結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介三

§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介抗震結(jié)構(gòu)一.抗震結(jié)構(gòu)利用結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載力和變形能力抵御地震作用，吸收地震能量。隔震結(jié)構(gòu)消能減震結(jié)構(gòu)立足于“抗”。二.隔震結(jié)構(gòu)在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置滑移層，阻止地震能量向上傳遞。立足于“隔”。第六章結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介為達(dá)到明顯減震效果，通常基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)需具備以下四種特性：(1)承載特性：具有足夠的豎向強(qiáng)度和剛度以支撐上部結(jié)構(gòu)的重量；(2)隔震特性：具有足夠的水平初始剛度，在風(fēng)載和小震作用下，體系能保持在彈性范圍內(nèi)，滿足正常使用的要求，而中強(qiáng)地震時(shí)，其水平剛度較小，結(jié)構(gòu)為柔性隔震結(jié)構(gòu)體系；(3)復(fù)位特性：地震后，上部結(jié)構(gòu)能回復(fù)到初始狀態(tài)，滿足正常的使用要求。(4)耗能特性：隔震系統(tǒng)本身具有較大的阻尼，地震時(shí)能耗散足夠的能量，從而降低上部結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量。第六章結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介隔震系統(tǒng)回顧基礎(chǔ)隔震的概念早在19世紀(jì)已有人提過，廣義的隔震方案則更是源淵流長(zhǎng)，如北京故宮就設(shè)有糯米加石灰的柔性減震支座層；現(xiàn)代的基礎(chǔ)隔震理論和實(shí)踐開始于上世紀(jì)70年代，基礎(chǔ)隔震方案很多，下面作簡(jiǎn)單介紹1.早期隔震技術(shù)河合浩藏的“地震時(shí)不受大震動(dòng)的結(jié)構(gòu)”右圖是1891年河合浩藏的“地震時(shí)不受大震動(dòng)的結(jié)構(gòu)”。其隔震思路是在地基上并排鋪設(shè)了數(shù)層圓木，并且把建筑物周圍挖空，從而地震時(shí)可對(duì)上部建筑起到隔震第六章結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介J.A.Calantarients提出的隔震結(jié)構(gòu)右圖是J.A.Calantarients于1909年提出的隔震結(jié)構(gòu)(Base-isolatedbuilding)方案。這種隔震結(jié)構(gòu)在建筑物結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間用滑石層隔開，地震時(shí)建筑物可以滑動(dòng)。中村太郎的隔震結(jié)構(gòu)右圖是中村太郎于1927年提出的隔震結(jié)構(gòu)方案。在這種隔震系統(tǒng)中已使用阻尼泵來耗散地震動(dòng)的能量，并且在該建筑地下層柱的上下端采用鉸接構(gòu)造，建筑物可以水平自由移動(dòng)。

第六章結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介柔性層隔震結(jié)構(gòu)(Flexiblefirst-storybuilding)柔性層結(jié)構(gòu)隔震概念由Martel在1929年提出，由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)進(jìn)一步加以研究與完善；下圖是真島健三郎于1934年的柔性層結(jié)構(gòu)。地震時(shí)，柔性層進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)的剛度變小，結(jié)構(gòu)的基本周期延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)所受的地震作用減小。

第六章結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介滾動(dòng)支撐類隔震系統(tǒng)（Rollerbearingsystem）為克服柔性層結(jié)構(gòu)所帶來的缺陷，科學(xué)家們相繼提出了多種滾動(dòng)支撐類隔震系統(tǒng)，工作元件有球形和橢圓形等多種，但由于其隔震是有向性的，而地震是具有無向性，這些類型的隔震系統(tǒng)均未能推廣應(yīng)用。

