工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計基礎(chǔ)Prat1工程結(jié)構(gòu)的隔震與消能減震

1、1結(jié)構(gòu)控制方法概述傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是通過加強結(jié)構(gòu)自身的抗震 能力以抵抗地震作用，如加大構(gòu)件尺寸、提高材料強 度等，使結(jié)構(gòu)滿足小震不壞、中震可修、大震不倒的 抗震設(shè)防目標。然而，傳統(tǒng)方法不僅使結(jié)構(gòu)造價大大增加，而且, 由于地震作用的不確定性而難以達到預(yù)期效果。為了使重要建筑物（如紀念性建筑、博物館、核電 站、通訊樞紐、大型橋梁等）在強震時能保證正常運行 功能，可以運用結(jié)構(gòu)控制理論進行工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。目前，結(jié)構(gòu)控制理論已從工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震發(fā)展 到主動控制地震反應(yīng)（或工程結(jié)構(gòu)的減震控制）。工程結(jié)構(gòu)的減震控制：指通過在工程結(jié)構(gòu)的特定 部位，設(shè)置某種裝置或某種機構(gòu)，如隔震支座、消能 支撐、消能剪力墻

2、、消能器等，或某種子結(jié)構(gòu)或施加 外力等方法，調(diào)整或改變結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)或動力作用。這種使工程結(jié)構(gòu)在地震（或風）作用下的動力反應(yīng) （加速度、速度、位移）得到合理控制，確保結(jié)構(gòu)本身及 結(jié)構(gòu)中人、儀器、設(shè)備、裝潢等的安全和處于正常使 用狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系，稱為工程結(jié)構(gòu)減震控制體系，其 相關(guān)的理論、技術(shù)和方法，統(tǒng)稱為工程結(jié)構(gòu)減震控制。按結(jié)構(gòu)控制的技術(shù)方法進行分類，一般可分為被 動控制、半主動控制、主動控制及混合控制等類型。 如圖41所示。躺控制一基礎(chǔ)隔靈廠被動控制耗能減廉技術(shù)l吸振減震枝術(shù) 廠主動披索系統(tǒng) 卜主動支撐系統(tǒng)主動控制一-主動可變剛度系統(tǒng)-主動質(zhì)蚩阻尼慕統(tǒng)主動週諧質(zhì)燉阻足系統(tǒng) r-amd-htmd

3、 系統(tǒng)一混合控制一卜主動控制+基礎(chǔ)痛焦系統(tǒng)l主渤控制十耗能裝置系統(tǒng)半主動控制圖47結(jié)構(gòu)控制的分類1) 被動控制被動控制是指無外加能源的控制，其控制力是由于控制裝置隨結(jié)構(gòu)一起振動變形而被動產(chǎn)生。通常在 結(jié)構(gòu)中安裝經(jīng)調(diào)整的控制裝置，以隔離或減少結(jié)構(gòu)內(nèi) 的地震能量，減少主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。被動控制包 括隔震、耗能減震、吸振減震等方法。(a) 隔震是指在工程結(jié)構(gòu)中設(shè)置某種隔震裝置以隔離 地震作用，減少地震反應(yīng)的方法。是被動控制方法中 應(yīng)用較早、理論和技術(shù)較為成熟的一種。目前開發(fā)岀的隔震裝置主要有：橡膠墊隔震； 滑移隔震；滾珠及滾軸隔震；擺動隔震；懸 吊隔震；螺旋鋼彈簧隔震；混合隔震等。(b) 耗能減震

4、技術(shù)是把結(jié)構(gòu)物中的某些構(gòu)件(如支撐、 剪力墻等)設(shè)計成耗能部件或在結(jié)構(gòu)物的某些部位裝設(shè) 阻尼器以耗散罕遇地震作用下的地震能量，保護主體 結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的安全的方法。(c) 吸振減震技術(shù)是在主體結(jié)構(gòu)中附加子結(jié)構(gòu)、使結(jié) 構(gòu)的振動發(fā)生轉(zhuǎn)移的方法。即：使結(jié)構(gòu)的振動能量在 原結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間重新分配，從而達到減小結(jié)構(gòu)振 動的目的。主要的吸振減震裝置有：調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng) (tmd)；調(diào)諧阻尼系統(tǒng)(tld)；調(diào)諧液柱式阻尼系 統(tǒng)(tlcd)；質(zhì)量泵；液壓一控制系統(tǒng)(hms)； 空氣阻尼器；油阻尼器等。2）主動控制主動控制是有外加能源的控制，其控制力是由控制裝置按某種控 制規(guī)律，由外加能源主動施加的。由

