《抗震結構設計》多媒體課件 第章二

武漢理工大學出版社9隔震與耗能減震房屋設計9.隔震與耗能減震房屋設計9.1概述抗震設計：依靠結構的強度、剛度和延性來抵御地震作用立足于“抗”，是一種消極設計方法傳統(tǒng)抗震方法存在的問題。（1）結構的安全性難以保證傳統(tǒng)抗震方法以既定的“設防烈度”作為設計依據，由于地震的隨機性，建筑結構的破損程度及倒塌的可能性難以控制，當發(fā)生突發(fā)性超烈度地震時，房屋可能會嚴重破壞。9.1概述（2）建筑費用和成本大幅度增加傳統(tǒng)方法是在設計時提高材料強度、加大構件（結構）剛度，其結果是斷面越大，剛度越大，使用面積減少，建筑物自重增大，地震作用亦隨之增大。（3）適用范圍受到限制傳統(tǒng)抗震方法采用的是延性結構體系，允許結構部件在強震時發(fā)生比較大的塑性變形，以消耗地震能量，減輕地震反應，這種方法對于某些不容許在地震中出現(xiàn)破壞的結構、或內部有貴重裝飾、重要設備儀器的結構是不適用的。9.1概述（4）施工難度大結構構件和節(jié)點的鋼筋配置過密，9度區(qū)甚至無法排布。（5）建筑物的高度受到限制等。為克服傳統(tǒng)抗震方法的缺陷，結構振動控制技術（簡稱“結構控制”）逐漸發(fā)展起來。結構控制的概念：通過對結構施加控制機構，由控制機構與結構共同承受振動作用，以調諧和減輕結構的振動反應，使它在外界干擾作用下的各項反應值被控制在允許范圍內。

9.1概述結構控制的概念：在工程結構的特定部位裝設某種裝置（如隔震墊等）、或某種機構（如耗能支撐、耗能剪力墻、耗能節(jié)點、耗能器等）、或某種子結構（如調頻質量等）、或施加外力（外部能量輸入）、或調整結構的動力特性，使工程結構在地震（或風）的作用下，其結構的動力反應（加速度、速度、位移）得到合理的控制，從而確保結構本身及結構中的人、儀器設備、裝修等的安全或處于正常的使用狀態(tài)。結構控制技術按控制措施實施的方式不同，一般分為被動控制（PassiveControl）、主動控制（ActiveControl）、半主動控制（Semi—ActiveControl）和混合控制（HybridControl）四類。9.1概述（1）被動控制（PassiveControl）:

隔震、結構自控和結構附加裝置控制。

①隔震：在建筑物適當部位設置隔震裝置，切斷或削弱地面運動向上部結構的傳遞，并提供適當的阻尼，從而使上部結構的地震作用大大降低，耗能能力加強。如疊層橡膠墊支座、高阻尼橡膠墊支座、滑移隔震支座和混合隔震裝置等。9.1概述②結構自控(耗能減震）：通過在結構中優(yōu)選耗能材料和耗能桿件，設置多道抗震防線達到耗能減震的目的。

常見的有：豎向通縫SW（剪力墻）、周邊縫SW、雙功能連梁、帶抗震連梁的SW、頂層為剛性連梁的SW、偏交支撐、梁端設塑性鉸的框架、懸掛式結構、底層設耗能縫的磚混結構。9.1概述③結構附加裝置控制：在結構的適當位置安放耗能減震裝置，以達到耗能減震的目的。

主要有：各種耗能支撐、預應力摩擦墻、金屬阻尼器、摩擦阻尼器、調頻質量阻尼器（TMD）、調頻液體阻尼器（TLD）、粘滯流體阻尼器和粘彈性阻尼器等等。9.1概述（2）主動控制（ActiveControl）指有外加能源的控制，其控制力是按最優(yōu)控制的規(guī)律，由外加能源驅動控制裝置主動施加的。其工作原理為：9.1概述