第六章結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介2.最新隔震技術(shù)隔震橡膠支座(Thelaminatedrubberbearing)隔震系統(tǒng)。第六章結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介

南加州大學(xué)醫(yī)院(TheUniversityofSouthernCaliforniaTeachingHospital)是橡膠支座隔震系統(tǒng)，這棟八層醫(yī)院基礎(chǔ)加速度為0.49g，而頂層加速度只有0.21g,加速度折減系數(shù)為1.8。而抗震結(jié)構(gòu)橄欖景醫(yī)院(TheOliveViewHospital)的底層加速度為0.82g，而頂層加速度為2.31g,加速度放大系數(shù)為2.8，由此可見橡膠支座隔震系統(tǒng)的優(yōu)越性。中南加州大學(xué)醫(yī)院（隔震結(jié)構(gòu)）橄欖景醫(yī)院（抗震結(jié)構(gòu)）1994年1月17日，美國(guó)圣菲爾南多發(fā)生洛杉磯地震，震級(jí)M=6.7，直下型地震，死亡56人，傷7300人，損失很大。震中附近有兩座醫(yī)院，一座為隔震結(jié)構(gòu)，另一座為抗震結(jié)構(gòu)。第六章結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介中南加州大學(xué)醫(yī)院地下一層，地上7層，建筑面積：33000平方米；占地：4100平米；最高高度：36。0m；鉛芯多層橡膠隔震器68個(gè)，多層橡膠隔震器81個(gè)。第六章結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介中南加州大學(xué)醫(yī)院在這次地震及其其后的余震中，6-8英尺高的花瓶等沒有一個(gè)掉下來，建筑物內(nèi)的各種機(jī)器等均未損壞，醫(yī)院功能得到維持，成為防災(zāi)中心，起到十分重要的作用。第六章結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介橄欖景醫(yī)院（抗震結(jié)構(gòu)）橄欖景醫(yī)院在1971年圣費(fèi)爾南多地震震中受到較大損害害，10年后重建，并增加加了抗震強(qiáng)度。在此次地震中，剪剪力墻產(chǎn)生剪切裂裂縫，設(shè)備機(jī)器、、醫(yī)療機(jī)械及家具具等翻倒，病歷等等資料掉下、散亂亂。而且水管破裂裂，各層浸水，建建筑物不能使用，，完全喪失了醫(yī)院院的功能。一九九四年九月十六日，臺(tái)灣海峽發(fā)生了7.3級(jí)地震，震源距離汕頭市約200公里，汕頭市烈度為6度，各類房屋搖晃厲害，居民驚惶失措，水桶里的水濺出了1/3左右……而陵海路隔震樓上的人并沒有感到晃動(dòng)，聽到毗鄰樓房和鄰街喧鬧聲后下樓才知道發(fā)生了地震。第六章結(jié)構(gòu)振振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介介日本阪神大地震

一九九五年一月十七日發(fā)生了日本阪神大地震。震級(jí)7.2級(jí)，是日本戰(zhàn)后最大地震災(zāi)害。

在這次地震中，有二幢隔震結(jié)構(gòu)建筑得到了地震觀測(cè)記錄。從這些記錄可以看到隔震房屋在大地震中發(fā)揮了隔震效果，證實(shí)了隔震結(jié)構(gòu)的有效性。

WEST大廈(西部郵政大樓)建筑面積46000m2，6層，是日本最大的隔震建筑。該建筑距震源東北35公里，在基礎(chǔ)、l層和6層進(jìn)行了地震記錄觀測(cè)。213263300基礎(chǔ)193571061層377751036層上下南北東西地震觀測(cè)位置方向第六章結(jié)構(gòu)振振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介介隔震橡膠支座包括括天然夾層橡膠支支座、鉛芯橡膠支支座，高阻尼橡膠膠支座等。天然夾層隔震橡膠膠支座天然夾層橡膠支座座構(gòu)造如圖所示。。天然夾層橡膠支支座具有較大的豎豎向剛度，承受建建筑物的重量時(shí)豎豎向變形小，而水水平剛度較小，且且線性性能好。由由于天然夾層橡膠膠支座的阻尼很小小，不具備足夠的的耗能能力，所以以在結(jié)構(gòu)使用中一一般同其它阻尼器器或耗能設(shè)備聯(lián)合合使用。鉛芯隔震橡膠支座座鉛芯隔震橡膠支座座由新西蘭的ROBINSON及其公司最早研制制開發(fā)，以后在中中國(guó)、日本、美國(guó)國(guó)、意大利等國(guó)家家都得到了較大的的發(fā)展與應(yīng)用。