被動減震結構設計簡述

第一節(jié)基本概述根據(jù)減震構件的種類分類粘滯阻尼器2摩擦阻尼器4油阻尼器31粘彈性阻尼器33第一節(jié)基本概述1.摩擦阻尼器——利用金屬（或非金屬）之間的摩擦產(chǎn)生阻尼。加拿大PallDynamic公司的摩擦阻尼最有代表性。它的構造簡單,造價低。缺點是承受力較小，溫度的穩(wěn)定性差。2.粘彈性阻尼器——利用一些粘彈性材料產(chǎn)生阻尼。美國3M公司的粘彈性阻尼在日本有了很大的應用。但它有個初始剛度，也有溫度的穩(wěn)定性的問題。3.液體粘滯阻尼器——利用液體在運動中的粘滯特性產(chǎn)生阻尼。這種阻尼器在軍事和宇航上已經(jīng)成功的應用了幾十年，精確性好，穩(wěn)定性高，缺點是價格較高4.金屬屈服阻尼器——利用金屬的屈服產(chǎn)生阻尼。金屬屈服阻尼器通常采用低碳鋼或鉛作為原料，前者有良好的塑性變形能力，后者有較強的延展性能。這種阻尼器的滯回特性穩(wěn)定，低周疲勞性能較好，缺點是屈服后無法恢復。阻尼器構件外形減震構件結構形式直接連接型間接連接型其他型式減震構件結構形式直接型：直接將變形傳給減震構件。間接型：將層間變形通過梁或短柱傳給減震構件。其他形式：利用總體變形或設置放大裝置將層間變形放大的裝置。適用范圍（1）建筑物類別：辦公樓、醫(yī)院、電算中心、住宅、工廠、大跨度建筑、游藝場、構筑物等（2）結構種類：鋼結構、鋼筋混凝土結構、勁性鋼筋混凝土結構、木結構等（3）規(guī)模：中低層、高層、超高層建筑物（4）減震目的：降低地震反應、降低風振反應等第二節(jié)減震原理從能量角度分析單質(zhì)點體系減震結構力學原理和性能各阻尼器的特性從能量角度分析耗能減震結構原理傳統(tǒng)抗震結構Ein=Ev+Ec+Ek+Eh耗能減震結構Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+EdEin——地震過程中輸入結構體系的能量；Ev——結構體系的動能；Ec——結構體系的粘滯阻尼耗能；Ek——結構體系的彈性應變能；Eh——結構體系的滯回耗能；Ed——耗能（阻尼）裝置或耗能元件耗散或吸收的能量。從能量角度分析耗能減震結構原理a）地震輸人b）傳統(tǒng)抗震結構c）消能減震結構從能量角度分析耗能減震結構原理傳統(tǒng)結構抗震分析

