（土木工程专业论文）加层减震结构的理论分析与振动台试验研究.pdf

广州大学硕士研究生论文 摘要 基础隔震结构是把橡胶垫隔震支座设置在基础底部，通过改变结构的振动特 性来减小地震的响应，保证结构的安全性。当把橡胶隔震支座设置在顶层时，也 称为加层减震结构。 在现有规范中，隔震层位置均要求设置在基础或结构首层以下位置，这对大 平台上建多塔楼类结构和原有建筑抗震加固是不适宜的。本文研究的目的是突破 现有规范的限制，将隔震层设置在建筑物的顶层，若这种减震方式对隔震层上、 下部结构的受力均有利，将是隔震技术的创新和发展，也为结构的减震设计和已 建房屋的抗震加固提供了一条新的途径。 对这种新的加层减震体系，其工作机理可能是延长周期和质量调谐的某种结 合。因此，系统地描述加层减震结构的减震机理和效果是减震技术研究过程中要 解决的重点问题，它直接关系到减震结构设计方法的提炼和实际工程设计方案的 优化。针对这种情况，本文重点研究了以下内容： 1 对于加层减震结构建立的振动方程，由于其质量矩阵和刚度矩阵非对称， 阻尼矩阵为非经典阻尼矩阵，不适宜用传统的模态迭加法，本文研究了这种结构 的复模态算法。 2 考虑到计算方法和结构实际地震反应的差异，专门做了大比例加层减震 结构模型和没有减震的结构模型，分别进行了振动台试验，研究同种结构在不同 地震动输入下的振动响应规律。 3 将非减震结构和减震结构振动台试验结果进行对比分析，研究了不同结构 在同种地震动输入下的振动响应规律。 4 为了验证加层减震的试验效果，在s a p 2 0 0 0 通用软件中建模，分析加层减 震的效果，并和振动台模型试验进行对比分析。 5 根据理论和试验分析，得出了一些加层减震结构在平稳随机地震激励下响 应的有益结论，为结构减震设计和抗震加固提供借鉴。 本文较系统的对加层减震结构的动力特性和地震反应进行了理论分析，探讨 了隔震层上、下结构体系的协同工作情况和隔震效果的影响因素，为加层减震技 术的应用和抗震加固的工程实践提供科学依据。 关键词：加层减震结构铅芯夹层橡胶垫复模态法 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e i s o l a t e ds t r u c t u r ei si n s t a l l i n gr o b b e rb e a r i n g so nt h eb o t t o mo fb u i l d i n g t h r o u g hc h a n g i n gt h ei n h e r e n tf e a t u r e so fs t r u c t u r et or e d u c es e i s m i cr e s p o n s e sa n d e n s u r es e c u r i t yo ft h ei s o l a t e ds t r u c t u r e w h e nr u b b e rb e a r i n g sa r ei n s t a l l e do nt h et o p l a y e ro fs t r u c t u r e ，i ti sc a l l e da d d i n gs t o r ya n ds e i s m i cm i t i g a t i o ns t r u c t u r e i s o l a t i o nl a y e ri sr e q u k e dt ol o c a t eo nt h eb a s eo rb a s e m e n to fb u i l d i n g h o w e v e l t h i si su n s u i t a b l ef o r t h ea s e i s m i cs t r u c t u r e sw i t hm u l t i - t o w e r so n ag r e a tp l a t f o r ma n d s e i s m i cr e t r o f i t t i n go fe x i s t i n gc o n s t r u c t i o n t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st ob r e a kt h e c o n s t r a i n t so fe x i s t i n gc o d ea n di n s t a l li s o l a t i o nl a y e ro nt h et o pl a y e ro fs t r u c t u r e i f t h i sw a yi sf a v o r a b l et ob o t ht h eu p p e rs t o r i e sa n dt h el o w e ro n e s ，t h en e wt y p eo f s t r u c t u r ew i l lb eag r e a ti n n o v a t i o na n dd e v e l o p m e n to fi s o l a t i o nt e c h n i q u e ，b u ta l s o p r o v i