鉛芯橡膠支座構(gòu)造造如圖所示。因?yàn)闉殂U芯橡膠支座不不但具有較理想的的豎向剛度，而且且本身具有消耗地地震能量的能力，，故鉛芯橡膠支座座在結(jié)構(gòu)使用中受受到廣泛歡迎。第六章結(jié)構(gòu)振振動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制簡(jiǎn)介介下圖分別別是世界界上第一一棟采用用鉛芯橡橡膠支座座隔震的的建筑(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)。日本1997年度評(píng)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(shù)的40%，美國(guó)在在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(shù)的的60.7%，我國(guó)在在已建成成的隔震震房屋中中，完全全或部分分采用鉛鉛芯橡膠膠支座的的隔震房房屋占總總數(shù)的60%。第六章結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)控控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制簡(jiǎn)簡(jiǎn)介基底隔振振結(jié)構(gòu)具具有以下下特性：：1）、基底底隔振導(dǎo)導(dǎo)致剪力力沿結(jié)構(gòu)構(gòu)下部有有較均勻勻的分布布；2）、高柔柔基底使使高階振振型有較較小的振振型參與與系數(shù)；；3）、滯變變阻尼器器的引入入，大大大減小了了基底位位移、地地震荷載和結(jié)構(gòu)構(gòu)變形；；4）、高整整體柔性性使第一一振型周周期加長(zhǎng)長(zhǎng)，它與與大阻尼尼一起通通常給出較低低的地震震反應(yīng)譜譜系數(shù)。?；赘粽裾褡钸m合合于較短短周期的的結(jié)構(gòu)，，它能顯顯著減小小第一振振型反應(yīng)應(yīng)，對(duì)于于比較柔柔性的場(chǎng)場(chǎng)地，應(yīng)應(yīng)采用小小的基底底柔性，，基底隔隔振已廣廣泛地用用于建筑筑物的抗抗震，其其實(shí)驗(yàn)研研究也很很深入。。第六章結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)控控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制簡(jiǎn)簡(jiǎn)介基底隔振振體系具具備下述述三項(xiàng)特特性：1）、柔性性滑動(dòng)，，結(jié)構(gòu)在在基礎(chǔ)面面上滑動(dòng)動(dòng)會(huì)加大大結(jié)構(gòu)體體系的自自振周期，，減小加加速度反反應(yīng)，從從而減小小地震作作用；2）、阻尼尼消能，，為結(jié)構(gòu)構(gòu)提供較較大的阻阻尼，從從而使位位移反應(yīng)應(yīng)減??；3）、彈性性剛度，，隔振體體系必須須具有足足夠的初初始剛度度，當(dāng)荷荷載小于屈服服荷載時(shí)時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)體系滿滿足正常常使用狀狀態(tài)，否否則，隔振裝置置滑動(dòng)，，體系處處于消能能狀態(tài)。。只有具備備這三項(xiàng)項(xiàng)特性，，隔振體體系才具具有明顯顯的減震震能力。。第六章結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)控控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制簡(jiǎn)簡(jiǎn)介基底隔振振的形式式很多，，概括地地講有如如下六種種模式。。(一)、LRB基底隔振振系統(tǒng)（（LaminatedRubberBearing，層狀橡橡膠支座座）LRB基底隔振振系統(tǒng)是是用橡膠膠和薄鋼鋼片組成成的層狀狀橡膠墊墊塊做隔隔振裝置置，橡膠膠板是熱熱粘到鋼鋼板上的的。這種種支座在在水平方方向相當(dāng)當(dāng)柔軟，，但在豎豎直方向向卻很堅(jiān)堅(jiān)硬。其其工作原原理圖如如圖2-1所示。。運(yùn)動(dòng)動(dòng)方程程可寫寫為：：式中：：S是結(jié)構(gòu)構(gòu)筏基基相對(duì)對(duì)地面面的相相對(duì)位位移，，是結(jié)構(gòu)構(gòu)相對(duì)對(duì)于筏筏基的的第i層位移移，是地面面運(yùn)動(dòng)動(dòng)加速速度的的水平平分量量。