Ev、Ek不耗能，只做能量的轉(zhuǎn)換Ec占比很小主要靠Eh（結構體系滯回耗能），彈塑性變形耗能，構件會損失甚至破壞。耗能減震結構

耗能阻尼裝置在結構主體進入彈塑性變形前發(fā)揮作用，進入耗能工作狀態(tài)，充分發(fā)揮耗能作用，耗散大量輸入結構體系的地震能量，則結構本身需消耗的能量很少，這意味著結構反應將大大減小，從而有效地保護了主體結構，使其不再受到損傷或破壞。單質(zhì)點體系減震結構力學原理和性能減震結構是依靠與主結構連接的阻尼器的附加剛度和粘滯特性，對建筑物在地震作用下產(chǎn)生的位移、速度、加速度反應進行控制。附加剛度——系統(tǒng)周期縮短粘滯特性——吸收能量，導致增加阻尼Sd、Spv、Spa的分別表示位移反應譜、擬速度反應譜、擬加速度反應譜自振周期Tf——有阻尼器是等效周期Teq初始阻尼比h0——等效阻尼比heq等效周期與等效阻尼比降低地震反應的原理等效周期與等效阻尼比降低地震反應的原理效應1（附加剛度）：周期上升，位移減小加速度上升效應2（增加阻尼）：阻尼增加，位移、速度、加速度均減小減震結構的滯回特性及其效應在減震結構的地震反應簡易預測及設計中，必須考慮減震構件的滯回特性及其與其他構件的平衡關系、地震動的輸入特性、減震構件與主結構的制約條件，對減震構件附加給主結構的剛度與粘滯特性所產(chǎn)生的效應做出適當?shù)脑u估。減震結構的滯回特性及其效應圖用單質(zhì)點體系模型表述減震機理圖a表示直接型的支撐型，圖b表示間接型的中間柱型，圖c表示阻尼器和支撐串聯(lián)，然后和主體框架并聯(lián)。減震結構的滯回特性及其效應圖使用各種阻尼器的減震結構中的能量吸收部分、附加體系、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)反應減震結構的滯回特性及其效應儲存剛度=最大變形時的力/最大位移損失剛度=零變形時的力/最大位移油阻尼器和粘滯阻尼器的能量吸收部分的儲存剛度為零粘彈性阻尼器和軟鋼阻尼器的能量吸收部分的兩種剛度均存在減震設計方法的基本原理給建筑物附加剛度和阻尼，其附加的程度可用儲存剛度和損失剛度來表示若能評估阻尼器的儲存剛度和損失剛度，就可以評估系統(tǒng)的儲存剛度和損失剛度，進而求得等效自振周期和阻尼比。粘滯阻尼器粘滯阻尼器主要有筒式粘滯阻尼器、粘滯阻尼墻系統(tǒng)等。筒式粘滯阻尼器一般由缸體、活塞和粘滯流體組成。活塞上開有小孔，并可以在充有硅油或其他粘性流體的缸內(nèi)作往復運動。當活塞與筒體間產(chǎn)生相對運動時，流體從活塞的小孔內(nèi)通過，對兩者的相對運動產(chǎn)生阻尼，從而耗散能量。粘滯阻尼器粘滯阻尼器液體粘滯阻尼器最適于結構工程應用，這種阻尼器有以下明顯的優(yōu)點：1.內(nèi)置液體，本身沒有可計算的剛度，不影響整個結構原有的設計和計算（如周期，振型等），也就不會產(chǎn)生預想不到的副作用；2.呈橢圓型的滯迴曲線（圖1-2(1)），保證了安置在結構上的阻尼器在最大位移的狀態(tài)下受力為零，最大受力情況下位移為零，這一性能對減小結構反應十分有利；3.它既可以降低地震反應中的結構受力也可以降低反應位移。4.可在地震和大風荷載下重復使用；5.只要內(nèi)置液體選用合適，幾十年沒有老化、變質(zhì)問題。粘滯阻尼器摩擦阻尼器Pall型摩擦耗能器及典型滯回曲線摩擦阻尼器摩擦耗能器是根據(jù)摩擦做功而耗散能量的原理設計的。金屬阻尼器工作特點：結構處在正常使用狀態(tài)時，消能支撐充當結構構件，為結構提供初始剛度；結構在大震或強風作下，消能支撐率先進入屈服耗能階段，抗疲勞性能好，滯回環(huán)飽滿，增強了耗能能力，從而提高了結構的抗震性能。摩擦阻尼器摩擦阻尼器主要通過界面摩擦生熱耗散振動能量，其效果的好壞關鍵取決于接觸面的粗糙程度和法向力裝置的好壞。通常設計成風振和小震作用下阻尼器不耗能，僅僅在靜摩擦階段工作；在中震和大震作用下處于滑動摩擦階段，在此階段內(nèi)，摩擦阻尼器的受力往往是小于或等于最大靜摩擦力的恒定值。粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器是由粘彈性材料和約束鋼板所組成。粘彈性阻尼器的典型滯回曲線呈橢圓形，具有很好的耗能性能，它能同時提供剛度和阻尼。粘彈性阻尼器的性能受溫度、頻率和應變幅值的影響。其耗能能力隨著溫度的增加而降低；隨著頻率的增加而增加，但在高頻下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耗能能力逐漸退化至某一平衡值。粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器(3M)美國世貿(mào)雙塔樓1969WorldTradeCenterTower消能裝置：3M粘彈性阻尼器共10000×2個從10層到110層，每層100個，每塔樓10000個，兩棟塔樓阻尼比由原來不到1%增加到3.0%建設日期：1966-1973年（1969年開始裝設阻尼器）第三節(jié)減震效果及實例評價實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建建筑物概要所在地：大阪府用途：辦公樓規(guī)模：建筑面積2,666m2樓層總面積：29,499m2地上8層、地下3層、塔樓3層、高度29.90m結構類型：勁性鋼筋混凝土結構(型鋼混凝土）、一部分為鋼筋混凝土結構基礎類型：直接閥式基礎施工：1964年7月實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建加固后建筑物概要施工時間：1998年6月~2001年3月（分二期實施）加固概要：外包鋼板加固柱，粘貼鋼板加固墻減震加固：油阻尼器邊工作邊施工實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建抗震分析主要問題①柱的抗剪切配筋不足，屬于韌性不足的剪切破壞型。特別是外圍結構的大梁是墻梁，柱的h/D小而形成短柱，屬于剪切破壞性型。同時外圍柱由于地震時軸力的變化也會使柱軸力比增大。②抗震墻的平均剪應力大，屬于剪切破壞型。實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建加固計劃柱：外包鋼板鋼筋混凝土墻：外粘鋼減震加固：設置油阻尼器，目的為吸收能量，減小變形。實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建減震裝置：鋼結構支撐和油阻尼器串聯(lián)。實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建特點：勁性鋼筋混凝土結構剛度大，減震結構采用剛度大的支撐，同時為保證對小震的作用，采用高靈敏度的阻尼器。（速度相關性可滿足小變形時發(fā)揮作用）。在1~6層的外圍結構面內(nèi)的每層在縱向設置4個、橫向設置4個。實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建減震效果用地震反應分析檢驗減震效果。將地上部分模擬成1層1個質(zhì)點的等效剪切層模型，假定阻尼為初始剛度比例型（3%）輸入地震動5條，兩條人工波，三條實際波。

