结构被动控制常用.ppt

结构被动控制常用技术,1、概述2、结构被动控制研究与应用3、被动控制的发展方向,1概述,1.1传统的抗震设计主要利用主体结构抗侧力构件屈服后的塑性变形和滞回耗能来耗散地震的能量,其抗震性能在很大程度上依赖于结构构件的延性。故在以往的结构抗震设计中,主要通过在结构设计中设置多道抗震设防线、选用耗能构件和对结构的刚度、承载力、延性的合理匹配来提高结构抗震性能。这些方法除了对地震烈度的适应性不佳外,保护目标也比较单一,而且使造价大大增加。,1.2结构被动控制设计近年来在建筑结构设计和施工中发展最快、应用最广的结构被动控制技术通过在结构内的某些部位安装经过调整的阻尼器、隔震器等控制装置耗散或隔离地震能量,以避免或减少地震能量向上部结构的传输,减少结构的水平地震作用,使结构振动反应减轻,从而消除或减轻结构和非结构的地震损坏,增强建筑物及内部设施和人员的地震安全性,提高建筑物的抗震能力。随着科技的发展,这种技术越来越受到人们的重视。,2结构被动控制研究与应用,2.1基底隔震技术2.1.1基底隔震技术原理基底隔震技术是在结构地面以上部分的底部设置隔离层,使之与固结于地基中的基础顶面分隔开,使地震能量传递不到主体结构,从而达到减轻结构振动的作用。隔震装置具有可变的水平刚度,在强风或微小地震时,具有足够的水平刚度,上部结构水平位移极小,不影响使用要求。在中等强度地震下,其水平刚度较小,上部结构水平滑动,使刚性的抗震结构体系变为柔性隔震结构体系,其固有自振周期大大延长,远离下部结构的自振周期和地面的场地特征周期,从而把地面振动有效地隔开,明显地降低上部结构的地震反应。,基底隔震示意图,2.1.2常用基底隔震支座（1）天然橡胶支座天然橡胶支座（RB)是一种由连接钢板，橡胶层和加劲钢板造成的隔震支座，该支座具有较高的竖向承载力和良好的水平变形能力。目前已在建筑、桥梁等结构震设计中得到了广泛的应用，并取得了较好的经济效益和社会效益。这种支座构造简单，加工制造方便，成本低廉。工作性能可靠，具有良好的弹性耐力，其竖向承载力和变形能力与钢筋混凝土相当。同时有水平动力助力特性和优良的变形复位能力，可以改善整体结构的抗震性能。不需要经常性养护，可减少养护工作量。,RB支座结构示意图,（2）铅芯橡胶支座铅芯橡胶支座(LRB)是在普通天然橡胶支座的中心插入铅芯，以改善橡胶支座阻尼性能的一种减震支座。铅芯橡胶支座除能承受结构的竖向力和水平力外，铅芯产生的滞后阻尼的塑性变形还能吸收地震能量，并可通过橡胶提供水平恢复力。铅芯橡胶支座作为一种有效的结构减隔震装置，已广泛用于桥梁、建筑物及其他土木结构中。,LRB支座结构示意图,（3）高阻尼橡胶支座在天然橡胶中加入各种配合剂，可以提高橡胶的阻尼性能,利用这种具有阻尼效果的橡胶制成的支座称为高阻尼橡胶支座(HDRB)。这种支座具有较高的强度和竖向刚度，能够承受较大的竖向荷载。HDRB支座除具备较强的水平变形能力外，对水平变形还有一定的抵抗作用，这种抵抗作用可有效地吸收地震能量。地震发生时，支座在外力作用下产生一定变形，吸收地震能量;地震发生后，支座通过橡胶的恢复力回到初始位置。设计使用寿命可达60年。设计最大阻尼比可达到25%。,HDRB支座结构示意图,橡胶隔振支座,芦山县人民医院隔震支座,2.1.3基底隔震技术在工程中的应用,2.2耗能减震技术2.2.1耗能减震技术原理结构消能减震技术是在结构物的某些部位(节点或连接处)设置阻尼器,或把某些非承重构件(如支撑剪力墙)设计成耗能杆件,在风荷载或轻微地震时,这些阻尼器或耗能杆件仍处于弹性状态,结构物仍具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求。在强地震发生时,随着结构受力和变形的增大,这些阻尼器或耗能杆件率先进入非弹性变形状态,产生较大阻尼,大量消耗作用于结构的地震能量,从而使主体结构避免进入明显的非弹性状态并迅速衰减结构的地震反应,保护主体结构在强震中免遭破坏,被广泛用于高层建筑、高耸构筑物(塔、架等)的抗震或抗风,单层工业厂房排架纵向抗震,管线系统减震保护等。,2.2.2常用消能阻尼器（1）金属阻尼器金属屈服是消耗地震输入能量的有效方式之一。可以利用金属材料进入弹塑性范围以后良好的滞回性能控制结构的动力反应。,金属阻尼器布置形式,金属阻尼器结构示意图,（2）粘滞阻尼器粘滞阻尼器一般由缸筒、活塞、阻尼通道、阻尼介质（粘滞流体）和导杆等部分组成。当工程结构因振动而发生变形时，安装在结构中的粘滞阻尼器的活塞与缸筒之间发生相对运动，由于活塞前后的压力差使粘滞流体从阻尼通道中通过，从而产生阻尼力耗散外界输入结构的振动能量，达到减轻结构振动响应的目的。,粘滞阻尼器结构示意图,（3）屈曲约束支撑屈曲约束支撑（RB-BRB）又称为防屈曲支撑、无粘结支撑，是在受压容易发生屈曲及屈曲后滞回耗能能力变差的普通钢支撑的基础上改进而成的，属于一种新型的金属屈服型阻尼器。工作机理是利用低屈服点芯材轴向受压、受拉均能屈服而耗散地震或风振能量，是目前建筑用各类阻尼器中耗能效果较好的一类被动位移相关型阻尼器，可广泛应用于各类新建建筑及已有建筑的抗震加固改造工程。,屈曲约束支撑结构示意图,2.2.3消能减震技术在工程中的应用,台北市中山区行政中心加固用的金属阻尼器,宿迁第一人民医院中使用的粘滞阻尼器,天津泰达国际学校国际部加固工程,2.3吸能减震技术2.3.1吸能减震技术原理吸能减震技术是通过附加的子结构,使结构的振动发生转移,即使原结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配,从而达到减小结构振动的目的。附加的子结构具有质量、刚度和阻尼,因而可以调整子结构的自振频率,使其尽量接近主结构的基本频率或激振频率。这样当主结构受激励而振动时,子结构就会产生一个与主结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上,使主结构的振动反应衰减并受到控制。,2.3.2常用吸能减震阻尼器（1）调谐质量阻尼器调谐质量阻尼器又叫动力吸振器，是结构被动控制措施的一种。通过在主结构上增加一个辅助机构，在主结构受到外界动态力作用时，提供一个频率几乎相等，与结构运动方向相反的力，来部分抵消外界激励引起的结构响应。（2）调频液体阻尼器调谐液体阻尼器利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧力来提供减振作用。其具有构造简单，安装容易，自动激活性能好，不需要启动装置等优点，可兼作供水水箱使用。,2.3.3吸能减震技术在工程中的应用,台北101摆式调谐质量阻尼器,日本ShinYokohamaPrince旅馆调谐液体阻尼器,3被动控制的发展方向,(1)多维地震动控制技术的研究,研究不仅能控制一维,而且能控制二维、三维及扭转振动的技术;(2)新型高效、