5、于主動控制的減震效果基本上不依賴于外部擾動，其控 制效果明顯優(yōu)于被動控制。常用的主動控制裝置有：主動控制調(diào)諧質(zhì)量控制系統(tǒng)（amd）、主動tmd、主動錨索控制系統(tǒng)等。主動控制特別適用于對抗震（抗風）要求較高的重要建筑、高層建筑、 重要橋梁、特種建筑等，但費用較高。大型柔性空間結(jié)構(gòu)，如大型空 間天線、太陽能帆板等，具有低頻率、低阻尼、輕質(zhì)量和大跨度的特 點，任何外界干擾都可能引起這些結(jié)構(gòu)持續(xù)大幅的振功，嚴重時將影 響航大器工作甚至導(dǎo)致航大任務(wù)的失敗。因此，必須采取措施對其有 害振動進行抑制。主動振動控制技術(shù)被認為是解決大型柔性結(jié)構(gòu)振動 控制問題的一種有效的方法電梯是高層建筑的重要運輸上具。隨著城市

6、的擴張和 高層建筑的發(fā)展，電梯的速度不斷提高。速度的提高使 得電梯振動加劇，影響了乘坐舒適性以及電梯的使用壽命。 因此，振動控制是高速電梯需要解決的重要課題。電梯的 振動包括垂直振動和水平振動兩方而，目前國內(nèi)對電梯振 動的研究主要集中于垂直振動方面。閏2ill梯轎用3水屮擾左型扌空帝h英廿？瞿偉廉mr半主動阻尼器屋蓋mr阻尼貓 柱頂圈梁屋蠱mr智能隔震系統(tǒng)力學(xué)模迪3）混合控制及半主動控制結(jié)構(gòu)的混合控制系統(tǒng)是將主動控制系統(tǒng)和被動控 制系統(tǒng)同時施加在一個結(jié)構(gòu)，或同時應(yīng)用若干種控制 方法的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。它可以充分發(fā)揮各種控制方法 及控制裝置的優(yōu)點，控制效果更好。同時系統(tǒng)的穩(wěn)定 性和可靠度有所增強。4

7、）各種控制技術(shù)的比較各種控制技術(shù)的對比見表4-1。表4-1各種控制技術(shù)的比較控制技術(shù)應(yīng)用范圍特點及存在主要問題隔震一至三十層，或高寬比不大于4的建 筑物，要求確保地震中絕對安全的 結(jié)構(gòu)物、橋梁、設(shè)備、儀器等安全可靠，減震效果明顯，技術(shù) 較為成熟，產(chǎn)品耐久性、穩(wěn)定性 能較好，設(shè)計計算方法成熟消能減震水平剛度較小的多高層建筑、塔架、 大跨度橋梁、管線等安全可靠，減震效果明顯，技術(shù) 較為成熟，設(shè)計計算較成熟質(zhì)量調(diào)諧等主振型較為明顯穩(wěn)定的多高層、超 高層建筑、塔架、大跨度橋梁等技術(shù)基本成熟，設(shè)計計算需進一 步研究主動控制對抗風要求較高的建筑物技術(shù)尚待完善，運行費用較高混合控制及 半主動控制各種不同類型

