建筑抗震與設防第八章 減震隔震課件

1、第8章隔震、減震與結構控制初步8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展8.2 隔震原理與方法8.3 減震原理與方法8.4 結構主動控制初步 剛性結構體系：結構地震反應接近地面地震運動，一般不發(fā)生結構強度破壞但浪費材料。 柔性結構，通過大大減少結構物的剛性來避免結構與地面運動發(fā)生類共振，從而減輕地震力。但是，這種結構體系在地震動作用下結構位移過大，在較小的地震時即可能影響結構的正常使用 延性結構通體系過適當控制結構物的剛度與強度，使結構構件在強烈地震時進人非彈性狀態(tài)后仍具有較大的延性，從而可以通過塑性變形消耗地震能量，使結構物至少保證“壞而不倒”，在現(xiàn)代抗震設計中，實現(xiàn)延性結構體系的設計是工程師所追

2、求的抗震基本目標。 8.1結構抗震設計思想的演化與發(fā)展 然而，延性結構體系的結構，仍然是處于被動地抵御地震作用的地位。對于一般性建筑物，當遭遇相當基本烈度的地震襲擊時，結構即可能進人非彈性破壞狀態(tài)，從而導致建筑物裝修與內(nèi)部設備的破壞，造成巨大的經(jīng)濟損失。對于某些生命線工程(如電力、通訊部門的核心建筑)，結構及內(nèi)部設備的破壞可以導致生命線網(wǎng)絡的癱瘓，所造成的損失更是難以估量。所以，隨著現(xiàn)代化社會的發(fā)展，各種昂貴設備在建筑物內(nèi)部配置的增加，延性結構體系的應用也有了一定的局限性。面對新的社會要求，各國地震工程學家一直在尋求新的結構抗震設計途徑。 隔震是通過某種隔離裝置，將地震動與結構隔開，以達到減小

3、結構振動的目的。隔震方法主要有基底隔震和懸掛隔震等類型。 減震是通過采用一定的耗能裝置或附加子結構，吸收或消耗地震傳遞給主體結構的能量，從而減輕結構的振動。減震方法主要有耗能減震、吸振減震等類型。 狹義的制振技術又稱結構主動控制。它是通過自動控制系統(tǒng)主動地給結構施加控制力，以期達到減小結構振動的目的。 目前，結構隔震技術已基本進人實用階段，而對于減震與制振技術，則正處于研究、探索、部分應用于工程實踐的時期。8.2.1 隔震原理與分析模型8.2.2 常用隔震裝置8.2 隔震原理與方法8.2.1 隔震原理與分析模型 基底隔震的基本思想是在結構物地面以上部分的底部設置隔震層，使之與固結于地基中的基礎

4、頂面分離開，從而限制地震動向結構物的傳遞。大量試驗研究工作表明:合理的結構隔震設計，一般可使結構的水平地震加速度反應降低60%左右，從而可以有效地減輕結構的地震破壞，提高結構物的地震安全性。 隔震層通常具有較大的阻尼，從而使結構所受地震作用較非隔震結構有較大的衰減。隔震層具有很小的側移剛度，從而大大延長了結構物的周期，因而，結構加速度反應得到進一步降低。與此同時，結構位移反應在一定程度上有所增加。 在進行基底隔震結構設計時應注意: （1）在滿足必要的豎向承載力前提下，隔震裝置的水平剛度應盡可能小，以使結構周期盡可能遠離地震動的優(yōu)勢周期范圍; (2)保證在風作用下結構不致有太大的位移。為此，通常

5、要求在隔震結構系統(tǒng)底部安裝風穩(wěn)定裝置或用阻尼器與隔震裝置聯(lián)合構成基底隔震系統(tǒng)。 隔震建筑系統(tǒng)的動力分析模型可根據(jù)具體情況選用單質點模型、多質點模型，甚至空間分析模型。當上部結構側移剛度遠大于隔震層的水平剛度時，可以近似認為上部結構是一個剛體，從而將隔震結構簡化為單質點模型進行分析。8.2.2 常用隔震裝置 1.橡膠支座隔震 橡膠支座是最常見的隔震裝置。常見的橡膠支座分為鋼板疊層橡膠支鉛芯橡膠支座、石墨橡膠支座等類型。鋼板疊層橡膠支座由橡膠片和薄鋼板疊合而成。 疊層橡膠支座 鉛芯橡膠支座1一橡膠;2一鉛芯;3-鋼片 通常使用的橡膠支座，水平剛度是豎向剛度的1%左右，且具有顯著的非線性變形特征。當

