結(jié)構(gòu)隔震與消能減震設(shè)計的基礎(chǔ)知識.ppt

1、第八章:隔震減震與結(jié)構(gòu)控制初步,第八章:隔震減震與結(jié)構(gòu)控制初步,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展 8.2 隔震的原理與方法 8.3 減震的原理與方法 8.4 結(jié)構(gòu)主動控制初步,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展,產(chǎn) 生,傳 遞,引 起,震源,地震波,建筑物所在場地,結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展,地震位移反應(yīng),地震剪力,小,大,小,大,地震內(nèi)力,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展,地震動作用下結(jié)構(gòu)位移過大,實踐上的困難,延性 結(jié)構(gòu)體系,剛性結(jié)構(gòu)體系,反應(yīng)接近地面地震運動,一般不發(fā)生結(jié)構(gòu)強度破壞,導(dǎo)致材料的浪費,柔性結(jié)構(gòu)體系,減少結(jié)構(gòu)物的剛性,避免結(jié)構(gòu)與地面運 動發(fā)

2、生類共振,減輕地震力,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展,延性結(jié)構(gòu)體系” 基本要求,實現(xiàn)延性結(jié)構(gòu)體系設(shè)計是工程師所追求的抗震基本目標(biāo),適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度與強度,結(jié)構(gòu)構(gòu)件進入非彈性狀態(tài)后仍具有較大的延性,通過塑性變形消耗地震能量,壞而不倒,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展,當(dāng)?shù)鼗玖叶鹊卣?建筑物,可能進入非彈性破壞狀態(tài),裝修與內(nèi)部 設(shè)備破壞,延性結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu),被動抵御地震作用,作用,導(dǎo)致,巨大經(jīng)濟損失,某些生命線工程損失更是難以估量延性結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用也有了一定的局限性,隔震、減震、制振技術(shù),8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展,隔震,地震動,結(jié)構(gòu),隔離裝置,隔開,減小結(jié)構(gòu)振動,主要方

3、法,基底隔震,懸掛隔震,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展,香港匯豐銀行（懸掛隔震,南加州大學(xué)醫(yī)院（隔震結(jié)構(gòu),8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展,減震,地震,結(jié)構(gòu),減輕結(jié)構(gòu)振動,耗能裝置或附加子結(jié)構(gòu),耗能,主要方法,耗能減震,沖擊減震,吸振減震,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展,主動控制（狹義的制震技術(shù),自動控制系統(tǒng),施加控制力,地震,結(jié)構(gòu),減小結(jié)構(gòu)振動,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展,研究、探索并部分應(yīng)用于工程實踐的時期,隔震技術(shù),實用階段,減震,制振技術(shù),8.2隔震原理與方法,8.2.1 隔震原理,隔震,基底隔震,懸掛隔震,結(jié)構(gòu)物地面以上部分,隔震層隔開 限制地震動向結(jié)構(gòu)物的

4、傳遞,固結(jié)于地基中的基礎(chǔ),8.2隔震原理與方法,8.2.1 隔震原理,8.2隔震原理與方法,基底隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意,1).在滿足必要的豎向承載力的前提下，隔震裝置的水平剛度應(yīng)盡可 能小，以使結(jié)構(gòu)周期盡可能遠離地震動的卓越周期范圍,2).保證隔震結(jié)構(gòu)在強風(fēng)作用下不致有太大的位移。 通常要求在隔震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)底部安裝風(fēng)穩(wěn)定裝置或用阻尼器與隔 震裝置聯(lián)合構(gòu)成基底隔震系統(tǒng),8.2.1 隔震原理,8.2隔震原理與方法,8.2.2 隔震分析模型,隔震建筑系統(tǒng) 動力分析模型,單質(zhì)點模型,多質(zhì)點模型,空間分析模型,8.2隔震原理與方法,8.2.2 隔震分析模型-單質(zhì)點模型,動力平衡方程,結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量； 隔震層的阻

