15-結(jié)構(gòu)隔震與消能減震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí).ppt

1、第八章:隔震減震與結(jié)構(gòu)控制初步,第八章:隔震減震與結(jié)構(gòu)控制初步,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展 8.2 隔震的原理與方法 8.3 減震的原理與方法 8.4 結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制初步,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)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(chǎng)地,結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展,地震位移反應(yīng),地震剪力,小,大,小,大,地震內(nèi)力,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展,地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)位移過(guò)大,實(shí)踐上的困難,延性 結(jié)構(gòu)體系,剛性結(jié)構(gòu)體系,反應(yīng)接近地面地震運(yùn)動(dòng),一般不發(fā)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞,導(dǎo)致材料的浪費(fèi),柔性結(jié)構(gòu)體系,減少結(jié)構(gòu)物的剛性,避免結(jié)構(gòu)與地面運(yùn) 動(dòng)發(fā)

2、生類共振,減輕地震力,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展,“延性結(jié)構(gòu)體系” 基本要求,實(shí)現(xiàn)延性結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)是工程師所追求的抗震基本目標(biāo),適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度與強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入非彈性狀態(tài)后仍具有較大的延性,通過(guò)塑性變形消耗地震能量,“壞而不倒”,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展,當(dāng)?shù)鼗玖叶鹊卣?建筑物,可能進(jìn)入非彈性破壞狀態(tài),裝修與內(nèi)部 設(shè)備破壞,延性結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu),被動(dòng)抵御地震作用,作用,導(dǎo)致,巨大經(jīng)濟(jì)損失,某些生命線工程損失更是難以估量延性結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用也有了一定的局限性,隔震、減震、制振技術(shù),8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展,隔震：,地震動(dòng),結(jié)構(gòu),隔離裝置,隔開(kāi),減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)

3、,主要方法,基底隔震,懸掛隔震,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展,香港匯豐銀行（懸掛隔震）,南加州大學(xué)醫(yī)院（隔震結(jié)構(gòu)）,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展,減震：,地震,結(jié)構(gòu),減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng),耗能裝置或附加子結(jié)構(gòu),耗能,主要方法,耗能減震,沖擊減震,吸振減震,8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展,主動(dòng)控制（狹義的制震技術(shù)）,自動(dòng)控制系統(tǒng),施加控制力,地震,結(jié)構(gòu),減小結(jié)構(gòu)振動(dòng),8.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展,研究、探索并部分應(yīng)用于工程實(shí)踐的時(shí)期。,隔震技術(shù),實(shí)用階段,減震,制振技術(shù),8.2隔震原理與方法,8.2.1 隔震原理,隔震,基底隔震,懸掛隔震,結(jié)構(gòu)物地面以上部分,隔震層隔開(kāi) 限

4、制地震動(dòng)向結(jié)構(gòu)物的傳遞,固結(jié)于地基中的基礎(chǔ),8.2隔震原理與方法,8.2.1 隔震原理,8.2隔震原理與方法,基底隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)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(yīng)盡可 能小，以使結(jié)構(gòu)周期盡可能遠(yuǎn)離地震動(dòng)的卓越周期范圍,(2).保證隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下不致有太大的位移。 通常要求在隔震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)底部安裝風(fēng)穩(wěn)定裝置或用阻尼器與隔 震裝置聯(lián)合構(gòu)成基底隔震系統(tǒng)。,8.2.1 隔震原理,8.2隔震原理與方法,8.2.2 隔震分析模型,隔震建筑系統(tǒng) 動(dòng)力分析模型,單質(zhì)點(diǎn)模型,多質(zhì)點(diǎn)模型,空間分析模型,8.2隔震原理與方法,8.2.2 隔震分析模型-單質(zhì)點(diǎn)模型,動(dòng)力平衡方程:

5、,結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量； 隔震層的阻尼系數(shù)和水平剛度； 上部簡(jiǎn)化剛體相對(duì)于地面的加速度、速度與位移； 地面加速度過(guò)程。,上部結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度遠(yuǎn)大于 隔震層的水平剛度,上部結(jié)構(gòu)近似為 一個(gè)剛體,單質(zhì)點(diǎn)模型,8.2隔震原理與方法,8.2.2 隔震分析模型多質(zhì)點(diǎn)模型,隔震層,簡(jiǎn)化,等效粘滯阻尼比計(jì)算式為：,水平剛度為k,阻尼系數(shù)為c,結(jié)構(gòu)層,隔震支座數(shù)量,第i 個(gè)隔震支座的水平動(dòng)剛度,第 i個(gè)隔震支座的 等效粘滯阻尼比。,水平動(dòng)剛度計(jì)算式為:,8.2隔震原理與方法,8.2.2 隔震分析模型,隔震裝置,隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平地震作用,有效降級(jí),采用水平向減震系數(shù)的概念反映這一特點(diǎn),層間剪力最大比值與水平向減震系數(shù)的

