工程结构抗震设计基础Prat1工程结构的隔震与消能减震

1、1结构控制方法概述传统的结构抗震设计是通过加强结构自身的抗震 能力以抵抗地震作用，如加大构件尺寸、提高材料强 度等，使结构满足小震不坏、中震可修、大震不倒的 抗震设防目标。然而，传统方法不仅使结构造价大大增加，而且, 由于地震作用的不确定性而难以达到预期效果。为了使重要建筑物（如纪念性建筑、博物馆、核电 站、通讯枢纽、大型桥梁等）在强震时能保证正常运行 功能，可以运用结构控制理论进行工程结构抗震设计。目前，结构控制理论已从工程结构基础隔震发展 到主动控制地震反应（或工程结构的减震控制）。工程结构的减震控制：指通过在工程结构的特定 部位，设置某种装置或某种机构，如隔震支座、消能 支撑、消能剪力墙

2、、消能器等，或某种子结构或施加 外力等方法，调整或改变结构的动力参数或动力作用。这种使工程结构在地震（或风）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 结构中人、仪器、设备、装潢等的安全和处于正常使 用状态的结构体系，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。按结构控制的技术方法进行分类，一般可分为被 动控制、半主动控制、主动控制及混合控制等类型。 如图41所示。躺控制一基础隔靈厂被动控制耗能减廉技术l吸振减震枝术 厂主动披索系统 卜主动支撑系统主动控制一-主动可变刚度系统-主动质蚩阻尼慕统主动週谐质燉阻足系统 r-amd-htmd

3、 系统一混合控制一卜主动控制+基础痛焦系统l主渤控制十耗能装置系统半主动控制图47结构控制的分类1) 被动控制被动控制是指无外加能源的控制，其控制力是由于控制装置随结构一起振动变形而被动产生。通常在 结构中安装经调整的控制装置，以隔离或减少结构内 的地震能量，减少主体结构的地震反应。被动控制包 括隔震、耗能减震、吸振减震等方法。(a) 隔震是指在工程结构中设置某种隔震装置以隔离 地震作用，减少地震反应的方法。是被动控制方法中 应用较早、理论和技术较为成熟的一种。目前开发岀的隔震装置主要有：橡胶垫隔震； 滑移隔震；滚珠及滚轴隔震；摆动隔震；悬 吊隔震；螺旋钢弹簧隔震；混合隔震等。(b) 耗能减震

4、技术是把结构物中的某些构件(如支撑、 剪力墙等)设计成耗能部件或在结构物的某些部位装设 阻尼器以耗散罕遇地震作用下的地震能量，保护主体 结构在罕遇地震作用下的安全的方法。(c) 吸振减震技术是在主体结构中附加子结构、使结 构的振动发生转移的方法。即：使结构的振动能量在 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。主要的吸振减震装置有：调谐质量阻尼系统 (tmd)；调谐阻尼系统(tld)；调谐液柱式阻尼系 统(tlcd)；质量泵；液压一控制系统(hms)； 空气阻尼器；油阻尼器等。2）主动控制主动控制是有外加能源的控制，其控制力是由控制装置按某种控 制规律，由外加能源主动施加的。由

5、于主动控制的减震效果基本上不依赖于外部扰动，其控 制效果明显优于被动控制。常用的主动控制装置有：主动控制调谐质量控制系统（amd）、主动tmd、主动锚索控制系统等。主动控制特别适用于对抗震（抗风）要求较高的重要建筑、高层建筑、 重要桥梁、特种建筑等，但费用较高。大型柔性空间结构，如大型空 间天线、太阳能帆板等，具有低频率、低阻尼、轻质量和大跨度的特 点，任何外界干扰都可能引起这些结构持续大幅的振功，严重时将影 响航大器工作甚至导致航大任务的失败。因此，必须采取措施对其有 害振动进行抑制。主动振动控制技术被认为是解决大型柔性结构振动 控制问题的一种有效的方法电梯是高层建筑的重要运输上具。随着城市

