10结构抗震设计.ppt

第10章隔震和消能减震结构设计,返回总目录,教学提示：为了提高结构的抗震性能，减震隔震、被动控制、主动控制及混合控制等一些新的抗震技术逐渐被提出来，结构控制是指在工程结构的特定部位装设某种装置或某种机构或某种子结构或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，确保结构本身及结构中各种附属物的安全的一种技术，它是结构工程与控制工程相结合的产物。教学要求：本章要求学生了解隔震与消能减震的原理、设计计算方法及有关的构造要求。,本章内容10.1概述10.2隔震结构设计10.3消能减震结构设计10.4习题,10.1概述抗震结构是利用自身的承载力和塑性变形能力来抵御地震作用。当地震作用超过结构的承载力极限时，结构抗震能力将主要取决于其塑性变形能力和在往复地震作用下的滞回耗能能力，即利用结构的塑性变形耗能和滞回耗能来耗散地面运动输入到结构中的能量。这一能量耗散过程势必会导致结构的损伤，以致产生破坏。近十几年来，为了提高结构的抗震性能，一些新的抗震技术逐渐被提出来，其中主要包括减震隔震技术、被动控制技术、主动控制技术及混合控制技术等。结构控制是指在工程结构的特定部位装设某种装置、或某种机构或某种子结构或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，确保结构本身及结构中各种附属物的安全的一种技术，它是结构工程与控制工程相结合的产物。实质上，减震隔震技术也是结构控制的一种，属于被动控制技术。我国在GB500112001建筑抗震设计规范(中纳入了隔震与消能减震的内容，并制定了建筑隔震橡胶支座标准、夹层橡胶垫隔震技术规程。以下仅对隔震作简要介绍。,10.2隔震结构设计10.2.1结构隔震原理结构隔震的本质是将结构与可能引起破坏的地面运动尽可能分离开来。为此，通常在结构基础与上部结构的结合处设置隔震装置，利用该装置来隔震或耗散地震能量，尽量避免或减少地震能量向上部结构的传输。隔震系统应满足三个基本功能：一定的柔度(柔性支承)：用来延长结构周期，降低地震作用；耗能能力(阻尼、耗能装置)：降低支承面处的相对变形，限制位移在设计允许范围内；一定的刚度、屈服力：在正常使用荷载下，结构不发生屈服和有害振动。通过延长结构的基本周期，避开地震能量集中的范围，从而达到降低结构上的地震作用的目的，这就是结构隔震的原理。具体说明如图10.1所示。从图10.1(a)的加速度反应谱可以看出，周期延长，结构加速度反应减小，从而使作用在结构上的惯性力减小；而从图10.1(b)的位移反应谱可见，周期延长，位移反应增大。如果在结构中引入阻尼装置，则可减小结构的位移反应，相应的加速度反应也可降低。,(a)加速度反应谱(b)位移反应谱,图10.1结构反应谱曲线,10.2隔震结构设计,10.2.2隔震系统的构成隔震系统一般由隔震器、阻尼器、地基微震动与风反应控制装置等部分构成。隔震器的主要作用是：一方面在竖向支撑建筑物的重量，另一方面在水平方向具有弹性，能提供一定的水平刚度，延长建筑物的基本周期，以避开地震动的卓越周期，降低建筑物的地震反应，能提供较大的变形能力和自复位能力。阻尼器的主要作用是吸收或耗散地震能量，抑制结构产生大的位移反应，同时在地震终了时帮助隔震器迅速复位。地基微震动与风反应控制装置的主要作用是增加隔震系统的初期刚度，使建筑物在风荷载或轻微地震作用下保持稳定。常用的隔震器有叠层橡胶支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。目前国内外应用最广泛的叠层橡胶支座，它又可分为普通橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。常用的阻尼器有弹塑性阻尼器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器、摩擦阻尼器等。常用的隔震系统主要有叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑移加阻尼器隔震系统、摩擦滑移摆隔震系统等。,10.2隔震结构设计,10.2.3隔震结构的设计要点1.