隔震減震與結構控制初步課件第八章第八章:隔震減震與結構控制初步隔震減震與結構控制初步隔震減震與結構控制初步課件第八章:隔震減震與結構控制初步8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展8.2 8.2 隔震的原理與方法隔震的原理與方法8.3 8.3 減震的原理與方法減震的原理與方法8.4 8.4 結構主動控制初步結構主動控制初步隔震減震與結構控制初步課件8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展產(chǎn)生傳遞引起震源 地震波建筑物所在場地結構的地震反應隔震減震與結構控制初步課件8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展地震位移反應地震剪力小大小大地震內(nèi)力隔震減震與結構控制初步課件8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展地震動作用下結構位移過大,實踐上的困難 延性延性結構體系結構體系剛性結構體系 反應接近地面地震運動一般不發(fā)生結構強度破壞導致材料的浪費柔性結構體系 減少結構物的剛性避免結構與地面運 動發(fā)生類共振減輕地震力隔震減震與結構控制初步課件8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展 “延性結構體系延性結構體系”基本要求基本要求實現(xiàn)延性結構體系設計是工程師所追求的抗震基本目標適當控制結構物的剛度與強度結構構件進入非彈性狀態(tài)后仍具有較大的延性通過塑性變形消耗地震能量“壞而不倒壞而不倒”隔震減震與結構控制初步課件8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展當?shù)鼗玖叶鹊卣鸾ㄖ锟赡苓M入非彈性破壞狀態(tài) 裝修與內(nèi)部 設備破壞延性結構體系的結構 被動抵御地震作用作用導致巨大經(jīng)濟損失某些生命線工程損失更是難以估量延性結構體系的應用也有了一定的局限性隔震、減震、隔震、減震、制振技術制振技術隔震減震與結構控制初步課件8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展隔震隔震：地震動結構隔離裝置隔開減小結構振動主要方法主要方法基底隔震懸掛隔震隔震減震與結構控制初步課件8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展香港匯豐銀行（懸掛隔震）南加州大學醫(yī)院（隔震結構）隔震減震與結構控制初步課件8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展減震減震：地震結構減輕結構振動耗能裝置或附加子結構耗能主要方法主要方法耗能減震沖擊減震吸振減震隔震減震與結構控制初步課件8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展主動控制主動控制（狹義的制震技術）自動控制系統(tǒng)施加控制力地震結構減小結構振動隔震減震與結構控制初步課件8.1 8.1 結構抗震設計思想的演化與發(fā)展結構抗震設計思想的演化與發(fā)展研究、探索并部分應用于工程實踐的時期。隔震技術實用階段減震制振技術隔震減震與結構控制初步課件 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法8.2.1 8.2.1 隔震原理隔震原理隔震基底隔震懸掛隔震結構物地面以上部分隔震層隔開限制地震動向結構物的傳遞固結于地基中的基礎 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法8.2.1 8.2.1 隔震原理隔震原理 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法基底隔震結構設計應注意:(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盡可 能小，以使結構周期盡可能遠離地震動的卓越周期范圍(2).保證隔震結構在強風作用下不致有太大的位移。通常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)。8.2.1 8.2.1 隔震原理隔震原理 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法8.2.2 8.2.2 隔震分析模型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 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法8.2.2 8.2.2 隔震分析模型隔震分析模型-單質(zhì)點模型單質(zhì)點模型gxmkxxcxm 動力平衡方程:結構的總質(zhì)量；隔震層的阻尼系數(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。mkc,xxx,gx 上部結構側移剛度遠大于 隔震層的水平剛度上部結構近似為 一個剛體單質(zhì)點模型 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法8.2.2 8.2.2 隔震分析模型隔震分析模型多質(zhì)點模型多質(zhì)點模型隔震層簡化NiihKK1等效粘滯阻尼比計算式為：hNiiieqKK1水平剛度為k阻尼系數(shù)為c結構層隔震支座數(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:8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法8.2.2 8.2.2 隔震分析模型隔震分析模型隔震裝置隔震層以上結構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0.530.350.260.18水平向減震系數(shù)0.750.500.380.25層間剪力最大比值與水平向減震系數(shù)的對應關系層間剪力最大比值與水平向減震系數(shù)的對應關系水平向減震系數(shù)不宜低于0.25，且隔震結構的總水平地震作用不得低于非隔震結構在6度設防時的總水平地震作用 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法8.2.3 8.2.3 常用隔震裝置常用隔震裝置-橡膠支座隔震橡膠支座隔震 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法1.1.