5、尼系數(shù)和水平剛度； 上部簡化剛體相對于地面的加速度、速度與位移； 地面加速度過程,上部結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度遠大于 隔震層的水平剛度,上部結(jié)構(gòu)近似為 一個剛體,單質(zhì)點模型,8.2隔震原理與方法,8.2.2 隔震分析模型多質(zhì)點模型,隔震層,簡化,等效粘滯阻尼比計算式為,水平剛度為k,阻尼系數(shù)為c,結(jié)構(gòu)層,隔震支座數(shù)量,第i 個隔震支座的水平動剛度,第 i個隔震支座的 等效粘滯阻尼比,水平動剛度計算式為,8.2隔震原理與方法,8.2.2 隔震分析模型,隔震裝置,隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平地震作用,有效降級,采用水平向減震系數(shù)的概念反映這一特點,層間剪力最大比值與水平向減震系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,水平向減震系數(shù)不宜低于0.

6、25，且隔震結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時的總水平地震作用,8.2隔震原理與方法,8.2.3 常用隔震裝置-橡膠支座隔震,8.2隔震原理與方法,1.橡膠支座隔震實例,南加州大學(xué)醫(yī)院（隔震結(jié)構(gòu),橄欖景醫(yī)院（抗震結(jié)構(gòu),1994年1月17日，美國圣菲爾南多發(fā)生洛杉磯地震，震級M=6.7，直下型地震,基礎(chǔ)加速度0.49g 頂層加速度0.21g 加速度折減系數(shù)為1.8,底層加速度 0.82g， 頂層加速度2.31g, 加速度放大系數(shù)為2.8,橡膠支座隔震系統(tǒng)的更優(yōu)越,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震實例,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震,橡膠支座,鋼板疊層橡膠支座,鋁芯橡膠支座,

7、石墨橡膠支座,在天然橡膠中加入石墨大幅度提高橡膠支座的阻尼 實際中應(yīng)用還不多,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震,鋼板： 限制橡膠片的橫向變形使座豎向剛度較純橡膠支座大大增加,橡膠片： 總厚度越小所能承受的豎向荷載越大,鋼板疊層橡膠支座,支座內(nèi)阻尼較小，常需配合阻尼器一起使用,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震,疊層橡膠支座中 間鉆孔灌入鋁芯 提高支座大變形 時的吸能能力,集隔震器與阻尼器于一身，因而可以獨立使用,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震,水平剛度是豎向剛度的1%左右 具有顯著的非線性變形特征,小變形，剛度大，抗風(fēng)有利,大變形，橡膠剪切剛度下降，結(jié)構(gòu)頻率降低，結(jié)構(gòu)反應(yīng)減少,橡膠剪應(yīng)變

8、超過50%以后，剛度又逐漸有所回升，起到安全閥的作用，有利于防止建筑的過量位移,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震,設(shè)計的關(guān)鍵-合理確定隔震支座承受的應(yīng)力,我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定： 隔震層各橡膠隔震支座，考慮永久荷載和可變荷載組合的豎向平均壓應(yīng)力設(shè)計值不應(yīng)超下表的規(guī)定,橡膠隔震支座平均壓應(yīng)力限值 注：1. 對需驗算傾覆的結(jié)構(gòu)，平均壓應(yīng)力設(shè)計值應(yīng)包括水平地震作用效應(yīng)； 2. 對需進行豎向地震作用計算的結(jié)構(gòu)，平均壓應(yīng)力設(shè)計值應(yīng)包括豎向 地震作用效應(yīng),在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震,隔震支座對應(yīng)于罕遇地震水平剪力的水平位移，應(yīng)符合下列要求,罕遇地震作用下，第

9、i 個隔震支座考慮扭轉(zhuǎn)的水平位移,第 i個隔震支座的水平位移限值； 對橡膠隔震支座，不應(yīng)超過該支座有效直徑的0.55倍和支座各橡膠層總厚度3.0倍二者的較小值,罕遇地震下隔震層質(zhì)心處或不考慮扭轉(zhuǎn)的水平位移,第 i個隔震支座的扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)，應(yīng)取考慮扭轉(zhuǎn)和不考慮扭轉(zhuǎn)時 支座計算位移的比值；當(dāng)隔震層以上結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與隔震層剛度中心在兩個主軸方向均無偏心時，邊支座的扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)不應(yīng)小于1.15,8.2隔震原理與方法,2.常用隔震裝置-其它隔震裝置,滾珠隔震裝置,已用于墨西哥城內(nèi)一座五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的學(xué)校建筑中，安放在房屋底層柱腳和地下室柱頂之間。為保證不在風(fēng)載下產(chǎn)生過大的水平位移，在地下室采用了交

