安全性。隔震的技术原理可以用图8.1进一步阐明。图中所示为一般的地震反应谱。首先，隔震层通常具有较大的阻尼，从而使结构所受地震作用较非隔震结构有较大的衰减。其次，隔震层具有很小的侧移刚度，从而大大延长了结构物的周期，因而，结构加速度反应得到进一步降低（图8.1a）。与此同时，结构位移反应在一定程度上增加（图8.1b）。鉴于上述技术原理，在进行基底隔震结构设计时应注意：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

6、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。为此，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。822 隔震分析模型隔震建筑系统的动力分析模型可根据具体情况选用单质点模型、多质点模型甚至空间分析模型。当上部结构侧移刚度远大于隔震层的水平刚度时，可以近似认为上部结构是一个刚体，从而将隔震结构简化为单质点模型进行分析，其动力平衡方程形式为 （8.1）式中，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。当要求分析上部结构的细部地震反应时，可以采用多质点模型或空间分析模型。这些模

7、型可视为在常规结构分析模型底部加入隔震层简化模型的结果。例如，对于多质点模型，隔震层可用一个水平刚度为，阻尼系数为的结构层简化之（图8.2）。其中，水平动刚度计算式为， （8.2）式中：隔震支座数量； 第个隔震支座的水平动刚度。等效粘滞阻尼比计算式为： （8.3）式中：第个隔震支座的等效粘滞阻尼比。这样，就可以采用本书第三章所述的时程分析方法进行隔震结构系统的地震反应分析。显然，也可以采用反应谱方法进行隔震结构的地震反应分析，但这时采用的反应谱应是经过阻尼比调整后的反应谱曲线。采用隔震装置的隔震结构，可以有效地降低隔震层以上结构的水平地震作用。我国建筑抗震设计规范采用水平向减震系数的概念来反映

8、这一特点，且规定：隔震结构水平地震作用沿高度采用矩形分布，水平向地震影响系数最大值采用非隔震结构水平地震影响系数最大值与水平向减震系数的乘积。而水平向减震系数可根据结构隔震与非隔震两种情况下的层间剪力的最大比值按表8-1确定。水平向减震系数不宜低于0.25，且隔震结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用。表8-1 层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系层间剪力最大比值0.530.350.260.18水平向减震系数0.750.500.380.25823 常用隔震装置1 橡胶支座隔震 橡胶支座是最常见的隔震装置。常见的橡胶支座分为钢板叠层橡胶支座、铝芯橡胶支座、石墨橡

9、胶支座等类型。钢板叠层橡胶支座由橡胶片和薄钢板叠合而成（图8.3）。由于薄钢板对橡胶片的横向变形有限制作用，因而使支座竖向刚度较纯橡胶支座大大增加。支座的橡胶层总厚度越小，所能承受的竖向荷载越大。为了提高叠层橡胶支座的阻尼，发明了铝芯橡胶支座（图8.4），这种隔震支座在叠层橡胶支座中间钻孔灌入铝芯而成。铝芯可以提高支座大变形时的吸能能力。一般说来，普通叠层橡胶支座内阻尼较小，常需配合阻尼器一起使用，而铝芯橡胶支座由于集隔震器与阻尼器于一身，因而可以独立使用。在天然橡胶中加入石墨，也可以大幅度橡胶支座的阻尼，但石墨橡胶支座在实际中应用还不多。通常使用的橡胶支座，水平刚度是竖向刚度的1%左右，且具

10、有显著的非线性变形特征（图8-5）。当小变形时，其刚度很大，这对建筑结构的抗风性能有利。当大变形时，橡胶的剪切刚度可下降至初始刚度的1/51/4，这就会进一步降低结构频率，减少结构反应。当橡胶剪应变超过50%以后，刚度又逐渐有所回升，这又起到安全阀的作用，对防止建筑的过量位移有好处。橡胶支座隔震装置的设计的关键是合理确定隔震支座承受的应力。我国建筑抗震设计规范规定：隔震层各橡胶隔震支座，考虑永久荷载和可变荷载组合的竖向平均压应力设计值不应超过表8-2的规定。在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力。表8-2 橡胶隔震支座平均压应力限值 建筑类别甲类建筑乙类建筑丙类建筑平均压应力（Mpa）101215注