隔震结构方案的采用应根据建筑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，进行技术、经济可行性综合比较分析后确定。隔震主要用于高烈度地区或使用功能有特别要求的建筑以及符合以下各项要求的建筑：不隔震时，结构基本周期小于1.0s的多层砌体房屋、钢筋混凝土框架房屋等；体型基本规则，且抗震计算可采用底部剪力法的房屋；建筑场地宜为、类，并应选用稳定性较好的基础类型；风荷载和其他地震作用的水平荷载不宜超过结构的总重力的10%。隔震层宜设置在结构第一层以下的部位。2.隔震结构的抗震计算1)验算橡胶隔震支座平均压应力和拉应力橡胶隔震支座在永久荷载和可变荷载作用下组合的竖向平均压应力设计值，不应超过表10-1的规定，在罕遇地震作用下，不宜出现拉应力。,10.2隔震结构设计,表10-1橡胶隔震支座平均应力限值,2)用底部剪力法和时程分析法进行隔震结构的抗震计算采用底部剪力法时，隔震层以上结构的水平地震作用，沿高度可采用矩形分布；确定水平地震作用的水平向减震系数应按下列规定确定。(1)一般情况下，水平向减震系数应通过结构隔震与非隔震两种情况下各层最大层间剪力的分析对比确定。当结构隔震后各层最大层间剪力与非隔震对应层最大层间剪力的比值不大于表10-2中各栏的数值时，可按表10-2确定水平向减震系数。层间剪力的对比分析，宜采用多遇地震作用下的时程分析。,10.2隔震结构设计,表10-2确定水平向减震系数的比值划分,(2)砌体结构的水平向减震系数，宜根据隔震后整个体系的基本周期，按式(10-1)确定。,水平向减震系数；,地震影响系数的阻尼调整系数，按第4章式(4-33)确定；,地震影响系数的曲线下降段衰减指数，按第4章式(4-32)确定；,砌体结构采用隔震方案的特征周期，当小于0.4s时应按0.4s采用；,10.2隔震结构设计,隔震后体系的基本周期，不应大于2.0s和5倍特征周期值的较大值(3)与砌体结构周期相当的结构，其水平向减震系数宜根据隔震后整个体系的基本周期，按式(10-2)确定。(10-2)式中：非隔震结构的计算周期，当小于特征周期时应采用特征周期的较大值；隔震后体系的基本周期，不应大于5倍特征周期值；特征周期。,其余符号同式(10-1)。,10.2.3隔震结构的设计要点,10.2隔震结构设计,(4)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下不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用。砌体结构及与其基本周期相当的结构，隔震后的基本周期可按式(10-3)计算：(10-3)式中：G隔震层以上结构的重力荷载代表值；隔震层的水平动刚度，可按式(10-4)确定；g重力加速度。隔震层的水平动刚度和等效黏滞阻尼比可按式(10-4)与式(10-5)确定：(10-4)(10-5)式中：第层隔震支座的水平刚度和等效黏滞阻尼比。,10.2隔震结构设计,验算多遇地震时，,宜采用隔震支座剪切变形,50%时的水平动刚度,和等效黏滞阻尼；验算罕遇地震时，对直径小于600mm的隔震支座，,宜采用隔震支座剪切变,形不小于250%时的水平动刚度和等效黏,黏滞阻尼比,对直径不小于600mm的隔震支座，,宜采用隔震支座剪切变形为,100%时的水平动刚度和等效黏滞阻尼比。,采用时程分析法计算隔震和非隔震结构时，计算简图可采用剪切型结构模型，当上部结构体型复杂时，应计入扭转变形的影响。计算结果宜采取平均值；当处于发震断层10km以内时，若输入地震波未考虑近场影响，对甲、乙类建筑计算结果尚应乘以近场影响系数；5km以内取1.5，5km以外取1.25。,10.2隔震结构设计,3)验算隔震支座在罕地遇地震作用下的水平位移,隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移应按式(10-6)进行验算：,(10-6),(10-7),式中：,罕遇地震作用下，第,个隔震支座考虑扭转的水平位移；,第,个隔震支座的水平位移限值；对橡胶隔震支座，,不宜超过该支座橡胶直径的0.55倍和支座橡胶总厚度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；,隔震层扭转影响系数；,10.2隔震结构设计,罕遇地震下的水平位移宜采用时程分析法计算，对砌体结构及与其基本周期相当的结构，隔震层质心处在罕遇地震下的水平位移可按式(10-8)计算：,(10-8),式中：,近场系数，距发震断层5km以内取1.5；510km,取1.25；10km以外取1.0；,罕遇地震下的地震影响系数值，可根据隔震层参数，,按5.3节的有关规定计算；,罕遇地震下隔震层的水平动刚度，按式(10-4)确定。