d ean e wd e s i g nm e t h o do fb u i l d i n g sa n ds e i s m i cr e t r o f i t t i n go ft h ee x i s t i n g c o n s t r u c t i o n a tp r e s e n t ，i ti sn o ts u f f i c i e n tt h a tt h er e s e a r c ho ft h i sn e wa d d i n gs t o r ya n d m i t i g a t i o ns t r u c t u r e ，i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l ea n de f f e c to f a s e i s m i cr e s p o n s e t h e r e f o r e ， i ti sav e r yk e yi s s u et oi n v e s t i g a t es y s t e m a t i c a l l yt h ea d d i n gs t o r ya n ds e i s m i c m i t i g a t i o n s t r u c t u r e b e c a u s ei tr e l a t e s d i r e c t l yt od e s i g n m e t h o do f a s e i s m i c s t r u c t u r e sa n dd e s i g no p t i m i z a t i o n i nl i g h to ft h i ss i t u a t i o n ，t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e dt h e c o n t e n tw i t he m p h a s i sa sf o l l o w ： 1 a st h em o t i o ne q u a t i o no fa d d i n gs t o r ya n ds e i s m i cm i t i g a t i o ns t r u c t u r ei sa n o n c l a s s i c a ld a m p i n g , a n dt h em a s sa n dr i g i d i t ym a t r i xa r en o n - s y m m e t r i c ，t h e c o m p l e xm o d em e t h o di su s e dt od i s c o n n e c tt h ee q u a t i o n si nt h ep a p e r 2 i nv i e wo ft h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nc a l c u l a t i v em e t h o da n dt h ea c t u a l e a r t h q u a k e r e s p o n s eo fb u i l d i n g s ，t w of u l l s c a l e m o d e l sw e r em a d es p e c i a l l y , i n c l u d i n gaa d d i n gs t o r ya n ds e i s m i cm i t i g a t i o nm o d e la n dan o n s e i s m i cm o d e l t h e r u l eo f e a r t h q u a k e r e s p o n s e w a sf o u n do u t b ys t u d y i n gs y s t e m a t i c a l l y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fs h a k et a b l ew h e nm a n ys e i s m i cw a v e sw e r ei n p u t t e d ，a n dt h e c o m p a r i s o na n da n a l y s i sw e r ei n v e s t i g a t e db e t w e e nt h et w ot y p eo fs t r u c t u r e s 3 b o t has e i s m i cm i t i g a t i o nm o d e la n dan o n - s e i s m i co n ew e r eb u i l tt o i n v e s t i g a t et h er e s u l t s o fe a r t h q u a k e r e s p o n s e i nc o n l m o nc o m m e r c i a ls o f t w a r e s a p 2 0 0 0 ，a n da n a l y s