11、：1. 对需验算倾覆的结构，平均压应力设计值应包括水平地震作用效应；2. 对需进行竖向地震作用计算的结构，平均压应力设计值应包括竖向地震作用效应；隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位移，应符合下列要求： （8.4） （8.5）式中，罕遇地震作用下，第个隔震支座考虑扭转的水平位移。第个隔震支座的水平位移限值；对橡胶隔震支座，不应超过该支座有效直径的0.55倍和支座各橡胶层总厚度3.0倍二者的较小值；罕遇地震下隔震层质心处或不考虑扭转的水平位移；第个隔震支座的扭转影响系数，应取考虑扭转和不考虑扭转时支座计算位移的比值；当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心在两个主轴方向均无偏心时，边支座的扭转影

12、响系数不应小于1.15。2 其它隔震装置 除了比较成熟的橡胶支座隔震装置，人们还研究、探索了其它各类隔震装置。略举数例。图8-6为一滚珠隔震装置，该装置是在一个直径为50cm的高光洁度的圆钢盘内，安放400个直径为0.97cm的钢珠。钢珠用钢箍圈住，不致散落，上面再覆盖钢盘。该装置已用于墨西哥城内一座五层钢筋混凝土框架结构的学校建筑中，安放在房屋底层柱脚和地下室柱顶之间。为保证不在风载下产生过大的水平位移，在地下室采用了交叉钢拉杆风稳定装置。图8-7是一种摇摆隔震支座。在杯形基础内设一个上下两端有竖孔的双圆筒摇摆体。竖孔内穿预应力钢丝束并锚固在基础和上部盖板上，起到压紧摇摆体和提供复位力的作用

13、。在摇摆体和基础壁之间填以沥青或散粒物，可为振动时提供阻尼。经试验证实：当地面加速度幅值达330cm/s2时，被隔震房屋的加速度反应被降低到无隔震反应的1/3左右。我国山西省的悬空寺，历史上经历多次大地震而仍完整无损。分析认为是其特有的支撑木柱起到了摇摆支座隔震的作用。图8-8是伊朗人设计的不倒翁式隔震房屋。该房屋顶面半径显著大于底面半径，能起提供复位力的作用。8.3 减震原理与方法隔震系统通过降低结构系统的固有频率、提高系统的阻尼来降低结构的加速度反应，从而大幅度降低结构的地震内力，但这种设计方式也存在一些局限性，主要表现为隔震系统不宜用于软弱场地土和高层建筑结构。为此，人们进一步研究、开发

14、了各类减震装置，用于控制结构地震反应。下面，主要介绍耗能减震与吸振减震的基本原理和方法。831 耗能减震原理耗能减震是利用耗能构件消耗地震传递给结I构的能量的减震手段。地震时，结构在任意时刻的能量方程为 （8.6）式中，地震过程中输入给结构的能量； 结构主体自身的耗能； 附加耗能构件的耗能。从能量的观点看，地震输入给结构的能量是一定的，因此，耗能装置耗散的能量越多，则结构本身需要消耗的能量就越小，这意味着结构地震反应的降低。另一方面，从动力学的观点看，耗能装置的作用，相当于增大了结构的阻尼，而结构阻尼的增大，必将使结构地震反应减小。在风和小震作用下，耗能装置应具有较大的刚度，以保证结构的使用性

15、能。在强烈地震作用时，耗能装置应率先进入非弹性状态，并大量消耗地震能量。有试验表明，耗能装置可做到消耗地震总输入能量的90%以上。耗能减震结构的地震反应分析，原则上可以利用本书第三章所述的非线性时程反应分析方法。在进行这一分析时，通常需要耗能元件的试验数据，以确立结构动力方程中的阻尼矩阵。一般，耗能元件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算： （8.7）式中，耗能减震结构的附加有效阻尼比；所有耗能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量；设置耗能部件的结构在预期位移下的总应变能。我国建筑抗震设计规范规定：耗能元件附加给结构的有效阻尼比超过20%时，宜按20%计算。这一规定，主要是考虑在阻尼比超过2