6、對(duì)應(yīng)關(guān)系,水平向減震系數(shù)不宜低于0.25，且隔震結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時(shí)的總水平地震作用,8.2隔震原理與方法,8.2.3 常用隔震裝置-橡膠支座隔震,8.2隔震原理與方法,1.橡膠支座隔震實(shí)例,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,基礎(chǔ)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,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震實(shí)例,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震,橡

7、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(shí)際中應(yīng)用還不多,8.2隔震原理與方法,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,8.2隔震原理與方法,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(shí)的吸能能力,集隔震器與阻尼器于一身，因而可以獨(dú)立使用,8.2隔震原理與方法,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(fēng)有利,大變形，橡膠剪切剛度下

8、降，結(jié)構(gòu)頻率降低，結(jié)構(gòu)反應(yīng)減少,橡膠剪應(yīng)變超過(guò)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(guò)量位移,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震：,設(shè)計(jì)的關(guān)鍵-合理確定隔震支座承受的應(yīng)力,我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)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(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)超下表的規(guī)定。,橡膠隔震支座平均壓應(yīng)力限值 注：1. 對(duì)需驗(yàn)算傾覆的結(jié)構(gòu)，平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)包括水平地震作用效應(yīng)； 2. 對(duì)需進(jìn)行豎向地震作用計(jì)算的結(jié)構(gòu)，平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)包括豎向 地震作用效應(yīng)；,在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力,8.2隔震原理與方法,橡膠支座隔震：,隔震支座對(duì)應(yīng)于罕遇地震水平剪

9、力的水平位移，應(yīng)符合下列要求：,罕遇地震作用下，第 i 個(gè)隔震支座考慮扭轉(zhuǎn)的水平位移,第 i個(gè)隔震支座的水平位移限值； 對(duì)橡膠隔震支座，不應(yīng)超過(guò)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(gè)隔震支座的扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)，應(yīng)取考慮扭轉(zhuǎn)和不考慮扭轉(zhuǎn)時(shí) 支座計(jì)算位移的比值；當(dāng)隔震層以上結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與隔震層剛度中心在兩個(gè)主軸方向均無(wú)偏心時(shí)，邊支座的扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)不應(yīng)小于1.15,8.2隔震原理與方法,2.常用隔震裝置-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(jié)構(gòu)的學(xué)校建筑中，安放在房屋底層柱腳和地下室柱頂之間

10、。為保證不在風(fēng)載下產(chǎn)生過(guò)大的水平位移，在地下室采用了交叉鋼拉桿風(fēng)穩(wěn)定裝置,8.2隔震原理與方法,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(chǔ)內(nèi)設(shè)一個(gè)上下兩端有豎孔的雙圓筒搖擺體。豎孔內(nèi)穿預(yù)應(yīng)力鋼絲束并錨固在基礎(chǔ)和上部蓋板上，起到壓緊搖擺體和提供復(fù)位力的作用。在搖擺體和基礎(chǔ)壁之間填以瀝青或散粒物，可為振動(dòng)時(shí)提供阻尼。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)：當(dāng)?shù)孛婕铀俣确颠_(dá)330cm/s2時(shí)，被隔震房屋的加速度反應(yīng)被降低到無(wú)隔震反應(yīng)的1/3左右。我國(guó)山西省的懸空寺，歷史上經(jīng)歷多次大地震而仍完整無(wú)損。分析認(rèn)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,8.2隔震原理與方法,其它隔震裝置：不倒翁式隔

11、震,伊朗人設(shè)計(jì)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(fù)位力的作用。,8.3減震原理與方法,8.3.1 耗能減震原理,地震,結(jié)構(gòu),減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng),耗能構(gòu)件,耗能,地震時(shí)，結(jié)構(gòu)在任意時(shí)刻的能量方程為：,地震過(guò)程中輸入給結(jié)構(gòu)的能量,附加耗能構(gòu)件的耗能,結(jié)構(gòu)主體自身的耗能,能量觀點(diǎn)： 一定 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的降低,動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)：耗能裝置的作用， 相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的阻尼 ， 必使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),8.3減震原理與方法,8.3.1 耗能減震原理,風(fēng)和小震,耗能裝置,較大的剛度,結(jié)構(gòu),減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng),耗能,應(yīng)具有,結(jié)構(gòu)的使用性能,保證,強(qiáng)烈地震作用,耗能裝置,結(jié)構(gòu),減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng),耗能,非彈性狀態(tài),應(yīng)率先