常見的類型有：主動調頻質量阻尼器(ActiveTunedMassDamper,

簡稱AMD)；主動支撐系統(tǒng)（ActiveBrace）；主動拉索控制器（ActiveTendon）；主動空氣擋風板控制器（ActiveAerodynamicAppendayes）等。9.1概述（3）混合控控制（HybridControl）混合控制制是將主動控制制與被動控制制同時施加加在同一一結構上上的結構構振動控控制形式式。9.1概述組合方式式：一種是主主從組合合方式，即以某某一控制制為主控控制部件件，其他他部件通通過主要要部件實實現(xiàn)對結結構的控控制。另一種是是并列組組合方式式，即兩種種控制各各自獨立立工作，，對結構構實施校校正作用用。目前，較較為典型型的幾種種混合控控制裝置置有：AMD與TMD相組合、、AMD與TLD相組合、、主動控制制與基礎礎隔震相相組合、、主動控制制與耗能能減震相相組合、、HMS（液壓－－質量振振動控制制系統(tǒng))與AMD相組合等等。9.1概述（4）半主動動控制（（Semi-activeControl）以參數控控制為主主，只需需少量能能源即可可實現(xiàn)其其控制過過程。主要類型型有：半主動變變剛度裝裝置，半半主動變變阻尼裝裝置，半半主動耗耗能裝置置，半主主動TMD，半主動動TLD，變摩擦擦阻尼，，磁流變變阻尼器器，可控控流體阻阻尼器和和可控摩摩擦隔震震支撐等等。9.1概述結構耗能能減震建建筑的特特點：1.耗能減震震裝置可可同時減減少結構構的水平平和豎向向的地震震作用，，適用范范圍較廣廣，結構構類型和和高度均均不受限限制；2.耗能減震震裝置應應使結構構具有足足夠的附附加阻尼尼，以滿滿足罕遇遇地震下下預期的的結構位位移要求求；3.由于耗能能減震結結構不改改變結構構的基本本型式，，除耗能能部件和和相關部部件外，，結構設設計仍可可按照《規(guī)范》對相應結結構類型型的要求求執(zhí)行。。9.1概述耗能減震震技術的的優(yōu)越性性：1.安全性：：耗能構件件或耗能能裝置在在強震中中能率先先消耗的的地震能能量，迅迅速衰減減結構的的地震反反應并保保護主體體結構和和構件免免遭破壞壞，確保保結構的的安全。。耗能減震震結構的的地震反反應比傳傳統(tǒng)結構構降低40%——60%。2.經濟性：：耗能減震震結構可可以減少少剪力墻墻的設置置，減少少結構斷斷面和配配筋，可可節(jié)約造造價5%—10%。若用于于舊建筑筑物的抗抗震加固固，則可可節(jié)約造造價10%——60%。3.技術合理理性：結構越高高、越柔柔，耗能能減震效效果越顯顯著。9.2結構隔震震設計結構隔震震主要有有基底隔震震和懸掛隔震震兩種。9.2.1結構隔震震原理在結構物物底部與與基礎頂面之間間設置隔隔震消能裝置，，使之與與固結于地基中中的基礎礎頂面分開，限限制地震震動向結構物傳傳遞。9.2.1結構隔震震原理9.2.1結構隔震震原理為達到明顯減減震效果，通通常基礎隔震系統(tǒng)統(tǒng)需具備以下下四種特性：：(1)承載特性：具有足夠的的豎向強度和和剛度以支撐撐上部結構的的重量；(2)隔震特性：具有足夠的水水平初始剛度度，在風載和和小震作用下下，體系能保保持在彈性范范圍內，滿足足正常使用的的要求，而中中強地震時，，其水平剛度度較小，結構構為柔性隔震震結構體系；；(3)復位特性：地震后，上部部結構能回復復到初始狀態(tài)態(tài)，滿足正常常的使用要求求。