1、1,第4章 結(jié)構(gòu)隔震、消能和減震控制,廣東工業(yè)大學(xué)建設(shè)學(xué)院 韋愛鳳,2,傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法,傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法：“小震不壞，中震可修，大震不倒” 結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài) 常規(guī)做法 加大構(gòu)件截面，提高結(jié)構(gòu)剛度 存在問題： 安全性問題 發(fā)生突發(fā)性的超過設(shè)防烈度地震 適應(yīng)性問題 建筑物內(nèi)部重要的設(shè)備、儀器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、急救指揮系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備對建筑物的抗震性能有更高要求 經(jīng)濟(jì)性問題 以“抗”為主，構(gòu)件斷面越大，結(jié)構(gòu)剛度越大，地震作用也越大. 建筑技術(shù)的發(fā)展要求 高強(qiáng)輕質(zhì)材料的應(yīng)用,3,4.1結(jié)構(gòu)隔震、消能和減震控制總論,4.1.1 結(jié)構(gòu)控制的減震機(jī)理 結(jié)構(gòu)減震控制通過改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力特性

2、或動力作用 在建筑結(jié)構(gòu)的特定部位 裝設(shè)某種裝置（如隔震支座）， 裝設(shè)某種機(jī)構(gòu)（如消能支撐、消能剪力墻、消能節(jié)點(diǎn)，消能器等） 裝設(shè)某種子結(jié)構(gòu)（如調(diào)頻質(zhì)量等） 施加外力（外部能量輸入） 使結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)（加速度、速度、位移）明顯減少，并得到合理的控制 確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中的人、儀器、設(shè)備、裝潢等的安全和處于正常的使用環(huán)境狀態(tài),4,一般結(jié)構(gòu)的動力方程式：,5,4.1.2 結(jié)構(gòu)控制度內(nèi)容及分類,第一種分類 按技術(shù)方法分 第二種分類 按是否有外部能源輸入分 第三種分類 按與結(jié)構(gòu)頻率相關(guān)性分,6,圖4.1 結(jié)構(gòu)減震控制按技術(shù)方法分類,結(jié)構(gòu)減震控制,結(jié)構(gòu)隔震 Seismic Isolation,消能減震 E

3、nergy Dissipation,質(zhì)量調(diào)諧減震 TMD,TLD等,主動、半主動控制 AMD,AVS,AVSD等,混合控制 Hybrid Control,7,圖4.2 結(jié)構(gòu)減震控制按是否有外部能源輸入分類,結(jié)構(gòu)隔震,消能減震,質(zhì)量調(diào)諧,主動質(zhì)量阻尼器,主動拉索或支撐,主動變剛度，變阻尼,主動變剛度阻尼,混合控制 （部分能源輸入）,混合主動、被動控制,智能材料自控,主動、半主動控制 （有外部能源輸入）,被動控制 （無外部能源輸入）,結(jié) 構(gòu) 減 震 控 制,8,9,圖4.3結(jié)構(gòu)減震控制按結(jié)構(gòu)頻率相關(guān)性分類,結(jié)構(gòu)減震控制,頻率相關(guān)控制,頻率無關(guān)控制,避開共振頻率,消能減震,質(zhì)量調(diào)諧,主動外加控制,隔

4、震,主動變剛度,被動質(zhì)量調(diào)諧,混合質(zhì)量調(diào)諧,主動質(zhì)量阻尼器,主動質(zhì)量驅(qū)動裝置,避開主動拉索系統(tǒng),主動變剛度，變阻尼,主動支撐系統(tǒng),智能材料自控,消能支撐,消能剪力墻,消能節(jié)點(diǎn),各種消能,10,4.1.3 結(jié)構(gòu)控制的特點(diǎn)和優(yōu)越性,減震控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的比值大約為： 隔震結(jié)構(gòu) 850 消能結(jié)構(gòu) 4060 TMD被動控制結(jié)構(gòu) 4060 主動或半主動控制結(jié)構(gòu) 1050,11,表4.1 結(jié)構(gòu)控制的特點(diǎn)及優(yōu)越性,12,4.1.4結(jié)構(gòu)減震控制的應(yīng)用范圍及技術(shù)成熟性,13,4.2 結(jié)構(gòu)隔震,4.2.1結(jié)構(gòu)隔震體系的基本特性 結(jié)構(gòu)隔震體系結(jié)構(gòu)物底部（或某層間部位）設(shè)置隔震裝置而形成的結(jié)

