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1、第8章隔震、减震与结构控制初步,8.1 结构抗震设计思想的演化与发展8.2 隔震原理与方法8.3 减震原理与方法8.4 结构主动控制初步,刚性结构体系：结构地震反应接近地面地震运动，一般不发生结构强度破坏但浪费材料。柔性结构，通过大大减少结构物的刚性来避免结构与地面运动发生类共振，从而减轻地震力。但是，这种结构体系在地震动作用下结构位移过大，在较小的地震时即可能影响结构的正常使用 延性结构通体系过适当控制结构物的刚度与强度，使结构构件在强烈地震时进人非弹性状态后仍具有较大的延性，从而可以通过塑性变形消耗地震能量，使结构物至少保证“坏而不倒”，在现代抗震设计中，实现延性结构体系的设计是工程师所追
2、求的抗震基本目标。,8.1结构抗震设计思想的演化与发展,然而，延性结构体系的结构，仍然是处于被动地抵御地震作用的地位。对于一般性建筑物，当遭遇相当基本烈度的地震袭击时，结构即可能进人非弹性破坏状态，从而导致建筑物装修与内部设备的破坏，造成巨大的经济损失。对于某些生命线工程(如电力、通讯部门的核心建筑)，结构及内部设备的破坏可以导致生命线网络的瘫痪，所造成的损失更是难以估量。所以，随着现代化社会的发展，各种昂贵设备在建筑物内部配置的增加，延性结构体系的应用也有了一定的局限性。面对新的社会要求，各国地震工程学家一直在寻求新的结构抗震设计途径。隔震是通过某种隔离装置，将地震动与结构隔开，以达到减小结
3、构振动的目的。隔震方法主要有基底隔震和悬挂隔震等类型。减震是通过采用一定的耗能装置或附加子结构，吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动。减震方法主要有耗能减震、吸振减震等类型。狭义的制振技术又称结构主动控制。它是通过自动控制系统主动地给结构施加控制力，以期达到减小结构振动的目的。目前，结构隔震技术已基本进人实用阶段，而对于减震与制振技术，则正处于研究、探索、部分应用于工程实践的时期。,8.2.1 隔震原理与分析模型8.2.2 常用隔震装置,8.2 隔震原理与方法,8.2.1 隔震原理与分析模型,基底隔震的基本思想是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶
4、面分离开，从而限制地震动向结构物的传递。大量试验研究工作表明:合理的结构隔震设计，一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从而可以有效地减轻结构的地震破坏，提高结构物的地震安全性。,隔震层通常具有较大的阻尼，从而使结构所受地震作用较非隔震结构有较大的衰减。隔震层具有很小的侧移刚度，从而大大延长了结构物的周期，因而，结构加速度反应得到进一步降低。与此同时，结构位移反应在一定程度上有所增加。,在进行基底隔震结构设计时应注意:（1）在满足必要的竖向承载力前提下，隔震装置的水平刚度应尽可能小，以使结构周期尽可能远离地震动的优势周期范围;(2)保证在风作用下结构不致有太大的位移。为此，通常要求在
5、隔震结构系统底部安装风稳定装置或用阻尼器与隔震装置联合构成基底隔震系统。,隔震建筑系统的动力分析模型可根据具体情况选用单质点模型、多质点模型，甚至空间分析模型。当上部结构侧移刚度远大于隔震层的水平刚度时，可以近似认为上部结构是一个刚体，从而将隔震结构简化为单质点模型进行分析。,当要求分析上部结构的细部地震反应时，可以采用多质点模型或空间分析模型。这些模型可视为在常规结构分析模型底部加人隔震层简化模型的结果。例如，对于多质点模型，隔震层可用一个水平刚度为Kh，阻尼系数为C的结构层简化为：,隔震结构计算简图,这样，就可以采用时程分析方法进行隔震结构系统的地震反应分析。也可以采用反应谱方法进行隔震结