i sw a sd o n eb e t w e e nm o d e ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti no r d e r t ot e s t i f yt h et e s tr e s u l t so fs h a k et a b l e 4 a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s 广州大学硕士研究生论文 a r eo b t a i n e df o rt h es t r u c t u r a lw i t ha d d i n gs t o r ya n ds e i s m i cm i t i g a t i o nu n d e rt h e r a n d o ms t a b l ee a r t h q u a k es t i m u l a t i o n ，w h i c hi su s e f u lf o rt h ea s e i s m i cd e s i g na n d s e i s m i cr e t r o f i t t i n go fe x i s t i n gc o n s t r u c t i o n i naw o r d ，t h es y s t e m a t i c a le x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s a r ed o n et os t u d yd y n a m i cp r o p e r t ya n de a r t h q u a k er e s p o n s e sf o ra d d i n gs t o r ya n d s e i s m i cm i t i g a t i o ns t r u c t u r ei nt h ep a p e r m o r e o v e r , i ti sa l s od i s c u s s e df o ri n f l u e n c i n g f a c t o r so fs e i s m i cm i t i g a t i o na n dt h eh a r m o n i o u sr e s p o n s eb e t w e e nt h eu p p e ra n d l o w e rs t r u c t u r e ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a la n ds c i e n t i f i cg u i d a n c ef o r t h ea p p l i c a t i o n o fa d d i n gs t o r ya n ds e i s m i cm i t i g a t i o n es t r u c t u r ea n ds e i s m i cr e t r o f i t t i n go ft h e e x i s t i n gc o n s t r u c t i o n k e yw o r d ：a d d i n gs t o r ya n ds e i s m i cm i t i g a t i o ns t r u c t u r e ：r u b b e r b e a r i n g ：c o m p l e xm o d em e t h o d 广州大学硕士研究生论文 1 1 引言 第一章绪论 地震是地壳运动在某些阶段发生急剧变化的一种自然现象，它往往给人类社 会造成不同程度的伤亡事故和经济损失，强烈地震能对一个地区产生毁灭性破 坏。地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播，最后传到地面上的建筑 物，引起建筑物的震动，甚至倒塌。目前地震预报尚处于研究阶段，即使预报准 确也不能完全避免地震对结构的危害。因此，世界各国减轻地震灾害主要措施是 防震减灾，通过合理的设计和有效的工程技术措施保证地震时建筑物和工程设施 不遭受破坏或轻微破坏，从而达到减轻或避免地震灾害的目的。传统的抗震设计 从产生至今，经历了静力理论、反应谱理论和动力分析三个阶段，从完全忽略 结构的动力特性的影响到逐渐引入结构动力特性、场地特性和地震特性等影响因 素；发展了按地震的时间历程直接求解结构体系运动微分方程的时域( 程) 分析 法或按地震波的频率分布特性而发展的频域分析方法：将弹性反应谱理论发展到 弹塑性反应谱理论，并开拓了结构随机振动分析的研究方向。1 。传统的建筑抗震 设计致力于保证结构本身具有足够的强度、刚度和延性，通过建筑结构构件的强 度和塑性变形来抵抗地震作用和吸收地震能量，以达到减轻地震灾害的目的。1 ， 其设防目标可概括为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。3 。同时，由于传统建 筑物结构基础固结于地面，地震作用沿着高度从下到上逐层放大。为了保证建筑 物的安全又必然加大结构构件承载力，而地震力是一种惯性力，建筑物的构件断 面大，所用材料多，质量大，同时受到的地震作用也增大。