5、構(gòu)體系,14,15,1.承載特性 隔震裝置 豎向承載能力 2.隔震特性 隔震裝置 可變的水平剛度特性 強(qiáng)風(fēng)或微小地震 具有足夠的剛度 中強(qiáng)地震 變?nèi)?3.復(fù)位特性 隔震裝置 水平彈性恢復(fù)力 4.阻尼消能特性 隔震裝置 足夠的阻尼,隔震體系必須滿足的四個基本特性,16,4.2.2 結(jié)構(gòu)隔震體系的減震機(jī)理,1.結(jié)構(gòu)隔震動力分析模型,17,2.隔震結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)分析,結(jié)構(gòu)體系動力微分方程式： 隔震結(jié)構(gòu)體系的固有頻率n、阻尼比:,18,設(shè)地面的場地特征頻率為，地面地震加速度反應(yīng)為 ，由式（4.4）可求出 定義 為隔震結(jié)構(gòu)“加速度反應(yīng) 衰減比”,19,當(dāng)已知： 隔震結(jié)構(gòu)體系要求的“加速度反應(yīng)衰減比”Ra

6、 場地特征頻率與隔震裝置的固有頻率之比 求得隔震層所要求的阻尼比,20,3.結(jié)構(gòu)隔震減震分析,21,（1）當(dāng) 時，Ra1 結(jié)構(gòu)體系為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)被放大； （3）當(dāng) 時，Ra1 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與場地共振,22,一般場地的特征周期Tg0.250.90s，特征頻率1.14.0Hz 一般的多層房屋，結(jié)構(gòu)的自振周期Tn0.21.2s, 自振頻率n 0.85.0Hz 采用夾層橡膠隔震支座的隔震結(jié)構(gòu)，能使結(jié)構(gòu)的自振周期延長至Tn25s, 自振頻率n 0.20.5Hz，一般能滿足 的要求。,23,4.2.3結(jié)構(gòu)隔震的優(yōu)越性及應(yīng)用范圍,1.結(jié)構(gòu)隔震的優(yōu)越性： （1）明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)

7、 試驗(yàn)結(jié)果 強(qiáng)震記錄 加速度1/21/12 (2)確保安全 上部結(jié)構(gòu)層間位移小，加速度反應(yīng)小，彈性狀態(tài) （3）房屋造價增加少 上部結(jié)構(gòu)造價減小，隔震裝置增加造價（5），總造價增加不多，對高烈度地區(qū)總造價降低。,24,（4）抗震措施簡單明了 主要是隔震層的設(shè)計(jì) （5）震后無須修復(fù) 建筑物不損壞，只要檢查隔震裝置 （6）上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)限制較小 超高砌體房屋，大開間靈活單元多層住宅房屋，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)物,25,2.結(jié)構(gòu)隔震的工程應(yīng)用,隔震與消能減震設(shè)計(jì)，應(yīng)主要應(yīng)用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震設(shè)防烈度為8、9度的建筑。 （1）要求確保地震時人們生命安全的建筑物或構(gòu)筑物 （2）地震區(qū)重要的生命線

8、工程 （3）較重要的建筑結(jié)構(gòu)物 （4）內(nèi)部有重要的設(shè)備儀器的建筑結(jié)構(gòu)物 （5）橋梁、架空輸水渠等重要結(jié)構(gòu),26,（6）重要?dú)v史文物、重要藝術(shù)珍品、需確保地震中得到保護(hù)的各種中珍貴物品等的局部隔震 （7）重要設(shè)備、儀器、雷達(dá)站、天文臺等需確保地震中得到保護(hù)的各種重要裝備或構(gòu)筑物的局部隔震 （8）建筑物、結(jié)構(gòu)物內(nèi)部需特別進(jìn)行局部保護(hù)的樓層，可設(shè)局部隔震區(qū) （9）已有的建筑物、結(jié)構(gòu)物或設(shè)備、儀器、設(shè)施等不符合抗震要求者，可采用隔震技術(shù)進(jìn)行隔震加固改良，使其能確保強(qiáng)地震中的安全。,27,4.2.4結(jié)構(gòu)隔震的分類和成熟性,28,“夾層橡膠支座”的成熟性：,豎向承載能力大 隔震效果明顯、穩(wěn)定 具有穩(wěn)定的彈

