隔震与消能减震设计

1 第九章第九章 隔震与消能减震设计隔震与消能减震设计 2 9.1 9.1 结构振动控制概述结构振动控制概述 产 生 传 递 引 起 震源 地震波 建筑物所在场地 结构的地震反应 3 9.1 9.1 结构振动控制概述结构振动控制概述 地震位移反应 地震剪力 小 大 小 大 地 震 内 力 4 9.1 9.1 结构振动控制概述结构振动控制概述 地震动作用下结 构位移过大,实践 上的困难 延性结构体系 刚性结构体系 反应接近地面地震运动 一般不发生结构强度破坏 导致材料的浪费 柔性结构体系 减少结构物的刚性 避免结构与地面 运动发生类共振 减轻地震力 5 9.1 9.1 结构振动控制概述结构振动控制概述 “延性结构体系”基本要求 实现延性结构体 系设计是工程师 所追求的抗震基 本目标 适当控制结构物的刚度与强度 结构构件进入非弹性状态后仍具有较大的延性 通过塑性变形消耗地震能量 “坏而不倒” 6 9.1 9.1 结构振动控制概述结构振动控制概述 当地基本烈度地震 建筑物 可能进入非弹 性破坏状态 装修与内部设备破坏 延性结构体系的结构 被动抵御地震作用 作 用 导 致 巨大经济损失 某些生命线工程损失更 是难以估量延性结构体 系的应用也有了一定的 局限性 隔震、减震、制 振技术 7 9.1 9.1 结构振动控制概述结构振动控制概述 隔震： 地震动 结构 隔离 装置 隔开 减小结构振动 主要方法 基底隔震 悬挂隔震 8 9.1 9.1 结构振动控制概述结构振动控制概述 香港汇丰银行（悬挂隔震） 南加州大学医院（基础隔震） 9 9.1 9.1 结构振动控制概述结构振动控制概述 减震： 地震 结构 减轻结构振动 耗能装置或附加子结构 耗能 主要方法 耗能减震 冲击减震 吸振减震 10 9.1 9.1 结构振动控制概述结构振动控制概述 自动控制系统 施加控制力 地震 结构 减小结构振动 研究、探索并部分应用于 工程实践的时期。 隔震技术 实用阶段 减震技术 制振技术 主动控制 11 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 一 隔震的基本原理及设计要求 隔震 基底隔震 悬挂隔震 隔震层隔开限制地震动向 结构物的传递 固结于地基中的基础 结构物地面以上部分 12 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 隔震原理 隔震的两种途径：（1）延长结构的自振周期 （2）增加结构的阻尼 13 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 隔震装置的基本要求： （1）安全可靠的竖向承载力（2）可变的水平刚度特性（3）较好的阻尼 耗能能力（4）良好的复位功能（5）良好的抗疲劳和抗老化能力 14 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 隔震结构效果图 15 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 隔震结构剖面效果图 16 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 二 隔震结构的计算 隔震建筑系统动力分析模型 单质点模型 多质点模型 空间分析模型 gxmkxxcxm &&&&& −=++ 动力平衡方程: —结构的总质量； —隔震层的阻尼系数和水平刚度； —上部简化刚体相对于地面的加速度、速度与位移； —地面加速度过程。 m kc, xxx ,, &&& gx&& 上部结构侧移刚度远大于 隔震层的水平刚度 上部结构近似为 一个刚体 单质点模型 17 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 隔震层 简化 ∑ = = N i ih KK 1 等效粘滞阻尼比计算式为： h N i ii eq K K∑ == 1 ξ ξ 水平刚度为k 阻尼系数为c 隔震支座 数量 第i 个隔震支座的 水平动刚度 第 i个隔震支 座的 等效粘滞 阻尼比。 水平动刚度计算式为: 18 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 隔震装置 隔震层以上结构的水平地震作用有效 降级 采用水平向减 震系数的概念 反映这一特点 层间剪力最大比值 0.53 0.35 0.26 0.18 水平向减震系数 0.75 0.50 0.38 0.25 层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系 水平向减震系数不宜低于0.25，且隔震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 19 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 三 隔震装置简介 1.