工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(jià)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(shí)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(jì)。 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(dòng)控制地震反應(yīng)(或工程結(jié)構(gòu)的減震控制)。 工程結(jié)構(gòu)的減震控制：工

2、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(dòng)力參數(shù)或動(dòng)力作用。 這種使工程結(jié)構(gòu)在地震(或風(fēng))作用下的動(dòng)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(dòng)控制、半主動(dòng)控制、主動(dòng)控制及混合控制等類型。如圖41所示。 1) 被動(dòng)控制被動(dòng)控制 被動(dòng)控制是指被動(dòng)控制是指無(wú)外加能源的控制，其控制力是由

3、于控制裝置隨結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)變形而被動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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

4、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(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)移的方法。即：使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制主動(dòng)控制 主動(dòng)控制主動(dòng)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(dòng)施加的。 由于主動(dòng)控制的減震效果基本上不依賴于外部擾動(dòng)，其控制效果明顯優(yōu)于被動(dòng)控制。 常用的主動(dòng)控制裝置有：主動(dòng)控制調(diào)諧質(zhì)量控制系統(tǒng)(AMD)、

5、主動(dòng)TMD、主動(dòng)錨索控制系統(tǒng)等。 主動(dòng)控制特別適用于對(duì)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(yáng)能帆板等，具有低頻率、低阻尼、輕質(zhì)量和大跨度的特點(diǎn)，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(shí)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(duì)其有害振動(dòng)進(jìn)行抑制。主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)被認(rèn)為是解決大型柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)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。速度的提高使得電梯振動(dòng)加劇，影響了乘坐舒適性以及電梯的使用壽命。因此，振動(dòng)控制是高速電梯需

6、要解決的重要課題。電梯的振動(dòng)包括垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)兩方而，目前國(guó)內(nèi)對(duì)電梯振動(dòng)的研究主要集中于垂直振動(dòng)方面。z瞿偉廉 MR半主動(dòng)阻尼器3) 混合控制及半主動(dòng)控制混合控制及半主動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)主動(dòng)控制系統(tǒng)和被動(dòng)控被動(dòng)控制系統(tǒng)制系統(tǒng)同時(shí)施加在一個(gè)結(jié)構(gòu)，或同時(shí)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(diǎn)，控制效果更好。同時(shí)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(duì)比見表4-1。 控制技術(shù)應(yīng)用范圍特點(diǎn)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(duì)安全

7、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(jì)計(jì)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(jì)計(jì)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(jì)計(jì)算需進(jìn)一步研究主動(dòng)控制對(duì)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(dòng)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(guó)醫(yī)生J.A. Calantarients在1909年發(fā)明的

8、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(shí)建筑物可以產(chǎn)生滑動(dòng)，避免建筑物產(chǎn)生破壞。 設(shè)計(jì)中還針對(duì)地震引起建筑物與基礎(chǔ)之間的相對(duì)位移，對(duì)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(qǐng)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

9、動(dòng)支座、滑動(dòng)式支座、擺動(dòng)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(cuò)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(shí)，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(shí)，橡膠層的相對(duì)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(shí)剛度較大，可保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或小震

10、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(shí)，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(zhǎng)、遠(yuǎn)離場(chǎng)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(gè)結(jié)構(gòu)的位移集中于隔震層，而上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)由倒三角形的快速晃功轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛恼w平動(dòng)(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(diǎn)及應(yīng)用范圍隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)

11、相比，隔震體系具有下述特點(diǎn)： (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(jiǎn)單明確抗震措施簡(jiǎn)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(jì)的對(duì)象從考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的抗震措施轉(zhuǎn)變?yōu)橹豢紤]隔震裝置，簡(jiǎn)單明了，設(shè)計(jì)計(jì)算、構(gòu)造、施工等大為簡(jiǎn)化。(3) 結(jié)構(gòu)安全有保障，無(wú)需修復(fù)結(jié)構(gòu)安全有保障，無(wú)需修復(fù) 在地面劇烈震動(dòng)時(shí)，上部結(jié)構(gòu)仍處于正常的彈性工作狀態(tài)，對(duì)一般民用建筑結(jié)構(gòu)，能保證人們?cè)趶?qiáng)地震中的安全，對(duì)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，