9.2.1結構隔震原理理(4)耗能特性：隔震系統(tǒng)本身身具有較大的的阻尼，地震震時能耗散足足夠的能量，，從而降低上上部結構所吸吸收的地震能能量?；赘粽鸬倪m適用范圍：高度不超過40m，以剪切變形形為主且質量量和剛度沿高高度分布比較較均勻的多層層和中高層結結構。9.2.2隔震系統(tǒng)的組組成與類型（1）隔震系統(tǒng)的的組成隔震裝置由隔震器、阻尼尼器和復位裝裝置組成。隔震器的作用用：支承上部結結構全部質量量，延長結構構自振周期，，同時具有經經歷較大變形形的能力。阻尼器的作用用：消耗地震能量量，抑制結構構可能發(fā)生的的過大位移，，同時在地震震終了時幫助助隔震器迅速速復位。復位裝置的作作用：提高隔震系統(tǒng)統(tǒng)早期剛度，，使結構在微微震或風載作作用下，能夠夠具有和普通通結構相同的的安全性。9.2.2隔震系統(tǒng)的組組成與類型常用的隔震器器：疊層橡膠支座座、螺旋彈簧簧支座、摩擦擦滑移支座等等。常用的阻尼器器：彈塑性阻尼器器、粘彈性阻阻尼器、粘滯滯阻尼器、摩摩擦阻尼器等等。常用的隔震系系統(tǒng)：疊層橡膠支座座隔震系統(tǒng)、、摩擦滑移加加阻尼器隔震震系統(tǒng)、摩擦擦滑移擺隔震震系統(tǒng)。目前應用最廣廣泛的隔震裝裝置為疊層橡膠支座座隔震系統(tǒng)。。9.2.2隔震系統(tǒng)的組組成與類型（2）疊層橡膠支支座的構造與與性能疊層橡膠支座座一般由薄橡膠板與薄鋼板分層交替疊合合，經高溫高高壓硫化粘結結而成。具有很大的豎豎向承載力和和豎向剛度(豎向荷載作用用下，橡膠板板的橫向變形形受到剛板的的約束，處于于三向壓力狀狀態(tài)）。水平剛度較小小，水平變形形能力大（水平剛度一一般為豎向剛剛度的1%，具有明顯的的非線性特性性）。小變形時，其其水平剛度能能保證建筑物物在風載下的的使用功能；；大變形時橡橡膠剪切剛度度下降較多，，約為初始剛剛度的20%，可以大幅度度降低結構振振動頻率，減減小地震反應應。9.2.2隔震系統(tǒng)的組組成與類型疊層隔震橡膠支座座包括天然夾層橡膠膠支座、鉛芯橡膠支座座，高阻尼橡膠支支座等。天然夾層隔震震橡膠支座特點：：高彈彈性、、低阻阻尼。。豎向剛剛度較較大，，承受受建筑筑物的的重量量時豎豎向變變形小小。水平剛剛度較較小，，且線線性性性能好好。阻尼很很小，，不具具備足足夠的的耗能能能力力。在結構構使用用中一一般同同其它它阻尼尼器或或耗能能設備備聯(lián)合合使用用。9.2.2隔震系系統(tǒng)的的組成成與類類型鉛芯疊疊層橡橡膠支支座鉛芯芯隔隔震震橡橡膠膠支支座座是是在在疊疊層層橡橡膠膠支支座座的的圓圓形形孔孔中中壓壓入入鉛鉛而而成成。。鉛芯芯的的作作用用：：提提高高支支座座的的吸吸能能能能力力；；確保保支支座座有有適適度度的的阻阻尼尼；；增加加支支座座的的初初始始剛剛度度；；控制制風風反反應應和和抵抵抗抗微微震震的的作作用用。。鉛芯芯橡橡膠膠支支座座不不但但具具有有較較理理想想的的豎豎向向剛剛度度，，而而且且本本身身具具有有消消耗耗地地震震能能量量的的能能力力，，可可單單獨獨使使用用，，故故鉛鉛芯芯橡橡膠膠支支座座在在結結構構使使用用中中受受到到廣廣泛泛歡歡迎迎。。9.2.2隔震震系系統(tǒng)統(tǒng)的的組組成成與與類類型型高阻阻尼尼疊疊層層橡橡膠膠支支座座采用用了了高高阻阻尼尼橡橡膠膠，，同同時時兼兼有有隔隔震震器器和和阻阻尼尼器器的的作作用用，，目目前前在在我我國國尚尚無無使使用用。。