6、的扩张和 高层建筑的发展，电梯的速度不断提高。速度的提高使 得电梯振动加剧，影响了乘坐舒适性以及电梯的使用寿命。 因此，振动控制是高速电梯需要解决的重要课题。电梯的 振动包括垂直振动和水平振动两方而，目前国内对电梯振 动的研究主要集中于垂直振动方面。闰2ill梯轿用3水屮扰左型扌空帝h英廿？瞿伟廉mr半主动阻尼器屋盖mr阻尼貓 柱顶圈梁屋蛊mr智能隔震系统力学模迪3）混合控制及半主动控制结构的混合控制系统是将主动控制系统和被动控 制系统同时施加在一个结构，或同时应用若干种控制 方法的结构控制系统。它可以充分发挥各种控制方法 及控制装置的优点，控制效果更好。同时系统的稳定 性和可靠度有所增强。4

7、）各种控制技术的比较各种控制技术的对比见表4-1。表4-1各种控制技术的比较控制技术应用范围特点及存在主要问题隔震一至三十层，或高宽比不大于4的建 筑物，要求确保地震中绝对安全的 结构物、桥梁、设备、仪器等安全可靠，减震效果明显，技术 较为成熟，产品耐久性、稳定性 能较好，设计计算方法成熟消能减震水平刚度较小的多高层建筑、塔架、 大跨度桥梁、管线等安全可靠，减震效果明显，技术 较为成熟，设计计算较成熟质量调谐等主振型较为明显稳定的多高层、超 高层建筑、塔架、大跨度桥梁等技术基本成熟，设计计算需进一 步研究主动控制对抗风要求较高的建筑物技术尚待完善，运行费用较高混合控制及 半主动控制各种不同类型

8、、不同要求的建筑物组合合理可以达到较好效果2工程结构隔震1）概述，图4-2为英国医生ja calantarients在1909年发明的 隔震方案°一 n滑石/滑石该方案建议在建筑结构与基础之间用滑石层隔开,地震时建筑物可以产生滑动，避免建筑物产生破坏。设计中还针对地震引起建筑物与基础之间的相对位移，对煤气管和排水管采用了可变形的连接装置。1924年，日本的鬼头健三郎申请的建筑物抗震装 置专利，是在柱脚处设置盘状凹面，其间放入球体来 支承建筑物（如图43） o、4-3鬼头健三郎的隔震装置4-3鬼头健三郎的隔震装置"i十一上部凹盘齐部凹盘上部凹盘4-3鬼头健三郎的隔震装置隔震结

9、构体系一般由上部结构、隔震层、下部结 构三部分组成。由隔震装置组成的隔震层可根据需要 设置在结构的不同部位，如图44所示。隔震层也可 由隔震装置和限制结构位移的阻尼器组成。将隔震层 设置在结构物底部与基础或地下结构柱顶之间的结构 体系称为基础隔震体系图44(a)。(c图4-4隔震装置的设置位置图4-5几种典型的隔震装置隔震装置有多层橡胶支座、滚动支座、滑动式支座、摆动式支座等各种不同形式，如图45所示。图4-5几种典型的隔震装置图4-5几种典型的隔震装置图4-5几种典型的隔震装置图4-5几种典型的隔震装置(2)多层橡胶隔震支座的工作原理多层橡胶隔震支座的工作原理如图47所示。图4-7多层猱胶隔

10、震支座的王作原理图4-7多层猱胶隔震支座的王作原理图4-7多层猱胶隔震支座的王作原理当橡胶支座承受垂直荷载时，橡胶层的横向变形 受到约束，使隔震支座具有很大的垂直承载力和竖向 刚度。当橡胶支座承受水平荷载时，橡胶层的相对侧移 大为减少，使隔震支座的整体侧移增加而不致失稳， 并且保持较小的水平刚度。3）隔震结构减震原理隔震支座在小变形时刚度较大，可保证结构在风荷载或小震作用下的正常使用功能。在遭遇罕遇地震而发生大变形时，其水平刚度下降 较多，约为初始刚度的1 / 41 / 5（如图49所示），使 结构的自振周期大大延长、远离场地特征周期，有效地 降低上部结构的地震反应（图410）。隔震后，结构的