9、性復(fù)位功能 構(gòu)造簡單，安裝方便 耐久性較好 可安裝在不同的標(biāo)高位置，且受建筑物的地基不均勻沉降的影響不十分敏感,29,結(jié)構(gòu)隔震的分類,30,31,隔震層的位置,32,隔震層的位置,33,4.2.5結(jié)構(gòu)隔震房屋的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容和步驟,結(jié)構(gòu)隔震控制目標(biāo)的確定 依據(jù)：設(shè)防烈度及場地條件 工程結(jié)構(gòu)重要性 確定：結(jié)構(gòu)地震作用（降低幅度） 結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)容許值,常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)體系和布置 結(jié)構(gòu)構(gòu)件（斷面、配筋等） 結(jié)構(gòu)荷載（恒載，使用荷載，環(huán)境干擾荷載，地震，風(fēng)等） 結(jié)構(gòu)內(nèi)力（軸力，剪力，彎矩） 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定計(jì)算,34,結(jié)構(gòu)隔震作用計(jì)算 結(jié)構(gòu)地震作用，減震系數(shù)（層間剪力比值） 結(jié)構(gòu)地震加速度

10、反應(yīng) 上部結(jié)構(gòu)抗傾覆，抗風(fēng)驗(yàn)算,隔震結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算 上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，變形驗(yàn)算 下部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，變形驗(yàn)算 隔震層最大位移驗(yàn)算,隔震建筑構(gòu)造設(shè)計(jì) 連接點(diǎn)設(shè)計(jì) 隔離縫構(gòu)造處理 樓梯及各種建筑構(gòu)造節(jié)點(diǎn) 管線柔性處理,結(jié)構(gòu)隔震體系動力參數(shù)確定 設(shè)計(jì)計(jì)算模型 隔震層剛度，阻尼比 隔震體系振型自振周期 輸入地震波,35,4.2.6結(jié)構(gòu)隔震計(jì)算要點(diǎn),隔震設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)預(yù)期的水平向減震系數(shù)和位移控制要求，選擇適當(dāng)?shù)母粽鹬ё?含阻尼器)及為抵抗地基微震動與風(fēng)荷載提供初剛度的部件組成結(jié)構(gòu)的隔震層。 隔震支座應(yīng)進(jìn)行豎向承載力的驗(yàn)算和罕遇地震下水平位移的驗(yàn)算。 隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平地震作用應(yīng)根據(jù)水平向減震系數(shù)確定；其豎向地震作用

11、標(biāo)準(zhǔn)值，8度和9度時分別不應(yīng)小于隔震層以上結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值的20和40。,36,（1）水平地震作用的計(jì)算方法 等效側(cè)力法（相當(dāng)于底部剪力法） 時程分析法 滿足下列條件的隔震房屋，可用等效側(cè)力法： 非隔震時，結(jié)構(gòu)基本周期小于1.0s(剛度大） 體型基本規(guī)則，且抗震計(jì)算符合采用底部剪力法的結(jié)構(gòu) 建筑場地為、類，并選用穩(wěn)定性好的基礎(chǔ)類型 水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值（除地震作用外）產(chǎn)生的總水平力，不超過0.1G 隔震層設(shè)置在結(jié)構(gòu)第一層以下的部位 其他情況，除采用等效側(cè)力法計(jì)算外，尚應(yīng)采用時程分析法計(jì)算,37,（2）關(guān)于地震作用計(jì)算的規(guī)定 水平地震作用沿高度可采用矩形分布 水平地震影響系數(shù)的最大值水平向減震系數(shù)