，是質(zhì)量比比系數(shù)數(shù)，圖6-1LRB隔振系系統(tǒng)（6-1）（6-2）第六章章結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制制§6.1結(jié)構(gòu)振振動(dòng)控控制簡(jiǎn)簡(jiǎn)介為結(jié)構(gòu)構(gòu)筏基基質(zhì)量量，為第i層質(zhì)量量。分別為為隔振振系統(tǒng)統(tǒng)的阻阻尼和和剛度度。是結(jié)構(gòu)構(gòu)的總總質(zhì)量量。分別為為結(jié)構(gòu)構(gòu)的質(zhì)量量矩陣陣、剛剛度矩矩陣和和阻尼尼矩陣陣。是n維元素素為1的列向向量。。(二)、NZ基底隔隔振系系統(tǒng)（（NewZealand，鉛塞塞滯變變阻尼尼器））當(dāng)LRB系統(tǒng)中中帶有有鉛芯芯時(shí)，，稱為為NZ隔振系系統(tǒng)，，該系系統(tǒng)最最早是是由新新西蘭蘭人提提出的的。鉛鉛芯系系用來來減小小側(cè)向向位移移并提提供附附加的的能量量逸散散機(jī)制制，而而彈性性恢復(fù)復(fù)力則則是由由橡膠膠支座座提供供的。。其工工作原原理如如圖2-2所示。。運(yùn)動(dòng)動(dòng)方程程由（（6-1）和（（6-3）組成成第六章章結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制制§6.1結(jié)構(gòu)振振動(dòng)控控制簡(jiǎn)簡(jiǎn)介式中：：N代表使使用基基底隔隔振單單元的的數(shù)量量，M為總質(zhì)質(zhì)量，，Q為滯回回恢復(fù)復(fù)力，，與鉛鉛芯的的作用用有關(guān)關(guān)。其其它符符號(hào)同同前。。圖6-2NZ隔振系系統(tǒng)（6-3）R-FBI基底隔隔振系系統(tǒng)是是由帶帶橡膠膠芯的的聚四四氟乙乙烯涂涂疊摩摩擦板板的疊疊層組組成，，橡膠膠芯提提供恢恢復(fù)力力，因因此起起控制制相對(duì)對(duì)位移移作用用，而而能量量則通通過摩摩擦力力逸散散。其其工作作原理理如圖圖6-3所示。。運(yùn)動(dòng)動(dòng)方程程由（（6-1）和（（6-4）組成成圖6-3R-FBI隔振系系統(tǒng)(三)、R-FBI基底隔隔振系系統(tǒng)（（Resilient-FrictionBaseIsolation，恢復(fù)復(fù)力-摩擦））第六章章結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制制§6.1結(jié)構(gòu)振振動(dòng)控控制簡(jiǎn)簡(jiǎn)介式中：：g為重力力加速速度，，為摩擦擦系數(shù)數(shù)，是控制制系統(tǒng)統(tǒng)滑動(dòng)動(dòng)與非非滑動(dòng)動(dòng)狀態(tài)態(tài)的符符號(hào)函函數(shù)。。其它它符號(hào)號(hào)同前前。（6-4）（6-5）P-F基底隔隔振系系統(tǒng)是是由摩摩擦板板或砂砂墊層層組成成。該該系統(tǒng)統(tǒng)是單單純的的摩擦擦型或或滑動(dòng)動(dòng)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)型基基底隔隔振系系統(tǒng)。。其工工作原原理如如圖6-4所示。。運(yùn)動(dòng)動(dòng)方程程由（（6-1）和（（6-5）組成成第六章章結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制制§6.1結(jié)構(gòu)振振動(dòng)控控制簡(jiǎn)簡(jiǎn)介(四)、P-F基底隔隔振系系統(tǒng)（（Pure-Friction，純摩摩擦））(五)、EDF基礎(chǔ)隔隔振系系統(tǒng)（（ElectriteDeFrance）EDF基礎(chǔ)隔隔振系系統(tǒng)是是由鉛鉛-青銅板板作蓋蓋的疊疊層橡橡膠襯襯墊塊塊組成成，其其工作作原理理如圖圖6-5所示。。運(yùn)動(dòng)動(dòng)方程程由（（6-1）、（（6-6）和（（6-7）組成成（6-6）圖6-4P-F隔振系系統(tǒng)（6-7）2-8）圖6-5EDF基礎(chǔ)隔隔振系系統(tǒng)第六章章結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制制§6.1結(jié)構(gòu)振振動(dòng)控控制簡(jiǎn)簡(jiǎn)介(六)、SR-F基底隔隔振系系統(tǒng)（（SlidingResilient-Friction）SR-F基底隔隔振系系統(tǒng)即即滑移移恢復(fù)復(fù)力-摩擦基基底隔隔振系系統(tǒng)。。它主主要是是由R-FBI和EDF系統(tǒng)重重新組組合而而成，，實(shí)質(zhì)質(zhì)上是是一種種上部部具有有附加加摩擦擦板的的R-FBI隔振元元件。。