因此，传统的抗震方 法并不是最优的减震防灾途径o ，。 直到1 9 7 2 年美国学者j t p y a 首次提出结构控制的概念以来，结构减震 控制的研究和应用才越来越得到人们的广泛关注和重视，目前己成为结构工程和 结构力学领域最具有前沿性的发展方向之一，并己在世界各国的实际工程中得到 应用。经过二十世纪七、八、九十年代美国、日本、新西兰和中国等国家工程抗 震研究者对各种减震控制技术的大量研究，减震控制日益形成了一种新的理论体 系。此后，减轻地震反应的各种控制技术如雨后春笋般蓬勃发展起来【6 j l ，j 。 1 2 抗震技术的发展概况 1 2 1 静力理论阶段 在二十世纪2 0 年代，日本引入了震度法的概念，一成为该时期抗震理论的标 第一章绪论 志。该理论认为：结构物所受到的地震作用，可以简化为作用于结构的等效水平 静力f ，其大小等于结构重力荷载g 乘以地震系数k ，即 f ：v ；k g g 式中，a 为地震动最大水平加速度，g 为重力加速度，k 为地震系数，其数 值与结构动力特性无关，是根据多次地震震害分析得出的，一般取k = 1 1 0 。在 此理论创立时，一般认为结构是刚性的，故结构上任何一点的振动加速度均等于 地震动加速度，结构上各部位单位质量所受到的地震力是相等的0 3 。 1 2 2 反应谱理论阶段 1 理论的创立 2 0 世纪3 0 年代，美国首先提出反应谱概念。美国受到日本地震工程研究工 作的启发，开展了强地震动加速度时程的观测和记录。到4 0 年代，美国己经取 得了不少有工程意义的地震记录( 如1 9 4 0 年5 月1 8 日的e 1 - - c e n t r o 波记录) ， 丰富了人们对地震动工程特性的认识。美国学者m b i o t 明确提出利用地震记录 计算反应谱的概念，从而促进了抗震设计理论的重大发展，使抗震理论进入了反 应谱阶段，。5 0 年代起，美国、苏联、中国等陆续采用反应谱理论于抗震设计。 随后，结构动力学振型分解法的发展是使反应谱理论从单自由度推广到多自由度 的关键，从而使实际结构的抗震设计完善起来。因此，又叫振型分解反应谱理论。 g w h o u s n e r 将此设想加以实现。由于反应谱理论正确而简单地反映了地震动的 特性，并根据强震观测提出了实用的资料，在国际上得到了广泛的承认。此后， 这一抗震理论基本上取代了震度法，从而在抗震设计领域确立了反应谱理论的主 导地位。 2 理论的实质 反应谱是指单质点体系地震最大反应与结构自振周期( 或自振频率) 之间的 关系，它通过一系列理想简化的单质点体系的动力反应来描述地震动频谱特性。 在这种一般意义的基础上，反应谱又有地震反应谱与设计反应谱的概念区别。通 过对不同地震记录的地震反应谱的综合分析，将给出设计反应谱，在本质上，设计 反应谱是对设计地震力的一种规定。这是因为，设计反应谱并不反映一次具体的 地震动过程的特性，而是从工程设计的角度在总体上把握地震动特性。这种把握， 可以是平均意义上的把握，也可以是严格意义上的把握。将设计反应谱与地震反 应在概念上区分开来，有利于在更广泛的背景下研究设计地震力。 振型分解反应谱法的原理是利用振型分解，将多自由度体系分解成几个独立 的等效单自由度体系：分别利用单自由度的反应谱，求出各振型的水平地震作用， 并用结构力学的方法求出相应的作用效应。最后，按一定的组合原则，将各振型 的作用效应进行组合，便得到多自由度体系的水平地震作用效应。1 。 广州大学硕士研究生论文 f j , ：a i x # g s _ f 。是相应于f 阶振型，质点i 的最大水平地震作用，s ，是由f 阶振型水平地 震作用f i 产生的地震作用效应，s 是水平地震作用效应。 反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系，通过反应谱 来计算由结构动力特性( 自振周期、振型和阻尼) 所产生的共振效应。地震时结构 所受到的最大水平基础剪力，即总水平地震作用为 f o , z 印口) g 式中，k 为地震系数，f l ( r ) 一s 。( r ) a ，为加速度反应谱s 。口) 与地震动最 大加速度a 的比值，表示地震时结构振动加速度的放大倍数。 3 理论的完善 当反应谱理论在5 0 年代中期被工程界广泛接受时，抗震设计是建立在弹性 理论基础上的。到6 0 年代，美国n m n e w m a r k 提出了“延性”的概念，并用它 来概括结构越过弹性阶段的抗震能力，用延性的大小作为结构抗震能力强弱的标 志。在结构抗震设计中，把提高延性与具备足够的刚度和强度提到了同等重要的 地位，并提出按延性系数将弹性反应谱修改为弹塑性反应谱的具体方法和数据， 从而使抗震设计理论过渡到非线性反应谱阶段。 美国h o u s n e r 在4 0 年代以后注意到了地震动的随机特性。到6 0 年代初，美、 日、苏联和我国都对此问题以及结构地震反应的随机理论开展了研究“州。其成 果不仅为结构地震反应提供了合理的“平方和的平方根”( s r s s ) 振型组合法则， 更重要的是为以后发展的抗震设计概率理论奠定了基础。 历次强震震害反复表明了场地条件对地震动和结构破坏程度的影响。6 0 年 代我国抗震设计工作者提出了考虑场地条件对反应谱形状影响的理论，并被国际 上广泛承认。 