10、叉鋼拉桿風(fēng)穩(wěn)定裝置,8.2隔震原理與方法,其它隔震裝置：搖擺式隔震支座,是一種搖擺隔震支座。在杯形基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)一個上下兩端有豎孔的雙圓筒搖擺體。豎孔內(nèi)穿預(yù)應(yīng)力鋼絲束并錨固在基礎(chǔ)和上部蓋板上，起到壓緊搖擺體和提供復(fù)位力的作用。在搖擺體和基礎(chǔ)壁之間填以瀝青或散粒物，可為振動時提供阻尼。經(jīng)試驗證實：當(dāng)?shù)孛婕铀俣确颠_330cm/s2時，被隔震房屋的加速度反應(yīng)被降低到無隔震反應(yīng)的1/3左右。我國山西省的懸空寺，歷史上經(jīng)歷多次大地震而仍完整無損。分析認(rèn)為是其特有的支撐木柱起到了搖擺支座隔震的作用 山西懸空寺,8.2隔震原理與方法,其它隔震裝置：不倒翁式隔震,伊朗人設(shè)計的不倒翁式隔震房屋。該房屋頂面半徑顯著大

11、于底面半徑，能起提供復(fù)位力的作用,8.3減震原理與方法,8.3.1 耗能減震原理,地震,結(jié)構(gòu),減輕結(jié)構(gòu)振動,耗能構(gòu)件,耗能,地震時，結(jié)構(gòu)在任意時刻的能量方程為,地震過程中輸入給結(jié)構(gòu)的能量,附加耗能構(gòu)件的耗能,結(jié)構(gòu)主體自身的耗能,能量觀點： 一定 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的降低,動力學(xué)觀點：耗能裝置的作用， 相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的阻尼 ， 必使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),8.3減震原理與方法,8.3.1 耗能減震原理,風(fēng)和小震,耗能裝置,較大的剛度,結(jié)構(gòu),減輕結(jié)構(gòu)振動,耗能,應(yīng)具有,結(jié)構(gòu)的使用性能,保證,強烈地震作用,耗能裝置,結(jié)構(gòu),減輕結(jié)構(gòu)振動,耗能,非彈性狀態(tài),應(yīng)率先 進入,大量消耗地震能量,有試驗表明，耗能裝置可做到消耗地震

12、總輸入能量的90%以上,8.3減震原理與方法,8.3.1 耗能減震原理,耗能元件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按下式估算,耗能減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析,非線性時程反應(yīng)分析方法 (本書第三章所述,可以利用,通常需要耗能元件的試驗數(shù)據(jù)，以確立結(jié)構(gòu)動力方程中的阻尼矩陣,耗能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比,所有耗能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗的能量,設(shè)置耗能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能,8.3減震原理與方法,8.3.2 耗能減震裝置,阻尼器,耗能交叉支撐,耗能墻,8.3減震原理與方法,阻尼器,與速度相關(guān)的粘彈型阻尼器,以摩擦或金屬屈服為特征的位移相關(guān)型阻尼器,阻尼器,支撐處,框架與剪力墻的連接處,梁柱連接

13、處,上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接處,有相對變形或相對 位移的地方,安裝于,8.3.2 耗能減震裝置-阻尼器,8.3減震原理與方法,粘彈型阻尼器,最大長度915mm，最小長度595mm，沖程320mm,8.3.2 耗能減震裝置,8.3減震原理與方法,摩擦阻尼器,330,12.5,25,12.5,100,8.3.2 耗能減震裝置-阻尼器,8.3減震原理與方法,各種形狀的軟鋼阻尼器（彈塑性阻尼器,8.3.2 耗能減震裝置-阻尼器,8.3減震原理與方法,8.3.2 耗能減震裝置-耗能支撐,耗能交叉支撐 摩擦耗能支撐 耗能偏心支撐 耗能耦撐 屈服約束支撐,8.3減震原理與方法,塑性耗能支撐,耗能交叉支撐,支撐交叉