12、*max 水平向減震系數(shù)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)隔震與非隔震兩種情況下各層層間剪力的最大比值確定 表4.3 確定水平向減震系數(shù)的比值劃分,38, 9度時和8度且水平向減震系數(shù)為0.25時，隔震層以上的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行豎向地震作用的計(jì)算； 8度且水平向減震系數(shù)不大于0.5時，宜進(jìn)行豎向地震作用的計(jì)算。 隔震層以上結(jié)構(gòu)豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算時，各樓層可視為質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值沿高度的分布。 采用本地區(qū)的設(shè)防烈度,39,隔震層以下結(jié)構(gòu)(包括地下室)的地震作用和抗震驗(yàn)算，應(yīng)采用罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和偏心矩進(jìn)行計(jì)算,40, 隔震支座水平動剛度和等效粘滯阻尼比由試驗(yàn)確定 對多遇地震驗(yàn)算 宜采用水平加

13、載頻率為0.3Hz且隔震支座剪切變形為50的水平剛度和等效粘滯阻尼比 對罕遇地震驗(yàn)算， 直徑小于600mm的隔震支座宜采用水平加載頻率為0.1Hz且隔震支座剪切變形不小于250時的水平動剛度和等效粘滯阻尼比 直徑不小于600mm的隔震支座可采用水平加載頻率為0.2Hz且隔震支座剪切變形為100時的水平動剛度和等效粘滯阻尼比,41,（3）等效側(cè)力法的有關(guān)規(guī)定,隔震房屋的基本周期 式中 T1 隔震體系的基本周期； G 隔震層以上結(jié)構(gòu)的重力荷載代表值； K 隔震層的水平動剛度； g 重力加速度。,42,隔震層的水平動剛度和等效粘滯阻尼比計(jì)算：,KKj (4-9) K隔震層水平動剛度； Kjj隔震支座

14、(含阻尼器)由試驗(yàn)確定的水平動剛度，當(dāng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)動剛度與加載頻率有關(guān)時，宜取相應(yīng)于隔震體系基本自振周期的動剛度值 eqKjjK (4-10) eq隔震層等效粘滯阻尼比； j j隔震支座由試驗(yàn)確定的等效粘滯阻尼比，單獨(dú)設(shè)置的阻尼器時，應(yīng)包括該阻尼器的相應(yīng)阻尼比；,43,結(jié)構(gòu)層間剪力計(jì)算,Vik層間剪力標(biāo)準(zhǔn)值；Fjk作用于質(zhì)點(diǎn)j的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；,44,隔震層水平位移計(jì)算,u隔震層水平位移；FEK上部結(jié)構(gòu)底部總剪力標(biāo)準(zhǔn)值； s 近場系數(shù)s,45,要考慮扭轉(zhuǎn)影響 采用有效的抗扭措施或扭轉(zhuǎn)周期小于平動周期的70時，扭轉(zhuǎn)影響系數(shù)可取1.15,46,4.2.7隔震層計(jì)算要點(diǎn),（1）隔震支座的受壓承載力設(shè)

15、計(jì)值 形狀系數(shù) 當(dāng)形狀系數(shù) S1=15, S2=5時 甲類建筑 S2=4,降低20， 4S2=3,降低40,47,（2）隔震層的連接部位 按罕遇地震作用進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算 （3）抗風(fēng)裝置 驗(yàn)算 VRw抗風(fēng)裝置的水平承載力設(shè)計(jì)值 Vwk風(fēng)荷載作用下隔震層的水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值 rw=1.4,48,(4)隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移應(yīng)滿足： Umax罕遇地震作用 扭轉(zhuǎn)影響 隔震支座 最大位移 d隔震支座 直徑 tr隔震支座 橡膠層 總厚度,49,隔震支座的構(gòu)造要求,（1）與上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)可靠連接 （2）與上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)之間的連接螺栓和錨固鋼筋驗(yàn)算 考慮： 罕遇地震作用 水平剪力、豎向力、偏心