8、、不同要求的建筑物組合合理可以達到較好效果2工程結(jié)構(gòu)隔震1）概述，圖4-2為英國醫(yī)生ja calantarients在1909年發(fā)明的 隔震方案°一 n滑石/滑石該方案建議在建筑結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間用滑石層隔開,地震時建筑物可以產(chǎn)生滑動，避免建筑物產(chǎn)生破壞。設(shè)計中還針對地震引起建筑物與基礎(chǔ)之間的相對位移，對煤氣管和排水管采用了可變形的連接裝置。1924年，日本的鬼頭健三郎申請的建筑物抗震裝 置專利，是在柱腳處設(shè)置盤狀凹面，其間放入球體來 支承建筑物（如圖43） o、4-3鬼頭健三郎的隔震裝置4-3鬼頭健三郎的隔震裝置"i十一上部凹盤齊部凹盤上部凹盤4-3鬼頭健三郎的隔震裝置隔震結(jié)

9、構(gòu)體系一般由上部結(jié)構(gòu)、隔震層、下部結(jié) 構(gòu)三部分組成。由隔震裝置組成的隔震層可根據(jù)需要 設(shè)置在結(jié)構(gòu)的不同部位，如圖44所示。隔震層也可 由隔震裝置和限制結(jié)構(gòu)位移的阻尼器組成。將隔震層 設(shè)置在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)或地下結(jié)構(gòu)柱頂之間的結(jié)構(gòu) 體系稱為基礎(chǔ)隔震體系圖44(a)。(c圖4-4隔震裝置的設(shè)置位置圖4-5幾種典型的隔震裝置隔震裝置有多層橡膠支座、滾動支座、滑動式支座、擺動式支座等各種不同形式，如圖45所示。圖4-5幾種典型的隔震裝置圖4-5幾種典型的隔震裝置圖4-5幾種典型的隔震裝置圖4-5幾種典型的隔震裝置(2)多層橡膠隔震支座的工作原理多層橡膠隔震支座的工作原理如圖47所示。圖4-7多層猱膠隔

10、震支座的王作原理圖4-7多層猱膠隔震支座的王作原理圖4-7多層猱膠隔震支座的王作原理當橡膠支座承受垂直荷載時，橡膠層的橫向變形 受到約束，使隔震支座具有很大的垂直承載力和豎向 剛度。當橡膠支座承受水平荷載時，橡膠層的相對側(cè)移 大為減少，使隔震支座的整體側(cè)移增加而不致失穩(wěn)， 并且保持較小的水平剛度。3）隔震結(jié)構(gòu)減震原理隔震支座在小變形時剛度較大，可保證結(jié)構(gòu)在風荷載或小震作用下的正常使用功能。在遭遇罕遇地震而發(fā)生大變形時，其水平剛度下降 較多，約為初始剛度的1 / 41 / 5（如圖49所示），使 結(jié)構(gòu)的自振周期大大延長、遠離場地特征周期，有效地 降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)（圖410）。隔震后，結(jié)構(gòu)的

11、地 震作用約可降低為隔震前的1 / 41 / 12o圖4-9隔震裝置的荷載位移關(guān)系曲線在罕遇地震作用下，由于隔震后結(jié)構(gòu)隔震層的水平剛度遠遠 小于上部結(jié)構(gòu)的水平剛度，使整個結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，而 上部結(jié)構(gòu)的振動由倒三角形的快速晃功轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛恼w平動（見 圖4ll）o大大地減小了結(jié)構(gòu)的層間變形，使結(jié)構(gòu)在罕遇地震下 仍處于彈性狀態(tài)而不發(fā)生破壞，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。'圖4-11、隔理結(jié)構(gòu)與非隔鳶結(jié)枸地處反應(yīng)比軟4)隔震結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用范圍與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相比，隔震體系具有下述特點:(1) 有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)隔震體系上部結(jié)構(gòu)的水平地震力大為減少，加速度反 應(yīng)也只相當于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加速度反