,隔震层扭转影响系数计算，可按抗震规范介绍的方法确定。,10.2隔震结构设计,4)计算隔震支座的水平剪力,隔震支座的水平剪力应根据隔震层在罕遇地震作用下的水平剪力按各隔震支座的水平刚度分配；当考虑扭转时，尚应计及隔震支座的扭转刚度。隔震层在罕遇地震下的水平剪力,宜采用时程分析法计算，对砌体结,构及与其基本周,期相当的结构，可按式(10-9)计算：,(10-9),5)上部结构的计算,当设防烈度为9度时和8度且水平向减震系数为0.25时，隔震层以上的结构应进行竖向地震作用的计算；当设防烈度为8度且水平向减震系数不大于0.5时，宜进行竖向地震作用的计算。,10.2隔震结构设计,对砌体结构，当墙体截面抗震验算时，其砌体抗震抗剪强度的正应力影响系数，宜按减去竖向地震作用效应后的平均压应力取值。上部结构为框架等钢筋混凝土结构时，隔震层顶部的纵、横梁和楼板体系应作为上部结构的一部分按设防烈度进行计算和设计。上部结构为砌体结构时，隔震层顶部各纵、横梁均可按受均布荷载的单跨简支梁或多跨连续梁计算。,6)隔震层以下的结构计算,隔震层以下结构(包括地下室)的地震作用和抗震验算，应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行计算。,10.2隔震结构设计,隔震建筑基础的验算，应符合3.3节的有关规定。基础抗震验算和地基处理仍应按原设防烈度进行，甲、乙类建筑的抗液化措施可按提高一个液化等级确定，直至全部消除液化沉陷。,10.2隔震结构设计,10.2.4隔震结构的构造措施,1.隔震层的构造要求,隔震层应由隔震支座、阻尼器和为地基微震动与风荷载提供初刚度的部件组成，阻尼器可与隔震支座为一体，亦可单独设计。必要时，宜设置防风锁定装置。隔震支座和阻尼器的连接构造，应符合下列要求。,(1)多层砌体房屋的隔震层位于地下室顶部时，隔震支座不宜直接放置在砌体墙上，并应验算砌体的局部承压。,10.2隔震结构设计,10.2隔震结构设计,(2)隔震支座和阻尼器应安装在便于维护人员接近的部位。(3)隔震支座与上部结构、基础结构之间的连接件，应能传递支座的最大水平剪力。(4)外露的预埋件应有可靠的防锈措施。预埋件的锚固钢筋应与钢板牢固连接；锚固钢筋的锚固长度应大于20倍锚固钢筋直径，且不应小于250mm。隔震支座连接定位时，支座底部的中心，标高偏差不大于5mm，平面位置的偏差不大于3mm。单个支座的倾斜度不大于1/300。隔震建筑应采取不阻碍隔震层在罕遇地震发生大变形的措施。上部结构的周边应设置防震缝，缝宽不宜小于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍。上部结构(包括与其相连的任何构件)与地面(包括地下室和与其相连的构件)之间，宜设置明确的水平隔离缝；当设置水平隔离缝确有困难时，应设置可靠的水平滑移垫层。在走廊、楼梯、电梯,等部位，应无任何障碍物。穿过隔震层的设备管、配线应采用柔性连接等以适应隔震层在罕遇地震下水平位移的措施；采用钢筋或钢架接地的避雷设备，应设置跨越隔震层的接地配线。,2.隔震层顶部梁板体系的构造要求,为了保证隔震层能够整体协调工作，隔震层顶部应设置平面内刚度足够大的梁板体系。当采用装配整体式钢筋混凝土板时，为使纵横梁体系能够传递竖向荷载并协调横向剪力在每个隔震支座的分配，支座上方的纵、横梁应采用现浇，同时为增大梁板的平面内刚度，需加大梁的截面尺寸和配筋，上部结构为砌体时，其构造应符合有关底部框架砖房的钢筋,10.2隔震结构设计,混凝土托梁的要求；上部结构为框架等钢筋混凝土结构时，其构造宜符合关于框支层的有关要求。现浇面积厚度不应小于50mm，且应双向配置直径6mm8mm、间距150mm250mm的钢筋网。关于砌体结构的构造要求和混凝土结构的有关要求详见规范相应条文。