橡胶隔震垫 橡胶支座 钢板叠层橡胶支座 铝芯橡胶支座 石墨橡胶支座 在天然橡胶中加入石墨大幅度提高 橡胶支座的阻尼实际中应用还不多 20 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 钢板： 限制橡胶片的横向变形使 座竖向刚度较纯橡胶支座 大大增加 橡胶片： 总厚度越小所能承受的竖 向荷载越大 钢板叠层橡胶支座 支座内阻尼较 小，常需配合阻 尼器一起使用 21 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 集隔震器与阻尼器 于一身，因而可以 独立使用 叠层橡胶支座中间钻孔灌入铝芯 提高支座大变形时的吸能能力 钢板叠层橡胶支座 22 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 设计的关键--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 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ： 隔震层各橡胶隔震支座，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下 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的规定。 建筑类别 甲类建筑 乙类建筑 丙类建筑 平均压应 力（Mpa） 10 12 15 橡胶隔震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； 在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力 23 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位 移，应符合下列要求： [ ]ii uu ≤ cii uu β= 罕遇地震作用下，第 i 个隔震支座考虑扭 转的水平位移 第 i个隔震支座的水平位移限值； 对橡胶隔震支座，不应超过该支座 有效直径的0.55倍和支座各橡胶层 总厚度3.0倍二者的较小值 罕遇地震下隔 震层质心处或 不考虑扭转的 水平位移 第 i个隔震支座的扭转影响系 数，应取考虑扭转和不考虑扭 转时 支座计算位移的比值；当 隔震层以上结构的质心与隔震 层刚度中心在两个主轴方向均 无偏心时，边支座的扭转影响 系数不应小于1.15 24 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 南加州大学医院（隔震结构）橄榄景医院（抗震结构） 1994年1月17日，美国圣菲尔南多发 生洛杉矶地震，震级M=6.7，直下型 地震 基础加速度 0.49g 顶层加速度 0.21g 加速度折减 系数为1.8 底层加速度 0.82g， 顶层加速度 2.31g, 加速度放大系 数为2.8 橡胶支座隔震系 统的更优越 隔震结构实例 25 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 隔震垫变形 26 2.滚珠隔震装置 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 滚珠隔震装置 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 27 9.2 9.2 隔震设计隔震设计 3.摇摆隔震支座 摇摆隔震支座：在杯形基础内设一个上 下两端有竖孔的双圆筒摇摆体。竖孔内 穿预应力钢丝束并锚固在基础和上部盖 板上，起到压紧摇摆体和提供复位力的 作用。在摇摆体和基础壁之间填以沥青 或散粒物，可为振动时提供阻尼。经试 验证实：当地面加速度幅值达330cm/s2 时，被隔震房屋的加速度反应被降低到 无隔震反应的1/3左右。我国山西省的 悬空寺，历史上经历多次大地震而仍完 整无损。分析认为是其特有的支撑木柱 起到了摇摆支座隔震的作用 实例：山西悬空寺 28 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 一 消能减震原理 地震 结构 减轻结构振动 耗能构件 耗能 地震时，结构在任意时刻的能量方程为： fE E Et s= + 地震过程中输入 给结构的能量 附加耗能构件的 耗能 结构主体自身的耗能 能量观点： 一定 结构地震反应降低 tE sEfE 动力学观点：耗能装置的作用， 相当于结构的阻尼 ，必使结构 地震反应 29 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 风和小震 耗能装置 较大的刚度 结构 减轻结构振动 耗能应具有 结构的使用性能保证 强烈地震作用 耗能装置 结构 减轻结构振动 耗能 非弹性状态 应率先 进入 大量消耗地震能量 有试验表明，耗能装置可做到消耗地震总输入能量的90%以上。 30 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 耗能元件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算： 耗能减震结构的 地震反应分析 非线性时程反应分析方法 (本书第三章所述) 可以利用 通常需要耗能元件 的试验数据，以确 立结构动力方程中 的阻尼矩阵 耗能减震结构 的附加有效阻 尼比 )4/( sca WW πζ = 所有耗能部件在 结构预期位移下 往复一周所消耗 的能量 设置耗能部件 的结构在预期 位移下的总应 变能 二 消能减震设计 31 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 三 消能减震装置 阻尼器 耗能交叉支撑 耗能墙 消能减震装置 32 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 阻尼器 与速度相关的粘弹型阻尼器 以摩擦或金属屈服为特征的位移 相关型阻尼器 阻尼器 支撑处 框架与剪力墙的连接 处 梁柱连接处 上部结构与基础连接处 有相对变形或相 对位移的地方 安装于 1.