12、能保證其使用功能在強(qiáng)地震時(shí)正常發(fā)揮。 地震后，只需對(duì)隔震裝置進(jìn)行必要的檢查和局部維修，無(wú)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(jì)上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)(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(jì)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(jì)自由度大。 (5) 降低房屋造價(jià)降低房屋造價(jià) 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(diǎn)的斷面、配筋減少，構(gòu)造及施工簡(jiǎn)單，大大節(jié)省造價(jià)。 雖然隔震裝置需要增加造價(jià)(約5)，但建筑總造價(jià)仍可降低，且安全度大大提高。

13、 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(chǎng)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(chǎng)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(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)、有核輻射裝置等建筑。 (d) 內(nèi)部有重要設(shè)備儀器的建筑結(jié)構(gòu)物，如計(jì)算機(jī)中心、精密儀器中心、實(shí)驗(yàn)中心、檢測(cè)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)

14、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(jiǎn)化為僅做水平運(yùn)動(dòng)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(dòng)力計(jì)算模型如圖412所示。 則隔震結(jié)構(gòu)在地層作用下的慣性力、阻尼力、彈性恢復(fù)力分別為： 設(shè) 分別為地面運(yùn)動(dòng)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(duì)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。 gggxxx,

15、SSSxxx, )()(gSSgSCSIxxKFxxCFxMF 由達(dá)朗伯原理得： 或 令， 則 tiaStigeRxex , Ra反映了隔震結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)地面加速度的衰減效果，其與/n 當(dāng)Ra1，即/n1.414時(shí)，表示結(jié)構(gòu)在任何阻尼比的情況下均無(wú)隔震作用。 當(dāng)/n1.414時(shí)，Ra1，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(shí)，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(shí)，Ra1，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與場(chǎng)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)

16、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)阻尼比的增大而增大，當(dāng)太大時(shí)，反而對(duì)隔震不利。 但阻尼比的增大對(duì)減小結(jié)構(gòu)的位移是有利的，因此有個(gè)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(dòng)微分方程為： 容易求得隔震結(jié)構(gòu)豎向震動(dòng)的加速度反應(yīng)衰減比為： 對(duì)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

17、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(chǎng)地的特征用期為Tg=0.30.8s，此時(shí)，/vn0.060.26，此時(shí)，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(jiān)向地震作用，但也不會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的豎向震動(dòng)。 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(dòng)控制被動(dòng)控制 被動(dòng)控制研究得最多的是調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(Tuned Mass Damper，簡(jiǎn)稱TMD)。 在圖416的基礎(chǔ)上增加一個(gè)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(dòng)加速度作用下的地震響應(yīng)。 可以

18、用主結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)TMD系統(tǒng)系統(tǒng)受地震激勵(lì)時(shí)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(wú)無(wú)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(píng)價(jià)TMD減震的效果。 這里有一個(gè)最佳TMD參數(shù)設(shè)計(jì)的問題，參數(shù)為質(zhì)量比與阻尼比。 實(shí)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(gè)多個(gè)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)量阻尼器MTMD (Multiple Tuned Mass Damper)，應(yīng)用于電視塔天線、大型斜拉橋、高層樓房等特高或大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中。 2 ) 主動(dòng)控制主動(dòng)控制 近年來，主動(dòng)控制研究得較多的是主動(dòng)調(diào)頻(諧)質(zhì)量阻尼器(ATMD)。 主動(dòng)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(ATMD)在結(jié)構(gòu)和TMD系統(tǒng)間引入了主動(dòng)控制力，克服了被動(dòng)TMD的固有缺陷，進(jìn)一步提高了控制性能。 圖中u(t)為控制力，這里要研究u(t)與系統(tǒng)的質(zhì)量比、頻率比和阻尼比之間的最佳關(guān)系。 3) 半主動(dòng)控制半主動(dòng)控制 半主動(dòng)控制是通過改變受控結(jié)構(gòu)的參數(shù)來減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的響應(yīng)。由于它不象主動(dòng)控制那樣需要巨大的外部能源直接提供控制力