鉛芯芯疊疊層層橡橡膠膠支支座座9.2.3隔震震系系統(tǒng)統(tǒng)的的應應用用下圖圖分分別別是是世世界界上上第第一一棟棟采采用用鉛芯橡膠膠支座隔隔震的建筑(TheWilliamClaytonBuilding,NewZealand)和世界上上使用鉛鉛芯橡膠膠支座中中基底面面積最大大的建筑筑(日本)。9.2.3隔震系統(tǒng)統(tǒng)的應用用日本1997年度評定定的隔震震建筑中中，采用用鉛芯橡橡膠支座座隔震房房屋占總總數的40%；美國在1985年以后興興建的隔隔震房屋屋中，完完全或部部分采用用鉛芯橡橡膠支座座的隔震震房屋占占總數的的60.7%；我國在已已建成的的隔震房房屋中，，完全或或部分采采用鉛芯芯橡膠支支座的隔隔震房屋屋占總數數的60%。1994年9月16日，臺灣灣海峽發(fā)發(fā)生了7.3級地震，，震源距距離汕頭頭市約200公里，汕汕頭市烈烈度為6度，各類類房屋搖搖晃厲害害，居民民驚惶失失措，水桶里的的水濺出出了1/3左右……而陵海路路隔震樓樓上的人人并沒有有感到晃晃動，聽聽到毗鄰鄰樓房和和鄰街喧喧鬧聲后后下樓才才知道發(fā)發(fā)生了地地震。9.2.3隔震系統(tǒng)統(tǒng)的應用用1994年1月17日，美國圣圣菲爾南多多發(fā)生洛杉杉磯地震，，震級M=6.7，死亡56人，傷7300人，損失很很大。震中中附近有兩兩座醫(yī)院，，一座為隔震結構，，另一座為抗震結構。。中南加州大大學醫(yī)院（（隔震結構構）橄欖景醫(yī)院院（抗震結結構）9.2.3隔震系統(tǒng)的的應用中南加州大大學醫(yī)院是是橡膠支座座隔震系統(tǒng)。地下下一層，地地上7層，建筑面積：33000平方米；最最高高度：：36.0m；鉛芯多層橡橡膠隔震器器68個，多層橡膠隔隔震器81個。地震時，這這棟八層醫(yī)醫(yī)院基礎加加速度為0.49g，而頂層加加速度只有有0.21g,加速度折減減系數為1.8。在這次地震震及其其后后的余震中中，建筑物物內的各種種機器均未損壞，醫(yī)醫(yī)院功能得得到維持，，成為防災災中心，起起到十分重要的作用用。9.2.3隔震系統(tǒng)的的應用橄欖景醫(yī)院院為抗震結結構，其底層加速度度為0.82g，而頂層加加速度為2.31g,加速度放大大系數為2.8。在此次地震震中，剪力力墻產生剪剪切裂縫，設設備機器、、醫(yī)療機械械及家具等翻倒倒，病歷等等資料掉下下、散亂。而且且水管破裂裂，各層浸浸水，建筑物不能能使用，完完全喪失了了醫(yī)院的功功能。10年后重建，，并增加了了抗震強度度。9.3耗能減震結結構設計9.3.1結構耗能減減震體系的的分類結構耗能減震震體系由主體結構和耗耗能部件（耗能裝置和和連接件）組組成，可以按按照耗能部件件的不同“構構件型式”分分為以下類型型：（1）耗能支撐可以代替一般般的結構支撐撐，在抗震和和抗風中發(fā)揮揮支撐的水平平剛度和耗能能減震作用。。耗能裝置可以以做成方框支撐、圓圓框支撐、交交叉支撐、斜斜桿支撐、K型支撐等9.3.1結構耗能減震震體系的分類類耗能支撐9.3.1結構耗能減震震體系的分類類9.3.1結構耗能減震震體系的分類類（2）耗能剪力墻墻可以代替一般般結構的剪力力墻，在抗震震和抗風中發(fā)發(fā)揮支撐的水水平剛度和耗耗能減震作用用。