其工工作原原理如如圖6-6所示。。運(yùn)動(dòng)動(dòng)方程程由（（6-1）、（（6-8）和（（6-9）組成成（6-8）圖6-6SR-F基底隔隔振系系統(tǒng)（6-9）第六章章結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制制§6.1結(jié)構(gòu)振振動(dòng)控控制簡(jiǎn)簡(jiǎn)介三.消能減減震結(jié)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)構(gòu)中的的某些些部位位設(shè)置置消能能裝置置，通通過消消能裝裝置耗耗散或或吸收收地震震能量量，從從而減減小主主體結(jié)結(jié)構(gòu)地地震反反應(yīng)。。消能裝置有有：調(diào)頻質(zhì)量阻阻尼裝置（TunedMassDampers,簡(jiǎn)稱TMD）—由質(zhì)量、彈性性元件和阻阻尼器構(gòu)成成的振動(dòng)系系統(tǒng)，將其其安裝在結(jié)結(jié)構(gòu)上，結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)時(shí)引起該系系統(tǒng)的共振振，由此產(chǎn)產(chǎn)生的慣性性力反作用用于結(jié)構(gòu)，，起到減小小結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)反應(yīng)的作作用。第六章結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控控制簡(jiǎn)介TMD是一個(gè)小的的振動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)，由質(zhì)量量、彈簧和和阻尼器組組成。它是是Frahmn在1909年發(fā)明的。。它主要被被用于機(jī)械械工業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)中。由于于土木工程程中抗風(fēng)抗抗的需要，，現(xiàn)被用于于抗震抗風(fēng)風(fēng)結(jié)構(gòu)之中中。這種機(jī)機(jī)構(gòu)主要依依賴它與結(jié)結(jié)構(gòu)作相對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)，憑憑慣性對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作作用力來抵抵消干擾力力，以達(dá)到到減振的作作用。其工工作原理如如圖6-7所示。圖6-7第六章結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控控制簡(jiǎn)介TMD參數(shù)取值與結(jié)構(gòu)形式和地震波有關(guān)。TMD的頻率取值，取時(shí)最有效，為第i振型的頻率。一般取第一振型頻率來設(shè)計(jì)取值在20%左右時(shí)為最佳，質(zhì)量比隨結(jié)構(gòu)總質(zhì)量大小而變化，一般來說，質(zhì)量比在1%~3%時(shí)較佳?？傎|(zhì)量小時(shí)，比值可大些，總質(zhì)量大時(shí)，比值可取小些，比值過小，其控制效果幾乎為0。比值過大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生有害影響。調(diào)頻液體阻阻尼裝置(TunedLiquildDampersorTunedSloshingDampers,簡(jiǎn)稱TLD或TSD)—由具有一定定形狀的盛盛液容器構(gòu)構(gòu)成，液體體晃動(dòng)時(shí)，，液體對(duì)容容器箱壁產(chǎn)產(chǎn)生動(dòng)壓力力，同時(shí)液液體晃動(dòng)產(chǎn)產(chǎn)生阻尼吸吸收一部分分能量。第六章結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)控制§6.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控控制簡(jiǎn)介液壓質(zhì)量控控制裝置—由液壓缸、、活塞、管路路和質(zhì)量塊塊構(gòu)成，當(dāng)當(dāng)結(jié)構(gòu)由地地面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)時(shí)，油缸的的活塞推動(dòng)動(dòng)管路中的的液體，使使液體和質(zhì)質(zhì)量隨之振振動(dòng)。結(jié)構(gòu)構(gòu)的一部分分振動(dòng)能量量傳遞給了了該系統(tǒng)。。TLD系統(tǒng)是