橡膠支座隔震橡膠支座隔震實例實例南加州大學醫(yī)院（隔震結構）橄欖景醫(yī)院（抗震結構）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 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法橡膠支座隔震橡膠支座隔震實例實例 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法橡膠支座隔震橡膠支座隔震橡膠支座鋼板疊層橡膠支座鋁芯橡膠支座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用還不多 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法橡膠支座隔震橡膠支座隔震鋼板：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 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法橡膠支座隔震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 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法橡膠支座隔震：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，抗風有利大變形，橡膠剪切剛度下降，結構頻率降低，結構反應減少橡膠剪應變超過50%以后，剛度又逐漸有所回升，起到安全閥的作用，有利于防止建筑的過量位移 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法橡膠支座隔震橡膠支座隔震：設計的關鍵-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下表的規(guī)定。建筑類別甲類建筑乙類建筑丙類建筑平均壓應力（Mpa）101215 橡膠隔震支座平均壓應力限值橡膠隔震支座平均壓應力限值 注：1.對需驗算傾覆的結構，平均壓應力設計值應包括水平地震作用效應；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；在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應力 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法橡膠支座隔震：橡膠支座隔震：隔震支座對應于罕遇地震水平剪力的水平位移，應符合下列要求：iiuu ciiuu罕遇地震作用下，第 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)，應取考慮扭轉(zhuǎn)和不考慮扭轉(zhuǎn)時 支座計算位移的比值；當隔震層以上結構的質(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)不應小于1.15 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法2.2.常用隔震裝置常用隔震裝置-其它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構的學校建筑中，安放在房屋底層柱腳和地下室柱頂之間。為保證不在風載下產(chǎn)生過大的水平位移，在地下室采用了交叉鋼拉桿風穩(wěn)定裝置 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法其它隔震裝置：搖擺式隔震支座其它隔震裝置：搖擺式隔震支座是一種搖擺隔震支座。在杯形基礎內(nèi)設一個上下兩端有豎孔的雙圓筒搖擺體。豎孔內(nèi)穿預應力鋼絲束并錨固在基礎和上部蓋板上，起到壓緊搖擺體和提供復位力的作用。在搖擺體和基礎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?shù)孛婕铀俣确颠_330cm/s2時，被隔震房屋的加速度反應被降低到無隔震反應的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 8.28.2隔震原理與方法隔震原理與方法其它隔震裝置：不倒翁式隔震其它隔震裝置：不倒翁式隔震伊朗人設計的不倒翁式隔震房屋。該房屋頂面半徑顯著大于底面半徑，能起提供復位力的作用。8.38.3減震原理與方法減震原理與方法8.3.1 8.3.1 耗能減震原理耗能減震原理地震結構減輕結構振動耗能構件耗能地震時，結構在任意時刻的能量方程為：fEEEst地震過程中輸入給結構的能量附加耗能構件的耗能結構主體自身的耗能能量觀點：一定 結構地震反應的降低 tEsEfE動力學觀點：耗能裝置的作用，相當于結構的阻尼 ，必使結構地震反應 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法8.3.1 8.3.1 耗能減震原理耗能減震原理風和小震耗能裝置較大的剛度結構減輕結構振動耗能應具有結構的使用性能保證強烈地震作用耗能裝置結構減輕結構振動耗能非彈性狀態(tài)應率先 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總輸入能量的90%以上。8.38.3減震原理與方法減震原理與方法8.3.1 8.3.1 耗能減震原理：耗能減震原理：耗能元件附加給結構的有效阻尼比可按下式估算：耗能減震結構的地震反應分析非線性時程反應分析方法 (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)，以確立結構動力方程中的阻尼矩陣耗能減震結構的附加有效阻尼比)4/(scaWW所有耗能部件在結構預期位移下往復一周所消耗的能量設置耗能部件的結構在預期位移下的總應變能 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法8.3.2 8.3.2 耗能減震裝置耗能減震裝置阻尼器耗能交叉支撐耗能墻 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法阻尼器與速度相關的粘彈型阻尼器以摩擦或金屬屈服為特征的位移相關型阻尼器阻尼器支撐處框架與剪力墻的連接處梁柱連接處上部結構與基礎連接處有相對變形或相對 