阻尼器 33 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 摩擦阻尼器 330 1 2 . 5 2 5 1 2 . 5 1 0 0 粘弹型阻尼器 34 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 各种形状的软钢阻尼器（弹塑性阻尼器） 低碳钢具有优良的塑性变形性能，可以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）弯成名种形状做成阻尼器 35 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 2.耗能支撑 耗能交叉支撑 摩擦耗能支撑 耗能偏心支撑 耗能耦撑 屈服约束支撑 塑性耗能支撑 (1)耗能交叉支撑 支撑交叉处 通过钢框或钢环的塑 性变形消耗地震能量 耗能支撑的分类 36 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 (2)摩擦耗能支撑 在支撑杆或节点板上开长圆孔 将高强螺栓—钢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，能象一般支撑一样 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 37 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 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)耗能偏心支撑 偏心支撑框架 38 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 (4)耗能隅撑 耦撑框架 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，不是结构的主要结构，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。 39 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 （5）屈曲约束支撑 屈曲约束支撑的基本部件 屈曲约束支撑的轴力－位移关系 鉴于传统的支撑在受压时会产生屈曲，日本的一些研究者开发出一种受压 时不发生屈曲的支撑，称为屈曲约束支撑，这种构件是在核心支撑的外面 套一个约束构件，核心支撑和约束构件间能自由滑动。工作时，仅核心支 撑与框架结构相连，而约束构件则约束了核心支撑的横向变形，防止核心 支撑在压力作用下发生整体屈曲和局部屈曲。因此，屈曲约束支撑在拉力 和压力作用下均可以达到充分的屈服，具有很好的延性，滞回曲线稳定饱 满，其滞回曲线明显优于普通钢支撑。 40 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 屈曲约束支撑 屈曲约束支撑的一些典型截面形状 41 3.耗能墙 9.3 9.3 消能减震设计消能减震设计 周边耗能墙 摩擦耗能墙 在墙与框架的周边，可填充粘性材料（图）。强烈地震时，墙周边出现非 弹性缝并错动，消耗地震能量 周边耗能墙 42 9.4 9.4 结构被动调谐减震控制结构被动调谐减震控制 地震 结构 减轻结构振动 附加子结构 能量转移 一 被动调谐控制原理 43 9.4 9.4 结构被动调谐减震控制结构被动调谐减震控制 调频质量阻尼器（TMD） 通过弹簧连接于主体 结构，可安装在高耸 结构或高层建筑的顶 部 调频质量阻尼器是包 括质量系和弹簧、阻 尼系的小型振动系统 二 调谐质量阻尼器（TMD） 44 运动平衡方程： gxmvkvcxkxcxm &&&&&& 011000 −=−−++ ( ) gxmvkvcvxm &&&&&&& 1111 −=+++ --刚度 --阻尼系数 --主体结构质量 --附加子结构质量、阻尼 系数、刚度 0m 0c 0k 1m 1c 1k xxv −= 1 9.4 9.4 结构被动调谐减震控制结构被动调谐减震控制 45 9.4 9.4 结构被动调谐减震控制结构被动调谐减震控制 考虑简谐地面运动输入 考虑无阻尼体系的反应特征 主结构振幅为零 系统振动能量集中 于子结构而主体结 构得到了保护 数学 推导 地震动含有多种频率分量 结构系统也必然是有阻尼系统 子结构的频率等于地 面运动输入频率 实际情况 子结构频率接近或等于 主结构频率时 主结构的地震反应总是 可以得到一定程度的降低 46 9.4 9.4 结构被动调谐减震控制结构被动调谐减震控制 按照随机振动原理的分析结果 R是主结构的振动控制频率参数 当R<1时，表示具有减震效果 大量理论分析结果表明： 主结构的阻尼比越小， 吸振装置的减震作用越大 质量比增加，减震作用增大 47 9.4 9.4 结构被动调谐减震控制结构被动调谐减震控制 三 调谐液体阻尼器（TLD） 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 振荡也能形成一个调频质量阻尼器 设计TLD时，应尽量使水的振 荡周期接近结构的固有周期。 水的振荡频率公式为： ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= L htg L gf ππ 2 2 水面 波的 波长 水 深 重力加速度 TLD也已应用于多个实际工程中，比较著名的有安装于日本横 滨市的马林塔（105m高）和长崎航空港管制塔上的TLD装置， 经观测证实，确有减振效果