4 理论的局限 根据反应谱理论建立的抗震设计在很多情况下是有效的，但是也存在一些局 限性： ( 1 ) 反应谱理论尽管考虑了结构的动力特性，然而，在结构设计中，它仍 然把地震惯性力当作静力来对待，所以它只能称为伪动力理论。 ( 2 ) 在制作反应谱过程中只考虑了地震动的振幅和频谱，并没有考虑地震 动持续时间对结构破坏程度的重要影响。 ( 3 ) 反应谱是根据弹性结构地震反应绘制的，引用反映结构延性的结构影 响系数后，也只能笼统地给出结构进入弹塑性状态的结构整体最大地震反应，不 能给出结构地震反应的全过程，更不能给出地震过程中各构件进入弹塑性变形阶 第一章绪论 段内力和变形状态，无法找出结构的薄弱环节。 ( 4 ) 适应性有限制：某些重要的结构物( 如纪念性建筑、内部装修昂贵的建 筑、核电站等) 在地震作用下结构构件不允许进入非弹性状态。 ( 5 ) 安全性难于保证：传统的抗震方法以既定的“设防烈度”作为设计依 据，但由于地震作用的随机性，地震的烈度可能超过规定的“设防烈度”，使结 构物产生严重的破坏和倒塌，造成巨大的经济损失和人员伤亡“”。 1 2 3 动力理论阶段 6 0 年代以来，世界各地相继发生了一些强烈地震。通过这些地震取得了大 量的地震动数据和结构地震反应记录，更进一步的促进了地震工程研究。 以前的静力理论和反应谱理论都没有反映地震动持续时间对结构的影响，直 到1 9 7 1 年美国圣费南多地震，人们才清楚地认识到地震动持续时间对结构的破 坏程度有重要影响，从而推动了采用地震动加速度时程膏。( f ) 来计算结构反应过 程的动力分析法的研究。动力理论不但考虑了地震动的持时，还更进一步地考虑 了地震动过程中反应谱所不能概括的其它特性。其主要具有如下特点： ( 1 ) 输入地震动参数需要给出符合场地情况、具有概率含意的加速度过程 茗，( f ) ，对于复杂结构要求给出地震动三个分量的时间过程及其空间相关性。 ( 2 ) 结构和构件的动力模型应接近实际情况，要包括结构的非线性恢复力特 性。 ( 3 ) 动力反应分析方法要给出结构反应的全过程，包括变形和能量损耗的积 累。 ( 4 ) 设计原则要考虑到多种使用状态和安全的概率保证。 由于动力理论在输入、模型、方法和原则等四个方面，都提出了更具体的要 求，更明确的规定、更详细的计算，从而可以得到更可靠的结构设计“”。 1 3 减震技术发展概况 早在二十世纪三、四十年代，日本学者在提出水平静力理论的同时，还提出 了其它一些抗震理论，其中一个是绝缘理论，又称免震、消震或减震结构理论0 1 。 其原理是在结构物与地基连接处割断水平力的传递，使地震动无法从地基传到上 部结构去。采用在结构与地基之间设缓冲层或将结构基础底部做成圆弧形等方法 实现该理论的意图，并且有些方案也在个别房屋使用。但由于当时人们对地震动 和结构振动特性均不够了解，且存在许多当时无法实现的技术以及造价过高等原 因，该理论并没有得到应有的重视。这个理论可以看作是减震控制理论的最早雏 形。 广州大学硕士研究生论文 直到1 9 7 2 年美国学者j t p y a 首次提出结构控制韵概念以来，结构减 震控制的研究和应用才越来越得到人们的广泛关注和重视，目前己成为结构工程 和结构力学领域最具有前沿性的发展方向之一，并已在世界各国的实际工程中得 到应用。经过二十世纪七、八、九十年代美国、日本、新西兰和中国等国家工程 抗震研究者对各种减震控制技术的大量研究，减震控制日益形成了一个新的理论 体系。 工程结构减震控制，是指在工程结构的特定部位，装设某种装置( 如隔震垫) ， 或某种机构( 如消能支撑、消能剪力墙、消能节点、消能器等) ，或某种子结构( 如 调频质量等) ，或施加外力( 外部能量输入) ，以改变或调整结构的动力特性或动 力作用。这种使工程结构在地震( 或风振) 作用下的动力反应( 加速度、速度、位 移) 得到合理控制，确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安全和 处于正常使用条件下的结构体系，称为“工程结构减震控制体系”，其相关的理 论、技术和方法，统称为“工程结构减震控制”。结构减震控制体系可分为被动 控制、主动控制、混合控制和半主动控制嘲。 、 结构控制不仅可以减小结构的动力反应，提高结构的可靠性，而且对结构设 计对策和结构动力学科带来新的变革。它不但可以给结构增加正刚度、还可以给 结构增加负刚度，结构的阻尼也是可调节的，而且并不是越大越好。上述概念的 产生是对传统结构设计方法和结构动力学的完善，是结构对策的重大突破和发 展，它为土木工程结构学科的进一步发展开辟了一个崭新的领域1 。结构减震控 制主要有以下几种： 1 基础隔震体系 基础隔震体系是在上部结构与基础之间设置一隔震消能装置，以隔离地震能 量向上部结构的传输，达到减小结构振动的目的“。 一 基础隔震能显著降低结构的自振频率，延长结构周期，并提供适当阻尼使结 构的加速度反应大大减弱。同时，让结构的大位移主要由结构物底部与地基之间 的隔震系统提供，而不由结构本身的相对位移承担。在地震过程中，结构发生的 变形非常小，甚至象刚体一样做轻微平动，从而为结构地震防护提供更好的安全 保障“”。 基础隔震是当前应用最广泛、最成熟的一项减震技术。