16、0%时采用常规地震反应分析方法会引起较大误差。832 耗能减震装置1、 阻尼器阻尼器通常安装在支撑处、框架与剪力墙的连接处、梁柱连接处、以及上部结构与基础连接处等有相对变形或相对位移的地方。有代表性的阻尼器主要有两类，一类是与速度相关的粘弹型阻尼器；另一类是以摩擦或金属屈服为特征的位移相关型阻尼器。（1） 粘弹型阻尼器如图8-9所示。这类阻尼器在机械工程中经常可以见到。由于油压的作用，其阻尼力按活塞速度的平方比例增大。（2） 摩擦阻尼器将几块钢板用高强螺栓连在一起，可做成摩擦阻尼器（用8-10）。通过调节高强螺栓的预应力，可调整钢板间磨擦力的大小。通过对钢板表面进行处理或加垫特殊摩擦材料，可以

17、改善阻尼器的动摩擦性能。（3） 弹塑性阻尼器低碳钢具有优良的塑性变形性能，可以在超过屈服应变几十倍的塑性应变下往复变形数百次而不断裂。根据需要，可以将软钢板（棒）弯成名种形状做成阻尼器，如图8-11所示。2 耗能支撑耗能支撑实质上是将各式阻尼器用在支撑系统上的耗能构件。（1）耗能交叉支撑在交叉支撑处利用弹塑性阻尼器的原理，可做成耗能交叉支撑，如图8-12所示。在支撑交叉处，通过钢框的塑性变形消耗地震能量。（2）摩擦耗能支撑将高强螺栓钢板摩擦阻尼器用于支撑构件，可做成摩擦耗能支撑。图8-13是在支撑杆或节点板上开长圆孔的简单摩擦耗能支撑的节点做法。摩擦耗能支撑在风载或小震下不滑动，能象一般支撑一

18、样提供很大的刚度。而在大震下支撑滑动，降低结构刚度，减小地震作用，同时通过支撑滑动摩擦消耗地震能量。（3）耗能偏心支撑偏心支撑结构最早由美国Popov教授提出。其工作原理是通过支撑与梁段的塑性变形消耗地震能量。在风载或小震作用下，支撑不屈服，偏心支撑能提供很大的侧向刚度。在大震下，支撑及部分梁段屈服耗能，衰减地震反应。各类偏心支撑结构见于图8-14。（4） 耗能隅撑耗能隅撑是在耗能偏心支撑的基础上发展出来的（图8-15）。隅撑两端刚接在梁、柱或基础上，普通支撑简支在隅撑的中部。与耗能偏心支撑相比，耗能隅撑有两个优点：其一，隅撑截面小，不是结构的主要结构，破坏后更换方便；其二，隅撑框架不限于梁柱

19、刚接，梁柱可以铰接或半铰接。（5） 屈曲约束支撑鉴于传统的支撑在受压时会产生屈曲，日本的一些研究者开发出一种受压时不发生屈曲的支撑，称为屈曲约束支撑，这种构件是在核心支撑的外面套一个约束构件，核心支撑和约束构件间能自由滑动（图8-16），工作时，仅核心支撑与框架结构相连，而约束构件则约束了核心支撑的横向变形，防止核心支撑在压力作用下发生整体屈曲和局部屈曲。因此，屈曲约束支撑在拉力和压力作用下均可以达到充分的屈服，具有很好的延性，滞回曲线稳定饱满（图8-17），其滞回曲线明显优于普通钢支撑。屈曲约束支撑图8-16 屈曲约束支撑 图8-17 屈曲约束支撑图8-18中给出了几种比较典型的屈曲约束支撑