,10.2隔震结构设计,10.3消能减震结构设计10.3.1结构消能减震原理消能减震结构是通过在结构(称为主结构)中设置一定的消能装置(称为阻尼器)来耗散地震输入能量，从而减小主体结构的地震反应，避免结构产生破坏或倒塌，实现抗震设防目标。安装消能装置的结构，其消能减震原理可从能量的角度来说明。在地震作用下，普通结构的能量关系如下。EEQ=EK+ED+ES(10-10)式中：EEQ地震作用对体系输入的能量；EK体系动能；ED体系阻尼耗能；ES体系变形能，由弹性变形能、塑性变形能和滞回耗能三部分组成，即(10-11),地震结束后，体系的速度为0，其弹性变形恢复，故动能和弹性应变能等于0，因此能量方程(10-10)成为(10-12)式(10-12)表明，地震对体系的输入能量最终由体系的阻尼耗能、体系的塑性变形能和滞回耗能所耗散。因此，从能量观点来看，只要结构的阻尼耗能、体系的塑性变形耗能和滞回耗能的能力大于地震输入能量，结构即可有效抵抗地震作用不产生倒塌。安装消能装置的结构地震结束时的能量平衡方程如下。(10-13)式中，为消能减震装置的耗能。根据分析，在同样地震作用下，附加阻尼器对结构的地震输入能量基本没有影响。式(10-13)与式(10-12)相比，体系的耗能能力增加了，从而使得原主体结构塑性变形耗能和滞回耗能的需求减少，减轻了其损伤程度，甚至无损伤。,10.3消能减震结构设计,10.3.2消能减震装置的类型消能减震结构中的附加耗能减震元件或装置一般统称为阻尼器。根据附加阻尼器耗能机理的不同，阻尼器可分为速度相关型和位移相关型两大类。(1)速度相关型阻尼器通常由黏滞材料制成，故也称为黏滞型阻尼器。(2)位移相关型阻尼器通常用塑性变形性能好的材料制成，利用其在反复地震荷载作用下的良好的滞回耗能性能来耗散地震能量，故也称为滞迟型阻尼器。速度相关型阻尼器包括黏滞型阻尼器和黏弹性阻尼器，这种类型阻尼器的优点是：阻尼器从小振幅到大振幅都可以产生阻尼耗能作用，但这种阻尼器一般采用黏性或黏弹性材料制作，阻尼力往往与温度有关。位移相关型阻尼器包括金属屈服型阻尼器和摩擦型阻尼器，属于滞迟型阻尼器。金属屈服型阻尼器一般采用低碳钢、铅等材料制成。,10.3消能减震结构设计,阻尼器应满足下列要求。(1)阻尼器应具有足够的吸收和耗散地震能量的能力和恰当的阻尼；阻尼器附加给结构的有效阻尼比宜大于10%，超过20%时宜按20%计算。(2)阻尼器应具有足够的初始刚度，并满足下列要求。速度线性相关型阻尼器与斜撑、填充墙或梁组成耗能部件时，该部件在阻尼器耗能方向的刚度应符合式(10-14)要求：(10-14)式中：支承构件在阻尼器方向的刚度；阻尼器的线性阻尼系数；消能减震结构的基本自振周期。,10.3消能减震结构设计,位移相关型耗能器与斜撑、填充墙或梁组成消能部件时，该部件恢复力滞回模型的参数宜符合下列要求：(10-15)(10-16)式中：阻尼器在水平方向的初始刚度。阻尼器的屈服位移。设置耗能部件的结构层间刚度。设置耗能部件的结构层间屈服位移。,(3)阻尼器应具有优良的耐久性能，能长期保持初始性能。(4)阻尼器构造应简单、施工方便、易维护。(5)阻尼器与斜支撑、填充墙、梁或节点的连接，应符合钢构件连接或钢与钢筋混凝土构件连接的构造要求，并能承担阻尼器施加给连接节点的最大作用力。,10.3消能减震结构设计,10.3.3消能减震结构的设计要点1.阻尼器的设置消能减震结构应根据罕遇地震作用下的预期结构位移控制要求，设置适当的阻尼器，耗能部件可由阻尼器及斜支撑、填充墙、梁或节点等组成。消能减震结构中的阻尼器应沿结构的两个主轴方向分别设置，阻尼器宜设置在层间变形较大的位置，其数量和分布应通过综合分析合理确定。,10.3消能减震结构设计,10.3.3消能减震结构的设计要点2.阻尼器附加给结构的有效阻尼比和有效刚度计算当采用底部剪力法、振型分解反应谱法和静力非线性法时，阻尼器附加给结构的有效阻尼比，或按式(10-17)估算：(10-17)式中：耗能减震结构的阻尼比；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下的总应变能。,10.3消能减震结构设计,不考虑扭转影响时，消能减震结构在其水平地震作用下的总应变能，可按式(10-18)估算：(10-18)式中：质点i的水平地震作用标准值；质点i对应与水平地震作用标准值的位移。速度线