其中研究和应用较广 的隔震装置有：叠层橡胶隔震装置，滚轴加钢板减震装置，钢滞变阻尼器隔震装 置，基础滑移隔震装置、悬挂基础隔震装置、混合隔震装置，粉粒垫层隔展装置， 铅塞滞变阻尼器隔震装置、钢塞滞变阻尼器隔震装置等。 六十年代末，新西兰、日本、美国等多地震国家对隔震技术投入大量的人力 物力，开始了深入、系统的研究，取得了卓有成效的成果。七十年代初，新西兰 的科研技术人员率先开发出了可靠、经济、实用的隔震组件铅芯夹层橡胶垫， 大大推动了隔震技术的实用化进程“”。 第一章绪论 现代最早的隔震建筑大概是南斯拉夫的贝斯特洛奇小学，采用的是天然橡胶 隔震垫。1 9 8 4 年在新西兰建成的四层威廉惠灵顿政府办公大楼，是世界上首座 以铅芯夹层橡胶垫做隔震组件的建筑物。1 9 8 5 年美国建成第一座四层隔震大楼 一加州圣丁司法事务中心。1 9 8 2 年，日本建成一座二层隔震住宅，采用橡胶垫 加上铅阻尼器作隔震组件，1 9 8 6 年，又建成五层高新技术中心，采用铅芯橡胶 垫。据统计，到目前为止，世界上己修建了几百栋基础隔震建筑，而在这些建 筑中，有百分之八十以上是采用夹层橡胶隔震垫作为隔震系统的主要部分“。 我国学者从六十年代就开始关注基础隔震理论。李立教授于1 9 6 2 年前后就 阐述过隔震的观点和倡导隔震研究，并于七十年代中到八十年代初采用沙砾隔震 的方法建造了四层土坯和砖砌体的单层隔震房屋和北京中关村一栋四层砖混房 屋，这是我国最早的隔震建筑。1 9 9 3 年，广州华南建设学院西院工程结构抗震 研究中心周福霖教授等，在汕头建成一幢用高阻尼夹层橡胶垫作隔震组件的八层 框架综合楼，并在1 9 9 4 年夏经历了一次小震的考验，验证了隔震机构的有效性。 武汉华中理工大学唐家祥教授等在河南安阳建成一座采用铅芯夹层橡胶垫隔震 的综合楼。1 9 9 3 至1 9 9 4 年，北京中国建筑科学研究院工程抗震研究所周锡元教 授等与西昌市建筑勘察设计院、华南建设学院西院合作，在西昌市建造了若干幢 六层砖混住宅楼，采用高阻尼夹层橡胶垫作隔震组件。 2 消能减振体系 消能减振体系是把结构物的某些非承重构件( 如支撑、剪力墙、连接件等) 设计成消能组件，或在结构物的某些部位( 层间空间、节点、连接缝等) 装设消 能装置。在风载或小震时，这些消能构件与装置具有足够的初始刚度，仍处于弹 性状态，以满足正常使用要求；在强风或强震作用下，消能组件或消能装置首先 进入非弹性状态，产生较大的阻尼，大量耗散能量，使主体结构避免出现明显的 非弹性状态，并且迅速衰减结构的地震反应删。 消能减振体系按其消能装置的不同，可分为： 消能构件减振体系：利用结构的非承重构件作为消能装置的结构减振体系。 常用的消能构件有：消能支撑( 如方框消能支撑、圆形消能支撵、k 形偏心消能 支撑等) ，消能剪力墙( 横缝剪力墙、竖缝剪力墙，周边缝剪力墙和阻尼器剪力 墙等) 。 阻尼器消能减振体系：强震时通过阻尼器耗散能量。有：摩擦阻尼器( 利用 摩擦力做功耗散能量) ，金属阻尼器( 利用某些金属具有的弹塑性滞回变形耗能) ， 粘性和粘弹性阻尼器( 利用阻尼器材料分子的相对错动摩擦耗能) 。 消能减振体系适用于高层建筑、超高层建筑和高耸构筑物，对抗震和抗风都 有效，而且性能可靠；但装设数量少时作用不大，数量多时造价显著增加“”。 3 t m d 减震体系 t m d 系统是在结构顶层加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主结构相连， 广州大学硕士研咒生论文 应用共振原理，对结构的某一振型加以控制。通常惯性质量可以是高层或高耸结 构的水箱、机房或旋转餐厅等“”。 t m d 减震体系的研究在国内外已经比较成熟。在已往的研究中，李春祥8 1 研 究了加层结构中t m d 系统的抗震优化设计问题，给出了地震作用下加层结构中 t m d 系统的具体优化设计步骤。周锡元教授“”、李创第教授“”研究加层减震结构 运动方程的求解方法，对非经典小阻尼、非对称结构随机地震激励下的动力响应 方法进行了研究。w i r s c h i n g ，y a o 和c a m p b e l l 用蒙特卡罗方法研究了被动t m d 对减轻单自由度和多自由度线性结构在基础受随机激励下位移反应的效果。他们 指出，t m d 对减轻单自由度结构反应及五层和十层剪切型结构第一振型反应有很 大的作用。在随机地震和风作用下，此类型结构振动以第一振型为主，因此在建 筑结构顶部安装t m d 子结构，控制结构第一振型位移，即可取得最优的减震效果。 由于t m d 只有当其固有频率被调谐到结构自振频率附近时，才会产生较好的控制 效果，因此在设计t m d 之前，准确把握结构的自振频率是十分必要的侧。可是在 实际工程中，由于各种随机因素的影响，准确确定结构的自振频率有时是十分困 难的，这无疑将影响t m d 的设计和其建成后对结构的控制效果。文献 2 1 提出了 m t m d ( m u f t it u n e dm a s sd a m p e r ) 的概念，导出了结构m t 系统动力放大系数 d m f ( d y n a m i cm a g n i f yf a c t o r ) 的计算公式，给出了m t m d 系统各设计参数及m t m d 系统最优参数设计建议，给出了高层钢结构m t m d 地震反应控制设计方法。 