耗能剪力墻的的形式主要有：9.3.1結構耗能減震震體系的分類類（3）耗能節(jié)點在結構的梁柱柱節(jié)點或梁節(jié)節(jié)點處安裝耗耗能裝置。當結構構產生生側向向位移移、在在節(jié)點點處產產生角角度變變化或或者轉轉動式式錯動動時，，耗能能裝置置即可可以發(fā)發(fā)揮耗耗能減減震作作用。。9.3.1結構耗耗能減減震體體系的的分類類（4）耗能能聯(lián)接接：在結構構的縫縫隙處處或結結構構構件之之間的的聯(lián)結結處設設置耗耗能裝裝置。。當結結構在在縫隙隙或聯(lián)聯(lián)結處處產生生相對對變形形時，，耗能能裝置置即可可以發(fā)發(fā)揮耗耗能減減震作作用9.3.1結構耗耗能減減震體體系的的分類類（5）耗能能支承承或懸懸吊構構件對于某某些線線結構構（如如管道道、線線路，，橋梁梁的懸懸索、、斜拉拉索的的連接接處等等），，設置置各種種支承承或者者懸吊吊耗能能裝置置，當當線結結構發(fā)發(fā)生振振（震震）動動時，，支支承或或者懸懸吊構構件即即發(fā)生生耗能能減震震作用用。9.3.1結構耗耗能減減震體體系的的分類類目前最最常見見的耗耗能器器為粘滯（（流體體）阻阻尼器器和粘彈性性阻尼尼器。。粘滯（（流體體）阻阻尼器器粘彈性阻阻尼器9.3.1結構耗能能減震體體系的分分類粘滯（流流體）阻阻尼器—由缸體、、活塞、和和液體構構成，活活塞在缸缸體內往往復運動動，粘滯滯液體從從一端流流向另一一端產生生阻尼力力，阻礙礙結構的的振動。。9.3.1結構耗能能減震體體系的分分類阻尼器的的試驗裝裝置9.3.1結構耗能能減震體體系的分分類粘彈性耗耗能器通常由鋼鋼板和固固體粘彈彈性材料料交替疊疊合而成成，通過過粘彈性性材料的的往復剪剪切變形形來耗散散能量。。9.3.1結構耗能能減震體體系的分分類調頻質量量阻尼裝裝置——由質量、彈彈性元件件和阻尼尼器構成成的振動動系統(tǒng)，，將其安安裝在結結構上，，結構振振動時引引起該系系統(tǒng)的共共振，由由此產生生的慣性性力反作作用于結結構，起起到減小小結構振振動反應應的作用用。調頻液體體阻尼裝裝置——由具有一一定形狀狀的盛液液容器構構成，液液體晃動動時，液液體對容容器箱壁壁產生動動壓力，，同時液液體晃動動產生阻阻尼吸收收一部分分能量。。9.3.1結構耗能能減震體體系的分分類液壓質量量控制裝裝置——由液壓缸缸、活塞、管管路和質質量塊構構成，當當結構由由地面運運動產生生振動時時，油缸缸的活塞塞推動管管路中的的液體，，使液體體和質量量隨之振振動。結結構的一一部分振振動能量量傳遞給給了該系系統(tǒng)。摩擦耗能能裝置——由摩擦元元件構成，這這些元件件相互滑滑動產生生摩擦力力，從而而耗散結結構的部部分振動動能量。。金屬耗能能裝置——由金屬材材料制成成的耗能能裝置，其耗能能機理是是通過金金屬元件件的彈塑塑性變形形來耗能能。9.3.2結構耗能能減震設設計的應應用西安長慶慶石油勘勘探局科科研樓主主體為一一個29層的鋼筋筋混凝土土結構，，高度為為105.5米。頂部微波波發(fā)射塔高44.5米，其中桅桿桿高17.5米。微波發(fā)射塔塔塔身為一個四四邊形空間桁桁架體系，寬寬度為2米。塔柱為Φ140X6鋼管，橫桿為為Φ83X4.5鋼管，斜腹桿桿為Φ95X5鋼管。桅桿為為Φ400X16鋼管。微波發(fā)發(fā)射塔與主體體采用鉸接連連接?？紤]到微波發(fā)發(fā)射塔在大風風和強震作用用下的動力響響應較大，故故本工程采用用粘滯流體阻阻尼器對該塔塔進行振動控控制以減小其其動力響應，，并滿足使用用要求。