11、地 震作用约可降低为隔震前的1 / 41 / 12o图4-9隔震装置的荷载位移关系曲线在罕遇地震作用下，由于隔震后结构隔震层的水平刚度远远 小于上部结构的水平刚度，使整个结构的位移集中于隔震层，而 上部结构的振动由倒三角形的快速晃功转变为缓慢的整体平动（见 图4ll）o大大地减小了结构的层间变形，使结构在罕遇地震下 仍处于弹性状态而不发生破坏，提高结构的抗震能力。'图4-11、隔理结构与非隔鳶结枸地處反应比软4)隔震结构的特点及应用范围与传统的抗震结构相比，隔震体系具有下述特点:(1) 有效地减轻结构的地震反应隔震体系上部结构的水平地震力大为减少，加速度反 应也只相当于传统结构加速度反

12、应的1 /4一 1 / 12o(2) 抗震措施简单明确由于在罕遇地震作用下，隔震体系上部结构仍处于 弹性状态，抗震设计的对象从考虑整个结构复杂的抗 震措施转变为只考虑隔震装置，简单明了，设计计算、 构造、施工等大为简化。(3) 结构安全有保障，无需修复在地面剧烈震动时，上部结构仍处于正常的弹性 工作状态，对一般民用建筑结构，能保证人们在强地 震中的安全，对某些重要结构物、生命线结构物、内 部有重要设备的建筑物等，能保证其使用功能在强地 震时正常发挥。地震后，只需对隔震装置进行必要的检查和局部维修，无须考虑建筑结构物本身的修复。(4) 上部结构的建筑设计(平面、立面、体形、构件等) 限制大大减少

13、由于上部结构地震作用较小，使建筑及结构设计可 以避免很多严格的抗震限制，如可采用超高砌体房屋、 大开间住宅、不规则建筑等，设计自由度大。(5) 降低房屋造价由于隔层体系的上部结构承受的地震作用大幅度 降低，使上部结构构件和节点的断面、配筋减少，构 造及施工简革,大大节省造价虽然隔震装置需要增加造价(约5%),但建筑总 造价仍可降低，且安全度大大提高。结构隔震体系特别适用于下述工程：(a) 地震区二至三十层的民用建筑，如住宅、办公楼、 教学楼、宿舍楼、剧院、旅馆、大商场等。(b) 地震区的生命线工程，如医院、通信中心、交通 枢纽、机场等。(c) 地震区的重要建筑结构物，如重要历史性建 筑、博物馆

14、、重要纪念性建筑物、文物或档案馆、 重要图书馆、法院、监狱、危险品仓库、有核辐(d) 内部有重要设备仪器的建筑结构物，如计算机中 心、精密仪器中心、实验中心、检测中心等。(e) 桥梁、架空输水渠等重要结构物。已有建筑物的隔震加固改造等。3基础隔震体系地震反应1）基础隔震体系水平地震反应分析由于隔震层的水平刚度远远小于上部结构 的水平刚度，因而在地震作用下结构的水平位 移集中在隔震层，而上部结构的层间位移极小, 如果不考虑上部结构的扭转，则上部结构可简 化为仅做水平运动的刚体，而隔震层的刚度、 阻尼则可近似以隔震结构的刚度和阻尼表示。 其动力4算模型如ffi4一12崩示。隔震结构图4j2隔震结构