6、构的地震反应分析，但这时采用的反应谱应是经过阻尼比调整后的反应谱曲线。,采用隔震装置的隔震结构，可以有效减低隔震层以上结构的水平地震作用。我国抗震规范采用水平向减震系数的概念来反映这一特点，且规定水平地震作用沿高度采用矩形分布，水平向地震影响系数最大值采用非隔震结构水平地震影响系数最大值与水平向减震系数的乘积。而水平向减震系数可根据结构隔震与非隔震两种情况下层间剪力的最大比值按表8-1确定。水平向减震系数不宜低于0.25，且隔震后结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用。,层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系,8.2.2 常用隔震装置,1.橡胶支座隔震 橡胶支座
7、是最常见的隔震装置。常见的橡胶支座分为钢板叠层橡胶支铅芯橡胶支座、石墨橡胶支座等类型。钢板叠层橡胶支座由橡胶片和薄钢板叠合而成。,叠层橡胶支座,铅芯橡胶支座1一橡胶;2一铅芯;3-钢片,通常使用的橡胶支座，水平刚度是竖向刚度的1%左右，且具有显著的非线性变形特征。当小变形时，其刚度很大，这对建筑结构的抗风性能有利。当大变形时，橡胶的剪切刚度可下降至初始刚度的1/5一1/4，这就会进一步降低结构频率，减少结构反应。当橡胶剪应变超过50%以后，刚度又逐渐有所回升，起到安全阀的作用，对防止建筑的过量位移有好处。,橡胶支座隔震装置设计的关键是合理确定隔震支座承受的应力。我国建筑抗震设计规范规定:隔震层
8、各橡胶隔震支座，考虑永久荷载和可变荷载组合的竖向平均压应力设计值不应超过表8-2的规定。在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力。,橡胶隔展支座平均压应力限值,注:1.对需验算倾覆的结构，平均压应力设计值应包括水平地震作用效应;2.对需进行竖向地震作用计算的结构，平均压应力设计值应包括竖向地震作用效应;3.当橡胶支座的第二形状系数小于5.0时，应降低平均压应力限值;直径小于300mm的支座，其平均压应力限值对丙类建筑为12MPa。,2.滚动隔震,滚动隔震主要有滚轴隔震和滚珠隔震两种。,双排滚轴隔震装置1一上部滚轴群;2一下部滚轴群;3一呈弧形沟槽的中间板;4-钢制连接件;5-销子;6一底盘;7一盖板;
9、8一盖板向下突壁;9一散粒物,在基础与上部结构之间设置上、下两层彼此垂直的滚轴，滚轴在椭圆形的沟槽内滚动，因而该装置具有自己复位的能力。,滚珠隔震装置,在一个直径为50的高光洁度的圆钢盘内，安放400为0.97cm的钢珠。钢珠用钢箍圈住，不致散落，上面再覆盖钢盘。该装置已用于墨西哥城内一座五层钢筋混凝土框架结构的学校建筑中，安放在房屋底层柱脚和地下室柱顶之间。为保证不在风载下产生过大的水平位移，在地下室采用了交叉钢拉杆风稳定装置。,一般说来，采用滚动隔震装置时，应注意安装有效的限位、复位机构，以保证被隔震的结构物不致在地震作用下出现永久性变形。,3.滑动支座隔震 这种隔震方法是在上部结构与基础
10、之间设置可以相互滑动的滑板。风载或小地震时，静摩擦力使结构固结于基础之上。大震时，结构水平滑动，地震作用减小，滑板间摩擦阻尼同时消耗地震能量。为控制滑板间的摩擦力以满足隔震要求，通常在滑板间加设滑层。常用的滑层材料有聚氯乙烯板、砂粒、铅粒、滑石、石墨等。4.其他隔震装置 摇摆式隔震支座；不倒翁式隔震房屋等。,8.3 减震原理与方法,8.3.1 耗能减震原理 耗能减震装置 吸振减震原理 吸振减震装置,8.3.1 耗能减震原理,耗能减震是通过采用耗能构件以消耗地震传递给结构的能量为目的的减震手段。地震时，结构在任意时刻的能量方程为,式中 Et地震过程中输人给结构的能量;Es结构主体自身的耗能;Ef
11、附加耗能构件的耗能。,从能量的观点看，地震输入给结构的能量E，是一定的，因此，耗能装置耗散的能量越多，则结构本身需要消耗的能量就越小，这意味着结构地震反应的降低。另一方面，从动力学的观点看，耗能装置的作用，相当于增大结构的阻尼，而结构阻尼的增大，必将使结构地震反应减小。,在风和小震作用下，耗能装置应具有较大的刚度，以保证结构的使用性能。在强烈地震作用时，耗能装置应率先进人非弹性状态，并大量消耗地震能量。试验表明，耗能装置可做到消耗地震总输入能量的90%以上。耗能减震结构的地震反应分析可以采用的时程反应分析方法。,耗能部件附加给结构的有效阻尼比超过20%时，宜按20%计算。耗能减震结构的刚度可以
