从建筑自身结构抗震到附加HMD子结构抗震

1、建筑工程抗震导论课程论文题 目: 从建筑自身结构抗震到附加HMD子结构抗震学 院 社区学院学 号 12121855学生姓名 石聪教 师 刘文光日 期 3013.3.21上海大学20122013学年冬季学期本科生课程论文课程名称： 建筑工程抗震导论 课程编号： 1800Y001 论文题目: 从建筑自身结构抗震到附加HMD子结构抗震 学生姓名: 石聪 学 号: 12121855 论文评语: 成 绩: 任课教师: 评阅日期: 9从建筑自身结构抗震到附加HMD子结构抗震石聪（上海大学 社区学院，上海20130321）摘要: 建筑抗震技术始于建筑自身结构抗震。建筑结构自身抗震不仅具有广泛的应用而且也是建

2、筑抗震的基础性理论，但无限的加强建筑自身结构来抵抗地震必然导致建筑成本高昂，缺乏经济性和实用性。于是人们考虑到隔震和减震技术，但对于超高层建筑，由于自身结构特点，隔震减震装置难以起到较好的效果，人们在充分理解结构“整体抗震性能”的基础上,认识到结构体系层次加固与构件层次加固相比的优越性，从而诞生了附加子结构抗震技术。附加整体子结构的抗震方法可以有效改善结构的整体受力状态,提高结构的抗震性能,本文着重介绍了附加子结构中的TMD/AMD以及二者的综合应用HMD。关键词：建筑工程 结构抗震 附加子结构 TMD/AMD/HMD 中图分类号：文献标志码：A一、结构抗震1.1中国古代建筑抗震：尽管人类真正

3、意义上的建筑工程抗震研究是从20世纪开始的，但古代某些建筑中已经体现出抗震的功用，如中国古代宫廷建筑。中国古建筑以木材、砖瓦为主要建筑材料，以木构架结构为主要的结构方式。此结构方式，由立柱、横梁、顺檩等主要构件建造而成，各个构件之间的结点以榫卯相吻合，构成富有弹性的框架。木构架结构有很多优点，首先，承重与围护结构分工明确，屋顶重量由木构架来承担，外墙起遮挡阳光、隔热防寒的作用，内墙起分割室内空间的作用。由于墙壁不承重，这种结构赋予建筑物以极大的灵活性。其次，有利于防震、抗震，木构架结构很类似今天的框架结构，由于木材具有的特性，而构架的结构所用斗拱和榫卯又都有若干伸缩余地，因此在一定限度内可减少

4、由地震对这种构架所引起的危害。“墙倒屋不塌”形象地表达了这种结构的特点。中国许多古代建筑都成功地经受过大地震的考验，如天津蓟县独乐寺观音阁、山西应县木塔等建筑，千百年来均经历过多次地震仍然傲然屹立。当代建筑设计以抵御9度地震为目标，而中国传统的木结构建筑基本上能达到这个要求。在汶川大地震中，许多文物建筑的墙体均不同程度地受损，但主体结构仍未倒塌，就是这种木框架结构抗震能力的表现。1.2近代结构抗震：近代真正意义上的建筑工程抗震研究始于建筑自身结构抗震,此阶段建筑抗震设计主要是基于建筑自身结构设计来抗震。1.2.1从抗震设置方面看,主要有以下抗震设计原则：1) 场地的选择：建筑场地的地质条件与地

5、形地貌对建筑物震害有显著影响。这已被大量的震害实例所证实。从建筑抗震概念设计的角度考察，首先应注意建筑场地的选择。简单地说，地震区的建筑宜选择有利地段、避开不利地段、不在危险地段建设。尽量选择在稳定基岩、坚硬土，开阔平坦、密实、均匀的中硬土等地方建筑，而避免在地震发生时可能发生滑坡、坍塌、地陷、泥石流及发震断裂带上可能发生地表错位的地方建筑。2) 把握建筑体型。 建筑物平、立面布置的基本原则是：对称、规则、质量与刚度变化均匀。结构对称有利于减轻结构的地震扭转效应。而形状规则的建筑物，在地震时结构各部分的振动易于协调一致，应力集中现象较少，因而有利于抗震。质量与刚度变化均匀有两方面的含义：其一是

6、在结构平面方向应尽量使结构刚度中心与质量中心相一致，否则，扭转效应将使远离刚度中心的构件产生较严重的震害；其二是沿结构高度方向结构质量与刚度不宜有悬殊的变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自上而下逐渐减小。（地震震害实例和大量理论分析均表明：结构刚度有突然削弱的薄弱层，在地震小会造成变形集中，从而加速结构的倒塌破坏过程。而在结构上部刚度较小时，会形成地层反应的“鞭梢效应”，即变形在结构顶部集中的现象。）3) 利用结构的延性抗震。利用结构的弹性性能抗震是不可行的。脆性结构尽管抗力很大，但吸收地震能量的能力并不强，而延性结构却因可以吸收更多地震输入能量而有利于抗御结构倒塌的发生。在设计中，可