6、小變形時，其剛度很大，這對建筑結構的抗風性能有利。當大變形時，橡膠的剪切剛度可下降至初始剛度的1/5一1/4，這就會進一步降低結構頻率，減少結構反應。當橡膠剪應變超過50%以后，剛度又逐漸有所回升，起到安全閥的作用，對防止建筑的過量位移有好處。 橡膠支座隔震裝置設計的關鍵是合理確定隔震支座承受的應力。我國建筑抗震設計規(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力設計值不應超過表8-2的規(guī)定。在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應力。橡膠隔展支座平均壓應力限值 建筑類別甲類建筑乙類建筑丙類建筑平均壓應力（MPa）101215注: 1.對需驗算傾覆的結構，平均壓應力設計值應包括

7、水平地震作用效應; 2.對需進行豎向地震作用計算的結構，平均壓應力設計值應包括豎向地震作用效應; 3.當橡膠支座的第二形狀系數(shù)小于5.0時，應降低平均壓應力限值;直徑小于300mm的支座，其平均壓應力限值對丙類建筑為12MPa。8.3 減震原理與方法8.3.1 耗能減震原理8.3.2 耗能減震裝置8.3.3 吸振減震原理8.3.4 吸振減震裝置8.3.1 耗能減震原理 耗能減震是通過采用耗能構件以消耗地震傳遞給結構的能量為目的的減震手段。 地震時，結構在任意時刻的能量方程為式中 Et地震過程中輸人給結構的能量;Es結構主體自身的耗能; Ef附加耗能構件的耗能。 從能量的觀點看，地震輸入給結構的

8、能量E，是一定的，因此，耗能裝置耗散的能量越多，則結構本身需要消耗的能量就越小，這意味著結構地震反應的降低。另一方面，從動力學的觀點看，耗能裝置的作用，相當于增大結構的阻尼，而結構阻尼的增大，必將使結構地震反應減小。 在風和小震作用下，耗能裝置應具有較大的剛度，以保證結構的使用性能。在強烈地震作用時，耗能裝置應率先進人非彈性狀態(tài)，并大量消耗地震能量。試驗表明，耗能裝置可做到消耗地震總輸入能量的90%以上。 耗能減震結構的地震反應分析可以采用的時程反應分析方法。 耗能部件附加給結構的有效阻尼比超過20%時，宜按20%計算。耗能減震結構的剛度可以取為結構剛度和耗能部件剛度之和。8.3.2 耗能減震

9、裝置 1.阻尼器 阻尼器通常安裝在支撐處、框架與剪力墻的連接處、梁柱連接處以及上部結構與基礎連接處等有相對變形或相對位移的地方。在基底隔震系統(tǒng)中，阻尼器常與隔震裝置相配合使用。常用的阻尼器有以下幾種:活塞式阻尼器 摩擦阻尼器3.耗能墻 耗能墻實質上是將阻尼器或耗能材料用于墻體所形成的耗能構件或耗能子結構。周邊耗能墻 在墻與框架連接的周邊，可填粘性材料。強烈地震時，墻周邊出現(xiàn)非彈性縫并錯動，消耗地震能量。摩擦耗能墻 預應力摩擦剪力墻以豎向預應力為手段，在墻頂面與梁底部接縫處做一條摩擦縫。地震作用時，通過摩擦縫的反復水平滑動消耗地震能量。在豎縫剪力墻的豎縫中填以摩擦材料，也可形成摩擦耗能墻體。 吸

10、振是通過附加子結構使主結構的能量向子結構轉移的減震方式。8.3.3吸振減震原理8.3.4 吸振減震裝置1.調頻質量阻尼器(TMD ) 這種裝置通常做成可滑動的質量塊，可以安裝在高聳結構或高層建筑的頂部比較適合于阻尼比較小的鋼結構或橋梁結構的風振控制，對于阻尼比較大的混凝土高層建筑結構的振動控制尤其是地震反應控制，效果往往不太明顯。 2.調諧液體阻尼器(TLD) 將裝水的容器置于結構物上，結構振動時，水的蕩晃亦形成一個調頻質量阻尼器，通常稱這類裝置為TLD。為了增大阻尼，可在水平處設置一層篩網(wǎng)。8.4.1 基本概念8.4.2 控制原理8.4.3 結構主動控制裝置8.4 結構主動控制初步 主動控制

11、是借鑒現(xiàn)代控制論思想而提出的一類振動控制方法，其設想是利用外部能源，在結構受地震激勵而運動的過程中，實時地施加控制力，改變結構動力特性，以減小結構地震反應。 主動控制體系一般由三部分組成: (1)傳感器。安裝在結構上，測量結構所受外部激勵及結構響應，將測得的信息傳送給控制系統(tǒng)中的處理器; (2)處理器。一般為計算機。用于依據(jù)給定的控制算法，計算結構所需的控制力，并將控制信息傳送給控制系統(tǒng)中的制動器; (3)制動器。一般為加力裝置。用于根據(jù)控制信息由外部能源提供結構所需的控制力。8.4.1基本概念 8.4.2 控制原理8.4.3 結構主動控制裝置1. 主動調頻質量阻尼器(ATMD ) 這是在TMD基礎上增加主動控制力而構成的減震裝置。目前ATMD尚處于研制開發(fā)階