9.3.2結構耗能減震震設計的應用用該工程在微波波發(fā)射塔標高高129.5m和121.5m之間斜向設置置了12個阻尼器；在111.5m平面水平設置置了8個阻尼器。設置了粘滯流流體阻尼器之之后，在風荷載作用下下，塔頂點最最大位移（相對于主樓樓頂部）下降降了53.5%，在地震作用下下，塔頂點最最大位移（相對于主樓樓頂部）降了了62.5%。9.3.2結構耗能減震震設計的應用用1972年建成的110層紐約世貿大大廈共安裝了了1萬個粘彈性耗耗能裝置；西雅圖76層哥倫比亞大大廈安裝了260個粘彈性耗能能裝置；1988年北京飯店和和北京火車站站在抗震加固固中，分別采采用了法國和和美國生產的的粘彈性耗能能裝置。本章重點1.結構控制的類別和控制制原理。2.隔震結構的地地震反應。3.工程結構的耗能減震裝置置。9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。1月-231月-23Thursday,January5,202310、雨中黃葉樹樹，燈下白頭頭人。。02:46:1402:46:1402:461/5/20232:46:14AM11、以我獨獨沈久，，愧君相相見頻。。。1月-2302:46:1402:46Jan-2305-Jan-2312、故人江江海別，，幾度隔隔山川。。。02:46:1402:46:1402:46Thursday,January5,202313、乍見翻疑疑夢，相悲悲各問年。。。1月-231月-2302:46:1402:46:14January5,202314、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國見青青山。。05一月20232:46:14上午02:46:141月-2315、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。一月月232:46上上午午1月月-2302:46January5,202316、行動出出成果，，工作出出財富。。。2023/1/52:46:1402:46:1405January202317、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時時，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點點的射線線向前。。。2:46:14上午午2:46上午午02:46:141月-239、沒有失敗，，只有暫時停停止成功！。。1月-231月-23Thursday,January5,202310、很多多事情情努力力了未未必有有結果果，但但是不不努力力卻什什么改改變也也沒有有。。。02:46:1402:46:1402:461/5/20232:46:14AM11、成功就就是日復復一日那那一點點點小小努努力的積積累。。。1月-2302:46:1402:46Jan-2305-Jan-2312、世間成事，，不求其絕對對圓滿，留一一份不足，可可得無限完美美。。02:46:1402:46:1402:46Thursday,January5,202313、不知香積積寺，數里里入云峰。。。1月-231月-2302:46:1402:46:14January5,202314、意志堅強的的人能把世界界放在手中像像泥塊一樣任任意