12、應(yīng)的1 /4一 1 / 12o(2) 抗震措施簡單明確由于在罕遇地震作用下，隔震體系上部結(jié)構(gòu)仍處于 彈性狀態(tài)，抗震設(shè)計的對象從考慮整個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的抗 震措施轉(zhuǎn)變?yōu)橹豢紤]隔震裝置，簡單明了，設(shè)計計算、 構(gòu)造、施工等大為簡化。(3) 結(jié)構(gòu)安全有保障，無需修復(fù)在地面劇烈震動時，上部結(jié)構(gòu)仍處于正常的彈性 工作狀態(tài)，對一般民用建筑結(jié)構(gòu)，能保證人們在強地 震中的安全，對某些重要結(jié)構(gòu)物、生命線結(jié)構(gòu)物、內(nèi) 部有重要設(shè)備的建筑物等，能保證其使用功能在強地 震時正常發(fā)揮。地震后，只需對隔震裝置進行必要的檢查和局部維修，無須考慮建筑結(jié)構(gòu)物本身的修復(fù)。(4) 上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(平面、立面、體形、構(gòu)件等) 限制大大減少

13、由于上部結(jié)構(gòu)地震作用較小，使建筑及結(jié)構(gòu)設(shè)計可 以避免很多嚴格的抗震限制，如可采用超高砌體房屋、 大開間住宅、不規(guī)則建筑等，設(shè)計自由度大。(5) 降低房屋造價由于隔層體系的上部結(jié)構(gòu)承受的地震作用大幅度 降低，使上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點的斷面、配筋減少，構(gòu) 造及施工簡革,大大節(jié)省造價雖然隔震裝置需要增加造價(約5%),但建筑總 造價仍可降低，且安全度大大提高。結(jié)構(gòu)隔震體系特別適用于下述工程：(a) 地震區(qū)二至三十層的民用建筑，如住宅、辦公樓、 教學(xué)樓、宿舍樓、劇院、旅館、大商場等。(b) 地震區(qū)的生命線工程，如醫(yī)院、通信中心、交通 樞紐、機場等。(c) 地震區(qū)的重要建筑結(jié)構(gòu)物，如重要歷史性建 筑、博物館

14、、重要紀念性建筑物、文物或檔案館、 重要圖書館、法院、監(jiān)獄、危險品倉庫、有核輻(d) 內(nèi)部有重要設(shè)備儀器的建筑結(jié)構(gòu)物，如計算機中 心、精密儀器中心、實驗中心、檢測中心等。(e) 橋梁、架空輸水渠等重要結(jié)構(gòu)物。已有建筑物的隔震加固改造等。3基礎(chǔ)隔震體系地震反應(yīng)1）基礎(chǔ)隔震體系水平地震反應(yīng)分析由于隔震層的水平剛度遠遠小于上部結(jié)構(gòu) 的水平剛度，因而在地震作用下結(jié)構(gòu)的水平位 移集中在隔震層，而上部結(jié)構(gòu)的層間位移極小, 如果不考慮上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，則上部結(jié)構(gòu)可簡 化為僅做水平運動的剛體，而隔震層的剛度、 阻尼則可近似以隔震結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼表示。 其動力4算模型如ffi4一12崩示。隔震結(jié)構(gòu)圖4j2隔震結(jié)構(gòu)

15、及計算模型i設(shè)舞，珥7 分別為地面運動的水平地震加速度、速度和位移，略is分別為上部結(jié)構(gòu)水平加速度反應(yīng)、速度反應(yīng)和位移反應(yīng)，ds 為上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的相對位移、m為上部結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量，k、c為隔震裝置的水平總 剛度和總阻尼值。則隔震結(jié)構(gòu)在地層作用下的慣性力、阻 尼力、彈性恢復(fù)力分別為：e=_m 典fc=-c（壊-朋fs = kg - 七）由達朗伯原理得:(4-1)或心亠 曲叫心十 喙 r v.g十 如丁g(4-2)式中%隔議結(jié)構(gòu)的固有頻率叫=70；w隔宸結(jié)構(gòu)的阻用比，芒一金p令，d電鶴=巴嚴則一帀廠1十（2瓠/%）2紜 7 1 （/%）2y +（2釦/叫尸(4-4)ra反映了隔震結(jié)構(gòu)對地面加速