由于t m d 能有效地衰减结构的动力反应，已有将其作为高层建筑、高耸结构 以及大跨桥梁抗震抗风装置的工程实例。美国7 0 年代在波士顿的j o h nn a n c o c k b u i l d i n g ( 1 9 7 1 年) 和纽约的c i t i c o r pc e n t e r ( 1 9 7 8 年) 上装设了t m d 装置。 据报导，两栋建筑物在风载下的加速度反应可衰减4 0 。日本从8 0 年代至今， 对被动t m d 开展了多方面的开发应用研究。1 9 8 0 年在c h i b ap o r tt o w e r ( 1 2 5 米) 上设置t 支承式t m d 装置，这是日本第一座设置t m d 的塔，该塔经历了1 9 8 7 年 1 2 月1 7 日的近海地震( 8 级) 的考验。在9 0 年代初，日本的s h i m i z u 和k u m a g a l g u m l 公司研究开发了应用于高层建筑的集成式t m d 装置恻。我国也在上海东方明 珠和南京等电视塔上安装了t m d 减震装置。 1 4 加层减震结构研究的必要性 根据我国“两阶段、三水平”的抗震设计方法，在罕遇地震作用下，结构依靠 自身的塑性变形和延性抵御地震作用，这种方法最终是以结构和内部设备在强震 下破坏为前提。其重点在于发生中小地震时能够维护建筑物的功能，保证财产及 人身安全；在发生罕遇大地震时，保护人类生命的安全而防止建筑物倒塌。但是， 很爹青况下建筑物内过大的加速度、速度和层间变形会使建筑物内部遭到破坏， 地震后存在残余变形，因而难以维持建筑物的正常使用功能，地震后建筑物的维 第一章绪论 修费用也会增多”“。 加层减震结构一般将1 2 层结构作为子结构，通过设置隔震层和下部结构 相连，使上部结构与下部结构不同步水平运动，来减小结构地震反应。在隔震层 中设置隔震支座和阻尼器等隔震装置，其中隔震支座能够稳定持续地支承建筑物 重量、追随建筑物的水平变形、并且具有适当弹性恢复力，而阻尼器能够用于吸 收地震输入能量，因此隔震结构是一种遵循“两阶段、三水准”设计的结构形式。 当遭受一般地震时，作用于上部结构的水平作用力和一般建筑相比较小，因此很 容易对上部结构进行弹性设计。即使遭受罕遇大地震，隔震结构也能维持上部结 构的功能，确保建筑物内部财产不遭受损失，保障生命安全。 传统抗震设计的目标是结构在产生较大变形的情况下也不倒塌，重点放在提 高结构的延性上，使塑性变形分散于整个建筑结构中，由建筑结构整体吸收地震 输入的能量。事实上，建筑结构的摇晃方式大多取决于地震动的特性，很难使塑 性变形平均分散到各层，通常严重的损坏较多集中于特定层，并且很难在地震前 明确。与此相反，由于隔震结构的设计前提是使地震变形集中于隔震层，可以说 隔震结构是一种简捷明了的结构形式。 2 0 0 1 年，基础隔震技术已作为正式内容列入我国的建筑抗震设计规范， 这标志着隔震技术的成熟和规范化。在现有规范中，隔震层位置均要求设置在基 础或结构首层以下位置“1 ，这对大平台上建多塔楼类结构和原有建筑抗震加固是 不适宜的。本文研究的目的，旨在突破现有规范的限制，重点研究加层减震问题。 将隔震层位置设置在建筑物的顶层，结构的动力反应可能是质量和刚度的某种组 合结果，因此要考虑隔震层上、下部结构的动力响应。这将是隔震技术的创新和 发展，也为房屋的加层改造和已建房屋的抗震加固提供一条新的途径。 加层隔震问题的研究，不仅为层间隔震提供了理论依据，也探索了隔震层设 置位置对隔震效果的影响。由于加层减震结构的运动方程和t m d 结构运动方程的 一致性，也为t m d 结构的理论和试验分析提供有益依据。同时，对加层减震结构 的系统研究，对结构在风振和波浪等随机激励下的结构响应也有参考价值。 在旧房的改造加固中，如果按照传统的抗震设计方法进行加固，即加大截面， 加多配筋，其结果造成截面越大，刚度越大，地震作用力也大，如此不仅难以保 证既有结构加层后的抗震安全，也将大大增加工程费用。“。如果利用加层减震， 不仅不改变原有结构，而且在保证原有结构正常使用的前提下，通过加层减震达 到抗震目的。同时，加层减震还可以提高土地利用率，降低工程造价，并延长旧 建筑的使用寿命以及改善旧房的使用功能和条件。我国经过几十年的发展和建 设，许多结构接近设计的寿命，经济的强大推动了抗震设防等级的提高，使得大 量建筑结构不能满足抗震设防烈度的要求，抗震加固的大潮促使加层减震研究成 为必然“1 。 因此，加层减震突破规范对隔震技术隔震装置只能在基础的限制，研究隔震 广州大学硕士研究生论文 装置设置在顶层后对上下结构的影响，为结构设计提供了一种新方法，为结构抗 震加固提供新的领域，对t m d 结构的理论是有益的补充，具有重要的理论和实际 意义。 1 5 本文的主要研究工作 传统抗震技术经过几十年的发展，在基础理论领域取得了一系列的成果，形 成了较为系统的理论，并已经在工程实践中广泛应用。对于经典结构的地震响应 分析以及地震作用取值，国内外的一些专家学者对此专门做了不少的研究，例如 国内的刘季教授、国外的m a h e n d r a p s i n g h 等等，都取得了相当的成果。但是， 他门只是对具有小阻尼的对称结构做了研究。随着结构控制理论及技术的发展， 各种结构控制技术己经广泛地运用到实际工程当中。