20、的截面形状。图8-18 屈曲约束支撑的一些典型截面形状3 耗能墙耗能墙实质上是将阻尼器或耗能材料用于墙体所形成的耗能构件或耗能子结构。（1） 周边耗能墙图8-19 周边耗能墙 在墙与框架的周边，可填充粘性材料（图8-19）。强烈地震时，墙周边出现非弹性缝并错动，消耗地震能量。（2） 摩擦耗能墙 在竖缝剪力墙的竖缝中填以摩擦材料，可形成摩擦耗能墙体。在地震作用时，通过摩擦缝的反复错动，可以达到消耗地震能量的目的。以竖向预应力为手段，在墙顶面与梁底部接缝处做一条摩擦缝，也可以形成预应力摩擦剪力墙。833 吸振减震原理吸振减震是通过附加子结构使主体结构的能量向子结构转移的减震方式。这类系统的减震原理

21、可由图8-20所示的力学模型的地震反应特征加以说明。图8-20 TMD结构力学模型设图8-20中主体结构质量为，阻尼系数为，刚度为，附加子结构质量、阻尼系数、刚度分别为、，则可列出如下运动平衡方程： (8-9) (8-10)其中，。 当考虑简谐地面运动输入、并考虑无阻尼体系的反应特征时，经过一些数学推导，可以发现：当子结构的频率等于地面运动输入频率时，将会给出主结构振幅为零的结果。即，系统振动能量集中于子结构而主体结构得到了保护。实际的地震动含有多种频率分量，结构系统也必然是有阻尼系统，但在子结构频率接近或等于主结构频率时，主结构的地震反应总是可以得到一定程度的降低。图8-21给出了一个按照随

22、机振动原理的分析结果，图中R是主结构的振动控制频率参数，当R1时，表示具有减震效果。大量理论分析结果表明：主结构的阻尼比越小，吸振装置的减震作用越大；质量比增加，减震作用增大。图8-21 TMD控制效率834 吸减震装置1 调频质量阻尼器（TMD）调频质量阻尼器是包括质量系和弹簧、阻尼系的小型振动系统，通过弹簧连接于主体结构，可安装在高耸结构或高层建筑的顶部，如图8-22所示。TMD已用于多个实际工程的减振设计。例如，1976年建成的美国波士顿60层的John Hancock大楼，在58层上安装了两个重300吨的TMD装置。每个装置由长、宽各为5.1m、高0.9m的钢板箱中灌满铅组成，箱子可在

23、90m长的钢板上滑动。TMD的弹性恢复力由弹簧提供，阻尼由粘滞阻尼缸提供。图8-22 支撑式p-TMD近年来的研究表明，TMD比较适合于阻尼比较小的钢结构或桥梁结构的风振控制，对于阻尼比较大的混凝土高层建筑结构的振动控制尤其是地震反应控制，效果往往不大明显。2 调谐液体阻尼器（TLD）将装水的容器置于结构物上，结构振动时，水的振荡也能形成一个调频质量阻尼器，现在通常称这类装置为TLD（图8-23）。图8-23 TLD设计TLD时，应尽量使水的振荡周期接近结构的固有周期。水的振荡频率公式为： (8-11)式中：水面波的波长； 水深； 重力加速度。TLD也已应用于多个实际工程中，比较著名的有安装于

24、日本横滨市的马林塔（105m高）和长崎航空港管制塔上的TLD装置，经观测证实，确有减振效果。84 结构主动控制初步841 基本概念主动控制是借鉴现代控制论思想而提出的一类振动控制方法，其设想是利用外部能源，在结构受地震激励而运动的过程中，实时地施加控制力、改变结构动力特性，以减小结构地震反应。主动控制体系一般由三部分组成：（1） 传感器。用于测量结构所受外部激励及结构响应并将测得的信息传送给控制系统中的处理器；（2） 处理器。一般为计算机。用于依据给定的控制算法，计算结构所需的控制力，并将控制信息传送递给控制系统中的制动器；（3） 作动器。一般为加力装置。用于根据控制信息由外部能源提供结构所需的控制力。 基本的控制系统可分为三种类型（图8-24）：图8-24 主动控制形式（1） 开环控制。根据外部激励信息调整控制力；（2）