7、以通过各种各样的构造措施和耗能手段来增强结构与构件的延性。例如，对于钢筋混凝土结构，可以采用强剪弱弯、强节点弱构件的设计策略促使梁以弯曲形式产生较大变形；对于砌体结构，可以采用墙体配筋、构造柱圈梁体系等措施增加结构的延性。4) 多道防线抗震。在建筑抗震设计中，可以利用多种手段实现设置多道防线的目的。例如：利用框架的填充墙、设置耗能元件或耗能装置等等。但在各种灵活多样的设计手法中应该共同注意的原则是：(1)不同的设防阶段应使结构周期有明显差别，以利避免共振（2）最后一道防线要具备一定的强度和足够的变形潜力。1.2.2从建筑结构自身来看，主要有以下几种抗震结构：1、多层砌体结构抗震以砌体材料为主建

8、造的结构称为砌体结构。砌体结构因为取材容易，造价低，具有很好的耐久性及较好的化学稳定性和保温隔热性能，在我国应用广泛。另外，抗压强度远大于抗拉、抗剪强度，即使砌体强度不是很高，也能具有较高的结构承载力，特别适合于以受压为主构件的应用。但是砌体结构总体抗震性能具有严重先天不足，与钢筋混凝土等材料相比，砌体结构的强度较低，因而构件的截面尺寸较大，材料用量多，自重大；砂浆和块材之间粘结力较弱，砌体的抗拉、抗弯和抗剪强度都很低，地震中易出现墙体甩落、交叉裂缝等损伤，总体抗震性能较差，在使用上受到一定限制。2、多高层建筑钢筋混凝土结构抗震 多高层钢筋混凝土结构以其优越的综合性能在城市建设中得到了广泛的应

9、用。在我国，大部分的多高层房屋建筑都是用钢筋混凝土结构建造的。钢筋混凝土结构较之砌体结构，抗震性能更佳，方便就地取材,与钢结构相比耐久性、耐火性好,钢筋与混凝土的融合度高，整体性好,可模性好，又比钢结构节约钢材，成本较低。但是也具有自重大，混凝土抗拉强度较低，易裂等不利于抗震的特点。3、多高层建筑钢结构抗震钢结构强度高、延性好、重量轻、抗震性能好。总体来说，在同等场地、烈度条件下，钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小。是抗震性能较好的一种结构。但是，目前成本高昂，耐火性能差，耐久性差，应用尚不广泛。二 隔振、减震技术2.1引言 建筑自身结构抗震原理与技术的发展可以说是建筑抗震理论与应

10、用的基础性环节，但仅仅利用建筑自身结构的不断完善来抗震是不能满足人类社会发展的需要的，随着人类对地震波特点、建筑受震特点的深入了解，以及对建筑结构抗震不足之处的进一步认识，最求更加廉价方便的抗震方法是势在必行的。从建筑自身结构抗震到附加各种子结构抗震的发展过渡过程中，诞生了应用更加广泛的建筑工程隔震、减震技术。建筑隔震减震技术是通过在建筑物底部或某高度处设置侧向刚度较小且变形能力大的隔震减震装置,以减小地震对上部楼层的能量输入,从而减小上部楼层的地震响应。尽管早在一百多年前,人类就曾利用滚木、球和沙等作为隔震装置实现了建筑隔震、减震,但直到约30多年前夹层橡胶隔震垫发明后,现代建筑隔震技术才开

11、始在实际工程中逐渐得到推广应用。2.2结构隔震的概念房屋基础隔震是在建筑物基础与上部结构之间设置隔震装置或系统形成隔震层，把房屋结构与基础隔离开，以用隔离装置来隔离或者耗散地震能量以避免或减少地震能量向上部结构传输。隔振系统一般由隔震器、阻尼器等构成，它具有竖向刚度大，水平刚度小，能提供较大阻尼的特点。延长周期原理是目前对隔震结构原理通常采用的解释,即隔震建筑因设置了侧向刚度较小的隔震层而使结构的基本周期增大很多,相应的加速度反应谱值往往远小于隔震前,即地震作用减小了，从而达到隔震的目的。但人们对隔震技术的原理尚存在争议。2.3隔震结构的特点：a) 提高了地震时结构的安全性。b) 上部结构设计