12、進(jìn)入,大量消耗地震能量,有試驗(yàn)表明，耗能裝置可做到消耗地震總輸入能量的90%以上。,8.3減震原理與方法,8.3.1 耗能減震原理：,耗能元件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按下式估算：,耗能減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析,非線性時(shí)程反應(yīng)分析方法 (本書(shū)第三章所述),可以利用,通常需要耗能元件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以確立結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程中的阻尼矩陣,耗能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比,所有耗能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗的能量,設(shè)置耗能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能,8.3減震原理與方法,8.3.2 耗能減震裝置,阻尼器,耗能交叉支撐,耗能墻,8.3減震原理與方法,阻尼器,與速度相關(guān)的粘彈型阻尼器,以摩擦或金屬屈服為特征

13、的位移相關(guān)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(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接處,有相對(duì)變形或相對(duì) 位移的地方,安裝于,8.3.2 耗能減震裝置-阻尼器,8.3減震原理與方法,粘彈型阻尼器,最大長(zhǎng)度915mm，最小長(zhǎng)度595mm，沖程320mm,8.3.2 耗能減震裝置,8.3減震原理與方法,摩擦阻尼器,330,12.5,25,12.5,100,8.3.2 耗能減震裝置-阻尼器,8.3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 耗能減震裝置-阻尼器,8.3減震原理與方法,8.3.2 耗能減震裝置-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

14、約束支撐,8.3減震原理與方法,塑性耗能支撐,耗能交叉支撐,支撐交叉處 通過(guò)鋼框或鋼環(huán)的塑性變形消耗地震能量,8.3減震原理與方法,摩擦耗能支撐,在支撐桿或節(jié)點(diǎn)板上開(kāi)長(zhǎng)圓孔,8.3減震原理與方法,耗能偏心支撐,偏心支撐框架,8.3減震原理與方法,耗能隅撐,耦撐框架,8.3減震原理與方法,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(guān)系,8.3減震原理與方法,屈曲約束支撐,屈曲約束支撐的一些典型截面形狀,8.3減震原理與方法,周邊耗能墻 摩擦耗能墻,8.3.2 耗能減震裝置-耗能墻,8.3減震原理與方法,8.3.3 吸振減震原理,地震,結(jié)構(gòu),減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng),附加子,能量轉(zhuǎn)移,8.

15、3減震原理與方法,運(yùn)動(dòng)平衡方程：,-剛度,-阻尼系數(shù),-主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量,-附加子結(jié)構(gòu)質(zhì)量、 阻尼系數(shù)、剛度,8.3.3 吸振減震原理：,8.3減震原理與方法,考慮簡(jiǎn)諧地面運(yùn)動(dòng)輸入 考慮無(wú)阻尼體系的反應(yīng)特征,主結(jié)構(gòu)振幅為零,系統(tǒng)振動(dòng)能量集中于子結(jié)構(gòu)而主體結(jié)構(gòu)得到了保護(hù),數(shù)學(xué)推導(dǎo),地震動(dòng)含有多種頻率分量 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也必然是有阻尼系統(tǒng),子結(jié)構(gòu)的頻率等于地面運(yùn)動(dòng)輸入頻率,實(shí)際情況,子結(jié)構(gòu)頻率接近或等于主結(jié)構(gòu)頻率時(shí),主結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)總是 可以得到一定程度的降低,8.3.3 吸振減震原理,8.3減震原理與方法,按照隨機(jī)振動(dòng)原理的分析結(jié)果,R是主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制頻率參數(shù) 當(dāng)R1時(shí)，表示具有減震效果,大量理論分析結(jié)

16、果表明：,主結(jié)構(gòu)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 吸振減震原理：,8.3減震原理與方法,8.3.4 吸減震裝置,調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）,通過(guò)彈簧連接于主體結(jié)構(gòu)，可安裝在高聳結(jié)構(gòu)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(dòng)系統(tǒng),8.3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(jié)構(gòu)物上，結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，水的振蕩也能形成一個(gè)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器,設(shè)計(jì)TLD時(shí)，應(yīng)盡量使水的振蕩周期接近結(jié)構(gòu)的固有周期。水的振蕩頻率公式為：,水面波的波長(zhǎng),水深,重力加速度,8.3.4 吸減震裝置,8.4結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制,外部能源,施加控制力,地震,結(jié)構(gòu),減小結(jié)構(gòu)振動(dòng),結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,改變,借鑒現(xiàn)代控制思想,8.4.1 基本概念,8.4結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制,主動(dòng)控制體系組成,傳感器,處理器 （一般為計(jì)算器）,作動(dòng)器 (一般為加力裝置),測(cè)量,結(jié)構(gòu)所受外部激勵(lì) 及結(jié)構(gòu)相應(yīng),傳送,計(jì)算,所需的控制力,傳送,有外部能源提供所需的 控制力,8.4結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制,控制體系分類,開(kāi)環(huán)控制,閉環(huán)控制,開(kāi)閉環(huán)控制,震源,控制器,結(jié)構(gòu),反應(yīng),震源,結(jié)構(gòu),反應(yīng),控制器,震源,控制器,結(jié)構(gòu),反應(yīng),控