，例如基础隔震，加层减震 及安装子结构以及对旧有建筑物的加固等等，这时整体结构的阻尼不是经典小阻 尼，而是非经典大阻尼，而且质量矩阵和刚度矩阵也都是非对称的，对于实际工 程出现的这种情况，急需作进一步的研究。 本论文针对大平台上建多塔楼类结构和不适宜基础隔震技术的结构，提出将 夹层橡胶垫设置在结构顶层，以达到结构减震的目的。同时，楼房加层减震技术 能广泛应用于地震区、未满足抗震要求的已有建筑物；或欲将其抗震能力进一步 提高，同时获得加层建筑面积的已有建筑。该技术适用于钢筋混凝土或钢结构框 架已有结构和框剪结构等多层房屋。围绕这一设计目标，本文的主要研究内容包 括以下内容： ( 1 ) 作为加层减震的理论基础，首先回顾了在国内外加层减震理论的历史与 现状，重点对比了加层减震和基础隔震及t m d 之间的关系，从不同角度进行了分 析。 ( 2 ) 本文研究的加层减震结构以铅芯夹层橡胶垫作为减震装置，减震装置在 加层减震技术中起重要的作用。因此，本文介绍了橡胶垫的特性。 ( 3 ) 对于加层减震结构建立的多自由度振动方程，本文研究了这种结构的复 模态算法。对于具有任意非对称质量和刚度矩阵、非经典阻尼矩阵的多自由度二 阶动力体系，运用复模态分析方法对该体系在平稳随机地震激励下的动力响应进 行了分析，得出了求解该体系动力回应的统一解析表达式。为了验证计算方法的 正确性，给出了一个真实框架结构的算例，并在m a t l a b 中编程计算。 ( 4 ) 考虑到算法存在的假设条件、结构简化和计算精度等误差，有可能造成 和结构实际地震反应的差异，专门做了大比例加层减震结构模型和没有减震的结 构模型，进行了振动台试验研究，分析了结构在地震前后的频谱变化，中震、大 震、罕遇地震输入下的加速度、位移反应，研究同种结构在不同地震动输入下的 振动响应规律。 第一章绪论 ( 5 ) 在理论分析求得结构响应解析表达式的基础上，为了验证加层减震的效 果，用s a p 2 0 0 0 建模，以结构在有、无减震装置情况下的响应指针( 结构位移、 加速度) 分析减震的效果，并和振动台模型试验进行对比分析，研究不同种结构 在相同地震动输入下的振动响应规律。 ( 6 ) 根据以上研究，分析了加层减震结构的减震机理，总结了加层减震的减 震效果，得出了一些有益的结论，对加层减震理论的不足提出了建议，对其发展 趋势提出了自己的观点。 广州大学硕士研究生论文 2 1 引言 第二章减震理论简述 从二十世纪中期开始，隔震结构的产生和迅速发展，为结构的防震减灾开辟 了新的方向。隔震结构通过在基础结构和上部结构之间设置隔震装置，降低了隔 震结构的水平刚度，增大了结构的自振周期，使其远离场地发生共振的频率段， 并通过阻尼组件吸收地震输入的能量，保证上部结构的正常使用功能。本文论述 的加层减震结构是以基础隔震装置为减震组件，连接主结构和子结构，改变结构 的自振特性，以达到减小地震反应的目的。从动力方程来看，t m d 减震结构与“加 层减震”结构二者是一致的。因此，有必要研究加层减震结构和基础隔震、t m d 减震的关系，从而对加层减震结构有更加清晰的认识。 “加层减震”结构是一种比较新的结构形式，它的减震机理不同于基础隔震 和t m d 减震，理论上应该属于层间隔震的一种形式。目前，对采用隔震装置的加 层减震结构还处在起始研究阶段。施卫星。”教授将“加层减震”结构简化为两自 由度线性体系模型，地震激励取为白噪声，通过使主体结构位移响应均方值取最 小值的条件选取子结构的质量和阻尼，同时进行了地震振动台模型试验验证并将 该结构体系应用于工程实际。周福霖院士。1 也对此结构进行了包括建模、试验、 工程应用的研究，在研究中取主体结构第一振型进行分析，地震激励取为近似平 稳白噪声模型，并于1 9 9 8 年在广州某7 层住宅楼成功进行了加层减震改造。在 李创弟教授的研究中，忽略了隔震层对结构反应的影响，并且求解方法比较麻烦， 难以在工程中推广应用。因此，对加层减震结构的研究还很有必要。 2 2 基础隔震体系 隔震结构通过在基础结构和上部结构之间设置隔震装置，使上部结构与地震 动的水平成分绝缘嘶1 。它包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分( 图2 - 1 ) 。 为了达到明显的减震效果，隔震装置的减震机理为： 第二二章减震理论简述 j ，一 湖压眯_ _ 一 _ 、 l 一卜叫h 星伊厂砑| 厂 f 部结构 图2 - 1 基础隔震结构的组成 f i g 2 - 1t h ec o m p o s i n go fb a s e i s o l a t e ds t r u c t u r e s ( 1 ) 隔震装置具有较大的竖向承载能力，能够稳定持续地支承建筑物重量 和使用荷载，具备很大的竖向承载力安全系数，确保建筑结构物在使用状况下的 绝对安全和满足使用要求。 ( 2 ) 隔震装置具有可变的水平刚度特性( 图2 - 2 ) 。在强风或微小地震时 ( fsf 1 ) ，具有足够的水平刚度k 。，上部结构水平位移极小，不影响使用要求： 在中强地震发生时( f ，e ) ，其水平刚度k ：较小，上部结构水平滑动，使“刚 性”的抗震体系变为“柔性”的隔震结构体系，其自振周期大大延长( 例如 i