12、取为结构刚度和耗能部件刚度之和。,8.3.2 耗能减震装置,1.阻尼器 阻尼器通常安装在支撑处、框架与剪力墙的连接处、梁柱连接处以及上部结构与基础连接处等有相对变形或相对位移的地方。在基底隔震系统中，阻尼器常与隔震装置相配合使用。常用的阻尼器有以下几种:,活塞式阻尼器,摩擦阻尼器,弹塑性阻尼器,低碳钢具有优良的塑性变形性能，可在超过屈服应变几十倍的塑性应变下往复变形数百次而不断裂。根据需要，可以将软钢板(棒)弯成各种形状做成阻尼,2.耗能支撑 耗能支撑实质土是将各式阻尼器用在支撑系统上的耗能构件。,塑性耗能支撑,在交叉支撑处弹塑性阻尼器的原理，可做成耗能交叉支撑，如图8-12所示。在支撑交叉处
13、，通过钢框或钢环的塑性变形消耗地震能量。,摩擦耗能支撑节点,将高强度螺栓塌板摩擦阻尼器用于支撑构件，可做成摩擦耗能支撑。摩擦耗能支撑在风载或小震下不滑动，能像一般支撑一样提供很大的刚度。而在大震下支撑滑动，降低结构刚度，减小地震作用，同时通过支撑滑动摩擦消耗地震能量。,耗能隅撑是在耗能偏心支撑的基础上发展出来的。隅撑两端刚接在梁、柱或基础上，普通支撑简支在隅撑的中部。与耗能偏心支撑相比，耗能隅撑有两个优点:其一，隅撑截面小，不是结构的主要构件，破坏后更换方便;其二，隅撑框架不限于梁柱刚接，梁柱可以铰接或半铰接,偏心支撑结构最早由美国Popov教授提出。其工作原理是通过支撑与梁段的塑性变形消耗地
14、震能量。在风载或小震作用下，支撑不屈服，偏心支撑能提供很大的侧向刚度。在大震下，支撑及部分梁段屈服耗能，衰减地震反应。,3.耗能墙 耗能墙实质上是将阻尼器或耗能材料用于墙体所形成的耗能构件或耗能子结构。,周边耗能墙 在墙与框架连接的周边，可填粘性材料。强烈地震时，墙周边出现非弹性缝并错动，消耗地震能量。,摩擦耗能墙 预应力摩擦剪力墙以竖向预应力为手段，在墙顶面与梁底部接缝处做一条摩擦缝。地震作用时，通过摩擦缝的反复水平滑动消耗地震能量。在竖缝剪力墙的竖缝中填以摩擦材料，也可形成摩擦耗能墙体。,吸振是通过附加子结构使主结构的能量向子结构转移的减震方式。,吸振减震原理,8.3.4 吸振减震装置,1
15、.调频质量阻尼器(TMD),这种装置通常做成可滑动的质量块，可以安装在高耸结构或高层建筑的顶部比较适合于阻尼比较小的钢结构或桥梁结构的风振控制，对于阻尼比较大的混凝土高层建筑结构的振动控制尤其是地震反应控制，效果往往不太明显。,2.调谐液体阻尼器(TLD),将装水的容器置于结构物上，结构振动时，水的荡晃亦形成一个调频质量阻尼器，通常称这类装置为TLD。为了增大阻尼，可在水平处设置一层筛网。,8.4.1 基本概念8.4.2 控制原理8.4.3 结构主动控制装置,8.4 结构主动控制初步,主动控制是借鉴现代控制论思想而提出的一类振动控制方法，其设想是利用外部能源，在结构受地震激励而运动的过程中，实
16、时地施加控制力，改变结构动力特性，以减小结构地震反应。主动控制体系一般由三部分组成:(1)传感器。安装在结构上，测量结构所受外部激励及结构响应，将测得的信息传送给控制系统中的处理器;(2)处理器。一般为计算机。用于依据给定的控制算法，计算结构所需的控制力，并将控制信息传送给控制系统中的制动器;(3)制动器。一般为加力装置。用于根据控制信息由外部能源提供结构所需的控制力。,基本概念,8.4.2 控制原理,8.4.3 结构主动控制装置,1.主动调频质量阻尼器(ATMD)这是在TMD基础上增加主动控制力而构成的减震装置。目前ATMD尚处于研制开发阶段，其应用集中于高层建筑与高耸结构。2.主动拉索 主动拉索控制系统由连接在结构上的预应力钢拉索构成。在拉索上安装一套液压伺服系统。地震时，传感器把记录的结构反应信息传给液压伺服系统，系统根据一定规律对拉索施加控制力，使结构反应减小。主动拉索控制系统的优点在于:(1)施加控制力所需能量相对较小;(2)拉索本身是结构的构件，不必对结构进行较大的改动。,