實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建實例1使用油阻尼器的勁性鋼筋混凝土結構

8層政府辦公樓的改建層間位移的降低率大致為25%左右，驗證了減震裝置的加固效果。實例2合肥翡翠電視塔-高聳塔架結構安裝摩擦阻尼器實例2合肥翡翠電視塔-高聳塔架結構安裝摩擦阻尼器概要合肥翡翠電視塔塔高339m鋼結構電視塔具有廣播電視發(fā)射與傳輸、微波通訊和旅游觀光等綜合功能標高255m以下為正六邊形空間桁架體系,底部外接圓直徑為88m,標高255m以上為正四邊形天線桅桿,其中65m和218.2m處設球形塔樓(下塔樓和上塔樓)。該塔的絕大多數(shù)質(zhì)量和剛度集中于上下塔樓處,而與上塔樓相連的高達84m的天線桅桿的剛度則非常小。實例2合肥翡翠電視塔-高聳塔架結構安裝摩擦阻尼器風振動控制將阻尼器設置于層間變形較大的質(zhì)點(節(jié)點層)之間將有較好的減振效果。上下塔樓處共設置48根阻尼器標高69.5m與92m之間和189.75m與202.4m之間分別設置了24根摩擦阻尼器實例2合肥翡翠電視塔-高聳塔架結構安裝摩擦阻尼器實例2合肥翡翠電視塔-高聳塔架結構安裝摩擦阻尼器實例2合肥翡翠電視塔-高聳塔架結構安裝摩擦阻尼器實例2合肥翡翠電視塔-高聳塔架結構安裝摩擦阻尼器實例2合肥翡翠電視塔