12、更加灵活，抗震措施简明。c) 可以防止内部物体振动、移动、翻到，减少了次生灾害，提高了安全感和居住性。d) 防止了非结构构件的损坏。e) 震后无需修复，具有明显的社会和经济效益。2.4隔震结构的性能和效果传统的建筑抗震设计只能够保证结构本身具有足够的强度、刚度和延性，没有塑性变能力的结构遭受大地震时，容易发生脆性破坏及人员伤亡。隔震结构弥补了结构抗震的不足，在世界范围内得到了广泛的应用，并在现实地震中表现出良好的抗震性能。从隔震技术应用于建筑工程的实际效果来看，对于8度及其以上抗震设防区的高于六层建筑，应用隔震技术后，设防烈度可降低2度，从而可以节约投资成本，10000平方米左右的9层建筑仅钢

13、筋就可以节约100多万元的投资；同样按规范设计的建筑，应用隔震技术房屋设防目标高，安全性明显提高；对于政府首脑机关、高层商品房住宅、生命线工程、容易产生次生灾害的重要建设工程，应用隔震技术可以提高建筑安全性；对于设有地下室的建筑，应用隔震技术，其投资/效益比更加提高。2.5隔震技术的发展与应用除了研究和应用较多的叠层橡胶支座隔震技术外，还有砂垫层隔震、石墨垫层隔震、摩擦滑移支座隔震及橡胶隔震支座与摩擦滑移支座并联复合隔震技术等。隔震技术的发展，可充分地适应各地区、城市及乡村的不同要求。作为成熟的工程应用技术，隔震技术已在国内外包括美国、日本等发达国家广泛应用，目前世界最大的隔震建筑是美国旧金山

14、国际机场。云南生产的隔震橡胶支座几年来在云南建筑上已有44栋建筑物使用，用户反映良好。基础隔震技术可作为地震防御区城市抗震防灾的措施之一，应用于防灾指挥中心、生命线工程、避难中心、救护中心以及居民住宅建筑的建设。三 附加子结构建筑抗震技术3.1 引言目前,由于城市用地日益紧张和社会需求日趋多样化,建筑物的高度和跨度不断增加,体型越来越复杂,再加上高层建筑受风力作用较大，结构抗震分析与设计难度不断增加，解决复杂高层建筑的抗震问题,一方面从改善结构自身的抗震性能着手,开发高效的高层建筑结构新体系及高性能抗震部件;另一方面,利用结构抗震控制的思想,发展适用于高层建筑的消能减震新技术,主动应对地震灾害

15、。事实上,结构是作为一个整体来抵御地震作用的,保证整体结构的抗震能力才是实现抗震设防目标的根本。为此,首先要在充分理解结构“整体抗震性能”的基础上,认识到结构体系层次加固与构件层次加固相比的优越性。附加整体子结构加固就是利用附加整体子结构与原有结构的协同工作,增强原结构的整体抗震能力,或改变原结构的结构体系,进而改善原结构的受力状态和变形模式,从而提高结构的整体抗震性能,是一种有效地结构体系加固方法。 附加子结构主要方法有附加整体钢支撑子结构加固、附加摇摆墙加固、附加整体子结构的加固等，下文着重介绍从AMD/TMD到HMD。3.2 TMD（调谐质量阻尼器）3.21 TMD简介被动控制一般是指不

16、依赖外部能源，在结构的某个部位附加控制装置或构件，或者对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制由于无需外部能源，构造简单，成本低廉，易于维护而成为当前应用开发的热点。调谐质量阻尼器(简称TMD)作为被动控制技术之一，在生产实践中不断地得到应用，尤其是在抑制高耸结构风振响应方面效果显著，在很多工程实际中得到了验证。但是TMD也存在它的不足之处：对频率很敏感，由于没外部能源的输入，其控制效果受到了限制，减振效果一般在20%30%之间。主被动混合控制(Hybrid Mass Damper,HMD)通过被动TMD和AMD的之间的互相切换，达到了取长补短，相得益彰的效果，同时

17、振动控制效果介于被动和主动之间。尽管如此，调谐质量阻尼器（TMD）作为一种有效的被动控制之一，在高层和高耸结构抗震、抗风控制中仍具有广阔的应用前景。它一般由弹簧、阻尼元件和质量块组成，如下图3-1所示。图3-1 TMD控制系统它对结构进行振动控制的机理是：当结构在外部激励作用下产生振动时，带动TMD系统一起振动，TMD系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，调谐这个惯性力，使其对结构的振动产生抑制作用，从而达到减小结构振动反应的目的。TMD控制装置一般安装在主结构的顶层（或中间某层），其惯性质量一般为结构控制振型广义质量的0.5%1.5%，可以采用钢、铅、混凝土制作，也可以利用建筑结构上的制冷