14、處 通過鋼框或鋼環(huán)的塑性變形消耗地震能量,8.3減震原理與方法,摩擦耗能支撐,在支撐桿或節(jié)點板上開長圓孔,8.3減震原理與方法,耗能偏心支撐,偏心支撐框架,8.3減震原理與方法,耗能隅撐,耦撐框架,8.3減震原理與方法,屈曲約束支撐,屈曲約束支撐的基本部件,屈曲約束支撐 的軸力位移關(guān)系,8.3減震原理與方法,屈曲約束支撐,屈曲約束支撐的一些典型截面形狀,8.3減震原理與方法,周邊耗能墻 摩擦耗能墻,8.3.2 耗能減震裝置-耗能墻,8.3減震原理與方法,8.3.3 吸振減震原理,地震,結(jié)構(gòu),減輕結(jié)構(gòu)振動,附加子,能量轉(zhuǎn)移,8.3減震原理與方法,運動平衡方程,剛度,阻尼系數(shù),主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量,附加子

15、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、 阻尼系數(shù)、剛度,8.3.3 吸振減震原理,8.3減震原理與方法,考慮簡諧地面運動輸入 考慮無阻尼體系的反應(yīng)特征,主結(jié)構(gòu)振幅為零,系統(tǒng)振動能量集中于子結(jié)構(gòu)而主體結(jié)構(gòu)得到了保護,數(shù)學(xué)推導(dǎo),地震動含有多種頻率分量 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也必然是有阻尼系統(tǒng),子結(jié)構(gòu)的頻率等于地面運動輸入頻率,實際情況,子結(jié)構(gòu)頻率接近或等于主結(jié)構(gòu)頻率時,主結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)總是 可以得到一定程度的降低,8.3.3 吸振減震原理,8.3減震原理與方法,按照隨機振動原理的分析結(jié)果,R是主結(jié)構(gòu)的振動控制頻率參數(shù) 當(dāng)R1時，表示具有減震效果,大量理論分析結(jié)果表明,主結(jié)構(gòu)的阻尼比越小， 吸振裝置的減震作用越大,質(zhì)量比增加，減震作用增大,

16、8.3.3 吸振減震原理,8.3減震原理與方法,8.3.4 吸減震裝置,調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD,通過彈簧連接于主體結(jié)構(gòu)，可安裝在高聳結(jié)構(gòu)或高層建筑的頂部,調(diào)頻質(zhì)量阻尼器是包括質(zhì)量系和彈簧、阻尼系的小型振動系統(tǒng),8.3減震原理與方法,調(diào)諧液體阻尼器（TLD,將裝水的容器置于結(jié)構(gòu)物上，結(jié)構(gòu)振動時，水的振蕩也能形成一個調(diào)頻質(zhì)量阻尼器,設(shè)計TLD時，應(yīng)盡量使水的振蕩周期接近結(jié)構(gòu)的固有周期。水的振蕩頻率公式為,水面波的波長,水深,重力加速度,8.3.4 吸減震裝置,8.4結(jié)構(gòu)主動控制,外部能源,施加控制力,地震,結(jié)構(gòu),減小結(jié)構(gòu)振動,結(jié)構(gòu)的動力特性,改變,借鑒現(xiàn)代控制思想,8.4.1 基本概念,8.4結(jié)構(gòu)主動控制,主動控制體系組成,傳感器,處理器 （一般為計算器,作動器 (一般為加力裝置,測量,結(jié)構(gòu)所受外部激勵 及結(jié)構(gòu)相應(yīng),傳送,計算,所需的控制力,傳送,有外部能源提供所需的 控制力,8.4結(jié)構(gòu)主動控制,控制體系分類,開環(huán)控制,閉環(huán)控制,開閉環(huán)控制,震源,控制器,結(jié)構(gòu),反應(yīng),震源,結(jié)構(gòu),反應(yīng),控制器,震源,控制器,結(jié)構(gòu),反應(yīng),