工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計基礎(chǔ) Prat1 第3章 工程結(jié)構(gòu)的隔震與消能減震

1、3.4.3 3.4.3 工程結(jié)構(gòu)的隔震與消能減震工程結(jié)構(gòu)的隔震與消能減震 1 結(jié)構(gòu)控制方法概述結(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(qiáng)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(qiáng) 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(biāo)。 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(dá)到預(yù)期效果。 為了使重要建筑物(如紀(jì)念性建筑、博物館、核電 站、通訊樞紐、大型橋梁等)在強(qiáng)震時能保證正常運(yùn)行 功能，可以運(yùn)用結(jié)構(gòu)控制理論進(jìn)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)

2、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(jī)構(gòu)，如隔震支座、消能 支撐、消能剪力墻、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(fēng))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(jìn)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。 1) 被動控制被動控制 被動控制是指被動控制

3、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)出的隔震裝置主要有：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) 耗能減震耗能減震技術(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

4、散罕遇地震作用下的地震能量，保護(hù)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(dá)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 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

5、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(fēng))要求較高的重要建筑、高層建筑、 重要橋梁、特種建筑等，但費(fèi)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(yán)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(jìn)行抑制。主動振動控制技術(shù)被認(rèn)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 z 電梯是高層建筑的重要運(yùn)輸上具。隨著城市的擴(kuò)張和 高層建筑的發(fā)展，電梯的速度不斷提高。

6、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。 z瞿偉廉 MR半主動阻尼器 3) 混合控制及半主動控制混合控制及半主動控制 結(jié)構(gòu)的混合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的混合控制系統(tǒng)是將主動控制系統(tǒng)主動控制系統(tǒng)和被動控被動控 制系統(tǒng)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(qiáng)。 4 ) 各種控制技術(shù)的比較各種控制技術(shù)的比較 各種控制技術(shù)的對比見

7、表4-1。 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(jìn)一 步研究 主動控制對抗風(fēng)要求較高的建筑物技術(shù)尚待完善，運(yùn)行費(fèi)用較高 混合控制及 半主動控制 各種不同類型、不同要求的建筑物組合合理可以達(dá)到較好效

8、果 表4-1 各種控制技術(shù)的比較 2 工程結(jié)構(gòu)隔震工程結(jié)構(gòu)隔震 1 ) 概述概述 圖4-2為英國醫(yī)生J.A. Calantarients在1909年發(fā)明的 隔震方案。 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)。 隔震結(jié)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

9、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)。 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。 2) 隔震層隔震層 (1) 多層橡膠支座的構(gòu)造多層橡膠支座的構(gòu)造 多層橡膠隔層支座由薄橡膠片與鋼板相互交錯疊 置而成，如圖46所示。 (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 多層橡膠隔震支座的工作原理如圖47所示。 當(dāng)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(dāng)橡膠支座承受水平荷載時

10、，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(fēng) 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1415(如圖49所示)，使 結(jié)構(gòu)的自振周期大大延長、遠(yuǎn)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)的地 震作用約可降低為隔震前的l4112。 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(yuǎn)遠(yuǎn) 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

11、為緩慢的整體平動(見 圖411)。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。 4) 隔震結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用范圍隔震結(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)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(dāng)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)的14一112。 (2) 抗震措施簡單明確抗震措施簡單明確 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。 (

12、3) 結(jié)構(gòu)安全有保障，無需修復(fù)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(qiáng)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(qiáng)地 震時正常發(fā)揮。 地震后，只需對隔震裝置進(jìn)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)計上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(平面、立面、體形、構(gòu)件等平面、立面、體形、構(gòu)件等) 限制大大減少限制大大減少 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(yán)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

13、。 (5) 降低房屋造價降低房屋造價 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) 造及施工簡單，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：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(jī)場等。 (c) 地震區(qū)的重要建筑結(jié)構(gòu)物，如重要?dú)v史性建 筑、博物館、重要紀(jì)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

14、輻 射裝置等建筑。 (d) 內(nèi)部有重要設(shè)備儀器的建筑結(jié)構(gòu)物，如計算機(jī)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。 (f) 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)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yùn)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。 其動力計算模型如圖412所示。 則隔震結(jié)構(gòu)在地層

15、作用下的慣性力、阻 尼力、彈性恢復(fù)力分別為： 設(shè) 分別為地面運(yùn)動的水平地震加速 度、速度和位移， 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。 ggg xxx, , SSS xxx, , )( )( gSS gSC SI xxKF xxCF xMF 由達(dá)朗伯原理得： 或 令， 則 ti aS ti g eRxex , Ra反映了隔震結(jié)構(gòu)對地面加速度的衰減效果，其 與/n的關(guān)系曲線如圖413所示。 Ra反映了隔震結(jié)構(gòu)對地面加速度的衰減效果，其 與/n 當(dāng)Ra1，即/n1.414 時，表

16、示結(jié)構(gòu)在任何阻尼 比的情況下均無隔震作用。 當(dāng)/n1.414時，Ra 1，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， /n越大，隔震效果越好。 當(dāng)/n1.414時，Ra1， 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(dāng)/n1時，Ra1， 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與場地共振，可能 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。 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0.100.30，/n2.54.5，則Ra0.060.33， 而一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Ra2，因此，隔震結(jié)構(gòu)的最大加速度 反應(yīng)僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的1/331/6。 阻尼比與/n的關(guān)系為： 關(guān)系曲線如圖414所示。 從圖中可以看出，Ra隨著隔震結(jié)構(gòu)阻尼比的增

17、大 而增大，當(dāng)太大時，反而對隔震不利。 但阻尼比的增大對減小結(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(yùn)動微分方程為： 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： 對常用的多層橡膠隔震支座而言，為保證隔震結(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(dá)5MN/mm)，其豎向固有周期 Tvs=0.050.08s，一般場地的特征用期為Tg=0.30.8s， 此時，/vn0.060.26，此時，Rva1.0。 可見，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，

18、但也不會加劇結(jié)構(gòu)的 豎向震動。 基礎(chǔ)隔震體系 4 結(jié)構(gòu)隔震與減震的發(fā)展結(jié)構(gòu)隔震與減震的發(fā)展 1) 被動控制被動控制 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)，如 圖417，成為主結(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(yùn)動加速 度作用下的地震響應(yīng)。 可以用主結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)TMD系統(tǒng)系統(tǒng)受地震激勵時的位移均位移均 方值或加速度均方值方值或加速度均方值與無無TMD的單自由度結(jié)構(gòu)的單自由度結(jié)構(gòu)的位移位移 均方值或加速度均方值均方值或加速度均方值的比值比值來評價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) 量比與阻尼比。 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(jì)80年代以 后，人們采用多個多個具 有不同分布頻率的 TMD組成多重調(diào)諧多重調(diào)諧 質(zhì)量阻尼器質(zhì)