15、及计算模型i设舞，珥7 分别为地面运动的水平地震加速度、速度和位移，略is分别为上部结构水平加速度反应、速度反应和位移反应，ds 为上部结构与基础之间的相对位移、m为上部结构的总质量，k、c为隔震装置的水平总 刚度和总阻尼值。则隔震结构在地层作用下的惯性力、阻 尼力、弹性恢复力分别为：e=_m 典fc=-c（壊-朋fs = kg - 七）由达朗伯原理得:(4-1)或心亠 曲叫心十 喙 r v.g十 如丁g(4-2)式中%隔議结构的固有频率叫=70；w隔宸结构的阻用比，芒一金p令，d电鹤=巴严则一帀厂1十（2瓠/%）2纭 7 1 （/%）2y +（2釦/叫尸(4-4)ra反映了隔震结构对地面加速

16、度的衰减效果,其与co/con的关系曲线如图413所示。10 o o av-t o o o _二 l<r£ 占<r£ ac ac frs 图4心尺与关系曲线r"反映了隔震结构对地面加速度的衰减效果，其 与 co/con当ra= 1,即co/con= 1.414 时，表示结构在任何阻尼 比g的情况下均无隔震作用。当co/con> 1.414时,ra< b结构体系为隔震结构体系, 结构的地震反应被衰减， co/con越大，隔震效果越好。当co/con< 1.414时，ra>l, 结构为传统的抗震结构，结 构的地震反应被放大。当 co

17、/conf 1 时，ra > > 1 , 传统结构与场地共振，可能 导致结构严重破坏。10000 o o o o o _二一二二二二 占亍 f 斗7 f <ly w f 4:0012345血叫图4-13尺与少/叫关系曲线0一般采用多层橡胶隔震支座的隔震结构，其等效阻 尼比g=0100.30，co/con=2.54.5，贝ljra=0.060.33, 而一;传统结构的ra>2,因此，隔震结构的最人加速度 反应仅为传统抗震结构地震反应的1/331/6。阻尼比g与（d/con的关系为：1/i 聲i - 3/叫)2丁2wx)7 酉一1关系曲线如图414所示。从图中可以看出，ra

18、随着隔震结构阻尼比g的增大 而增大，当g太大时，反而对隔震不利。但阻尼比g的增大对减小结构的位移是有利的，因 此有个优化选择的问题。2 ）基础隔震体系竖向地震反应分析分析模型如图416所示，运动微分方程为:mjrvs + s （爲址）+ kv （ jcv§） = 01=fa(4-8)式中 陀上部结构的质量；kg a上部结构的竖向刚度和阻尼；，临、才呃地震地面运动的加速度、速度和位移；2、乙、m上部结构竖向凶相对加速度、速度和位移反应。容易求得隔震结构竖向震动的加速度反应衰减比为:6s/1十（2側/叫v 1 - 3叫丿干十（為如/%）?(4-10)对常用的多层橡胶隔震支座而言，为保证隔

19、震结 构在竖向静力荷载作用下不产生过大变形，其竖向刚 度要求较大（可达5mn/mm）,其竖向固有周期 tv5=0.050.08s，一般场地的特征用期为亦=0.30&, 此时，co/covn=0.060.26,此时，7?必10。可见，采用多层橡胶隔震支座的基础隔震结构， 不能减少结构的坚向地震作用，但也不会加剧结构的 竖向震动。基础隔震体系4结构隔震与减震的发展1) 被动控制被动控制研究得最多的是调谐质量阻尼系 统(tuned mass damper,简称tmd)。在图416的基础上增加一个子结构，女口 0417,成为主结构tmd系统模型。曲)图4-17主结构-tmd系统模型这是2自由度系统，由此可以求出在地面运动加速 度作用下的地震响应。可以用主结构一tmd系统受地震激励时的位移均 方值或加速度均方值与无tmd的单自由度结构的位移 均方值或加速度均方值的比值来评价tmd减震的效果。这里有一个最佳tmd参数设计的问题，参数为质 量比卩与阻尼比匚实际上就是如何选择子结构系统的弹簧、质量和 阻尼参数，使结构的反应最小。20世纪80年代以 后，人们采用多个具 有不同分布频率的 tmd组成多重调谐 质量阻尼器mtmd (multiple tuned mass damper),应用于电 视塔天线、大型斜拉 桥、高层楼房