16、度的衰減效果,其與co/con的關(guān)系曲線如圖413所示。10 o o av-t o o o _二 l<r£ 占<r£ ac ac frs 圖4心尺與關(guān)系曲線r"反映了隔震結(jié)構(gòu)對地面加速度的衰減效果，其 與 co/con當ra= 1,即co/con= 1.414 時，表示結(jié)構(gòu)在任何阻尼 比g的情況下均無隔震作用。當co/con> 1.414時,ra< b結(jié)構(gòu)體系為隔震結(jié)構(gòu)體系, 結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)被衰減， co/con越大，隔震效果越好。當co/con< 1.414時，ra>l, 結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)，結(jié) 構(gòu)的地震反應(yīng)被放大。當 co

17、/conf 1 時，ra > > 1 , 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與場地共振，可能 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴重破壞。10000 o o o o o _二一二二二二 占亍 f 斗7 f <ly w f 4:0012345血叫圖4-13尺與少/叫關(guān)系曲線0一般采用多層橡膠隔震支座的隔震結(jié)構(gòu)，其等效阻 尼比g=0100.30，co/con=2.54.5，貝ljra=0.060.33, 而一;傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的ra>2,因此，隔震結(jié)構(gòu)的最人加速度 反應(yīng)僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的1/331/6。阻尼比g與（d/con的關(guān)系為：1/i 聲i - 3/叫)2丁2wx)7 酉一1關(guān)系曲線如圖414所示。從圖中可以看出，ra

18、隨著隔震結(jié)構(gòu)阻尼比g的增大 而增大，當g太大時，反而對隔震不利。但阻尼比g的增大對減小結(jié)構(gòu)的位移是有利的，因 此有個優(yōu)化選擇的問題。2 ）基礎(chǔ)隔震體系豎向地震反應(yīng)分析分析模型如圖416所示，運動微分方程為:mjrvs + s （爲址）+ kv （ jcv§） = 01=fa(4-8)式中 陀上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；kg a上部結(jié)構(gòu)的豎向剛度和阻尼；，臨、才呃地震地面運動的加速度、速度和位移；2、乙、m上部結(jié)構(gòu)豎向兇相對加速度、速度和位移反應(yīng)。容易求得隔震結(jié)構(gòu)豎向震動的加速度反應(yīng)衰減比為:6s/1十（2側(cè)/叫v 1 - 3叫丿干十（為如/%）?(4-10)對常用的多層橡膠隔震支座而言，為保證隔

19、震結(jié) 構(gòu)在豎向靜力荷載作用下不產(chǎn)生過大變形，其豎向剛 度要求較大（可達5mn/mm）,其豎向固有周期 tv5=0.050.08s，一般場地的特征用期為亦=0.30&, 此時，co/covn=0.060.26,此時，7?必10?？梢?，采用多層橡膠隔震支座的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)， 不能減少結(jié)構(gòu)的堅向地震作用，但也不會加劇結(jié)構(gòu)的 豎向震動?；A(chǔ)隔震體系4結(jié)構(gòu)隔震與減震的發(fā)展1) 被動控制被動控制研究得最多的是調(diào)諧質(zhì)量阻尼系 統(tǒng)(tuned mass damper,簡稱tmd)。在圖416的基礎(chǔ)上增加一個子結(jié)構(gòu)，女口 0417,成為主結(jié)構(gòu)tmd系統(tǒng)模型。曲)圖4-17主結(jié)構(gòu)-tmd系統(tǒng)模型這是2自由度系統(tǒng)，由此可以求出在地面運動加速 度作用下的地震響應(yīng)?？梢杂弥鹘Y(jié)構(gòu)一tmd系統(tǒng)受地震激勵時的位移均 方值或加速度均方值與無tmd的單自由度結(jié)構(gòu)的位移 均方值或加速度均方值的比值來評價tmd減震的效果。這里有一個最佳tmd參數(shù)設(shè)計的問題，參數(shù)為質(zhì) 量比卩與阻尼比匚實際上就是如何選擇子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的彈簧、質(zhì)量和 阻尼參數(shù)，使結(jié)構(gòu)的反應(yīng)最小。20世紀80年代以 后，人們采用多個具 有不同分布頻率的 tmd組成多重調(diào)諧 質(zhì)量阻尼器mtmd (multiple tuned mass damper),應(yīng)用于電 視塔天線、大型斜拉 橋、高層樓房