位移的地方安裝于8.3.2 8.3.2 耗能減震裝置耗能減震裝置-阻尼器阻尼器 8.38.3減震原理與方法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320mm8.3.2 8.3.2 耗能減震裝置耗能減震裝置 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法摩擦阻尼器33012.52512.51008.3.2 8.3.2 耗能減震裝置耗能減震裝置-阻尼器阻尼器 8.38.3減震原理與方法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 8.3.2 耗能減震裝置耗能減震裝置-阻尼器阻尼器 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法8.3.2 8.3.2 耗能減震裝置耗能減震裝置-耗能支撐耗能支撐 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 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法塑性耗能支撐耗能交叉支撐耗能交叉支撐支撐交叉處通過鋼框或鋼環(huán)的塑性變形消耗地震能量 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法摩擦耗能支撐摩擦耗能支撐在支撐桿或節(jié)點板上開長圓孔 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法耗能偏心支撐耗能偏心支撐偏心支撐框架 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法耗能隅撐耗能隅撐耦撐框架 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法屈曲約束支撐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系 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法屈曲約束支撐屈曲約束支撐屈曲約束支撐的一些典型截面形狀 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法周邊耗能墻摩擦耗能墻8.3.2 8.3.2 耗能減震裝置耗能減震裝置-耗能墻耗能墻 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法8.3.3 8.3.3 吸振減震原理吸振減震原理地震結構減輕結構振動附加子能量轉(zhuǎn)移 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法運動平衡方程：gxmvkvcxkxcxm 011000gxmvkvcvxm 1111-剛度-阻尼系數(shù)-主體結構質(zhì)量-附加子結構質(zhì)量、阻尼系數(shù)、剛度0m0c0k1m1c1kxxv18.3.3 8.3.3 吸振減震原理：吸振減震原理：8.38.3減震原理與方法減震原理與方法 考慮簡諧地面運動輸入考慮無阻尼體系的反應特征主結構振幅為零系統(tǒng)振動能量集中于子結構而主體結構得到了保護數(shù)學推導 地震動含有多種頻率分量結構系統(tǒng)也必然是有阻尼系統(tǒng)子結構的頻率等于地面運動輸入頻率實際情況子結構頻率接近或等于主結構頻率時 主結構的地震反應總是可以得到一定程度的降低8.3.3 8.3.3 吸振減震原理吸振減震原理 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法按照隨機振動原理的分析結果R是主結構的振動控制頻率參數(shù)當R1時，表示具有減震效果大量理論分析結果表明：主結構的阻尼比越小，吸振裝置的減震作用越大質(zhì)量比增加，減震作用增大8.3.3 8.3.3 吸振減震原理：吸振減震原理：8.38.3減震原理與方法減震原理與方法8.3.4 8.3.4 吸減震裝置吸減震裝置調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）通過彈簧連接于主體結構，可安裝在高聳結構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) 8.38.3減震原理與方法減震原理與方法調(diào)諧液體阻尼器（TLD）將裝水的容器置于結構物上，結構振動時，水的振蕩也能形成一個調(diào)頻質(zhì)量阻尼器設計TLD時，應盡量使水的振蕩周期接近結構的固有周期。水的振蕩頻率公式為：LhtgLgf22水面波的波長水深重力加速度8.3.4 8.3.4 吸減震裝置吸減震裝置 8.48.4結構主動控制結構主動控制外部能源施加控制力地震結構減小結構振動結構的動力特性改變借鑒現(xiàn)代控制思想8.4.1 8.4.1 基本概念基本概念 8.48.4結構主動控制結構主動控制主動控制體系組成主動控制體系組成傳感器傳感器 處理器處理器（一般為計算器）作動器作動器(一般為加力裝置)測量結構所受外部激勵 及結構相應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 8.48.4結構主動控制結構主動控制控制體系分類控制體系分類開環(huán)控制閉環(huán)控制開閉環(huán)控制震源控制器結構反應震源結構反應控制器震源控制器結構反應控制器近年來研制的主動控制裝置一般采用閉環(huán)控制原理進行設計 8.48.4結構主動控制結構主動控制8.4.2 8.4.2 控制原理控制原理結構運動方程：tuxmkxxcxmg 作動器對結構施加主動控制力帶入上式 gxmxkxcxmtu 0111gxmmxkkxccxmm 0111 對結構實施主動控制 相當于改變了結構動力特性結構剛度與阻尼增大、地震作用減小 8.48.4結構主動控制結構主動控制 gxmmxkkxccxmm 01110111kcm為開環(huán)控制00m為閉環(huán)控制111,kcm0m 和 皆不為零 為開閉環(huán)控制主動可調(diào)剛度控制主動可調(diào)阻尼控制主動可調(diào)質(zhì)量控制011 cm011 km011 kc 8.48.4結構主動控制裝置結構主動控制裝置 8.4.3 8.4.3 結構主動控制裝置結構主動控制裝置主動調(diào)頻質(zhì)量阻尼器：（ATMD）主動拉索TMD基礎上增加主動控制力而構成應用集中于高層建筑與高聳結構