16、距 錨固鋼筋的錨固長度 20d =250mm,50,51,(3)形狀系數(shù)的要求 一般 S1=15 S2=5 d橡膠的有效直徑；d0橡膠支座中間開孔的直徑；a矩形截面橡膠支座的長邊尺寸；b矩形截面橡膠支座的短邊尺寸；tr!每一橡膠層的厚度；tr橡膠層的總厚度；,52,4.3結(jié)構(gòu)消能減震,4.3.1 結(jié)構(gòu)消能減震體系的基本特征 設(shè)置消能器 控制預(yù)期的結(jié)構(gòu)變形，在罕遇地震下 不發(fā)生嚴(yán)重破壞,53,減震特性 消耗能量 傳統(tǒng)體系 構(gòu)件破壞 消能體系 消能構(gòu)件（非承重構(gòu)件） ER結(jié)構(gòu)物地震反應(yīng)的能量； ED結(jié)構(gòu)阻尼消耗的能量(5%)； ES構(gòu)件損壞消耗的能量； EA消能裝置消耗的能量；,54,消能減震體系

17、減震原理示意圖,55,消能減震體系的基本特點(diǎn),（1）同時減少水平和豎向地震作用，適應(yīng)范圍廣，結(jié)構(gòu)類型和高度不受限制 （2）消能裝置應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有足夠的附加阻尼 （3）消能裝置不改變結(jié)構(gòu)的基本形式，增加了消能部件和相關(guān)部件 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求不變,56,4.3.2結(jié)構(gòu)消能減震的減震機(jī)理,消能裝置 提供阻尼 消耗能量 減小地震反應(yīng),57,4.3.3結(jié)構(gòu)消能減震的優(yōu)越性及應(yīng)用范圍,優(yōu)越性： （1）安全性 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)減少4060，主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件免遭破壞 （2）經(jīng)濟(jì)性 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu) 硬抗 消能減震結(jié)構(gòu) “柔性消能” 減少剪力墻的設(shè)置，減小構(gòu)造斷面，減少配筋，安全性反而提高 （3）技術(shù)合理性 剛度大 地震作用大

18、 結(jié)構(gòu)剛度大,58,應(yīng)用范圍： 層數(shù)越多，跨度越大，變形越大，消能減震效果越明顯 （1）高層、超高層建筑 （2）高柔結(jié)構(gòu)，高聳塔架 （3）大跨度橋梁 （4）柔性管道，管線（生命線工程） （5）舊有高柔建筑或結(jié)構(gòu)物的抗震（抗風(fēng)）性能的改善提高,59,4.3.4結(jié)構(gòu)消能減震體系的分類,按消能裝置性能分,速度相關(guān)型,粘滯型：油阻尼器，液態(tài)阻尼器,粘彈型：粘彈性材料,60,61,4.3.5 結(jié)構(gòu)消能減震房屋設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn),1.設(shè)計(jì)步驟： （1）計(jì)算未采用消能減震結(jié)構(gòu)的位移，預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)的控制位移 （2）計(jì)算附加阻尼 （3）選擇消能裝置，確定其數(shù)量、布置和提供的阻尼大小 （4）設(shè)計(jì)相應(yīng)的耗能構(gòu)件 （5）進(jìn)行整

19、體分析，確認(rèn)是否滿足位移控制要求,62,2.計(jì)算方法,線性分析方法 當(dāng)主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作階段時采用 根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形特征和高度等，按本規(guī)范的規(guī)定分別采用底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法。其地震影響系數(shù)可根據(jù)消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比按規(guī)范規(guī)定采用。 一般情況下，宜采用靜力非線性分析或非線性時程分析方法。,63,3.耗能減震結(jié)構(gòu)的總剛度和總阻尼比,消能減震結(jié)構(gòu)的總剛度= 結(jié)構(gòu)剛度+消能部件有效剛度 消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比= 結(jié)構(gòu)阻尼比+消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比,64,4.消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比,1. 消能部件附加的有效阻尼比a： aWc(4Ws) (4.26) a消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比； Wc 所有消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗的能量； Ws設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。,65,消能減震結(jié)構(gòu)在其水平地震作用下的總應(yīng)變能,2 不計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響時，消能減震結(jié)構(gòu)在其水平地