18、系统、消防水箱或顶部独立结构作为惯性质量。TMD系统的惯性质量可以采用多段摆、倒摆、液压支撑系统、叠层橡胶垫等悬挂或或支撑等；TMD的阻尼元件可以采用油阻尼器、黏弹性阻尼器和黏滞阻尼器等。大量的研究结果表明，调谐TMD系统的自振频率和结构某一振型自振频率一致时，TMD系统对此振型的振动反应控制效果最好。由于TMD对频率的敏感性，使得它在地震控制中效果不佳。3.2.2 TMD理论发展及工程应用1909年，Frahm首次提出用调谐量阻尼器(TMD),即动力吸振器,作为控制和减小动力系统振动的一种方法。前苏联于20世纪50年代初就在钢电视塔及烟囱上安装了撞击式摆锤,使得风荷载作用下的振动得到较大的衰

19、减。此后，各国的研究工作者在被动TMD控制的理论和应用方面做了大量的工作。研究表明TMD系统较适合于主结构阻尼比小（阻尼比<5%）的结构，且对已有结构的控制效果更好。Pallazzo和Petti在1984年提出了将基底隔震结构和TMD系统合二为一减小基频响应的新设想。杨雅平等研究了子结构对TMD减震性能的影响，研究将结构自身一部分质量作为TMD的多重TMD减震体系，子结构不仅充当TMD，而且承担结构的其他功能，研究结果表明，增大子结构的质量可以有效的降低主结构的地震响应，子结构的地震响应也随之降低。刘再华等指出，可用结构顶层代替TMD系统的质量块，这是一个具有实用意义的设计思想。钱稼茹、

20、田志昌等提出了一种滑动屋盖摩擦控制系统，把屋盖当作质量、屋盖与支撑之间的摩擦力当作阻尼器的一种被动调谐质量阻尼控制系统(P-TMD)。它较传统的P-Fig.1-1 TMD control system TMD构造简单、不增加配重、不用粘滞阻尼器。摩擦效应的研究发现，对于中等强度以上的地震，摩擦系数不大于0.5时，一般情况下优化的摩擦系数可以继续降低结构的反应达30且具有较好的鲁棒性。研究还指出只要静摩擦与动摩擦比不大于1.5，静摩擦对减震影响不大。为解决实际工程中所实现的阻尼比和调谐比与最优值总是有误差而导致目标函数的优化损失问题，房良等提出了TMD参数有效域的概念，采用此法进行设计可以使得系

21、统的可靠性大大提高。谭平等提出了可控式TMD-混合水箱系统（controllable TMD-hybrid tanks system）的概念，通过改变系统中挡板的开合状态，以应对结构频率的偏移，并阐述了各参数的设置方法，通过算例并与TMD系统对比证明了该法的有效性。秦丽等设计了一种新型的摩擦悬吊式TMD用于减轻河南艺术中心标志塔的风致振动，并建立了相应的SAP2000模型，分析结果表明所设计的摩擦悬吊式TMD可以按照控制效果最优的原则选出最优摩擦力，而所选出的最优摩擦力能保证在0.3至2.0倍设计风荷载范围内的风荷载作用下，控制效果基本达到40%以上。为改善TMD对频率敏感的缺点，Xu和Igu

22、sa提出了具有多个不同动力特性组成且频率呈线性分布的MTMD新思想。余钱华等采用频域分析法推导了具有MTMD的多自由度结构受控振型广义坐标的频率响应方程，进行参数分析和设计，理论研究与计算结果表明MTMD可以有效地减小结构在地震作用下的动力响应。李春祥等对各种形式的MTMD进行了比较全面的研究。TMD装置在国外一些结构上得到了应用，且收到了较好的应用效果。20世纪70年代，美国波士顿高244m、共60层的汉考克（Hancock）大楼上安装了TMD减振装置。该TMD安装在该结构的第58层上，惯性质量块是用铅制作的，质量为300t。随后，TMD系统又被运用在美国纽约高287m的花旗银行（Citic

23、orp）大厦上，这套TMD装置的惯性质量由混凝土制成，尺寸为9.14m9.14m3.05m，质量重达为410t。现场测试结果表明，该系统控制效果达到40%。1980年，澳大利亚的悉尼电视塔也成功安装了两个TMD风振控制装置，分别用来控制结构的第一、二振型风振响应，特别应该指出的是用于控制第一振型反应的TMD是悬吊在塔楼顶部重达180t的水箱，这是第一个用水箱来代替质量块的尝试。著名的台北101大厦共101层，层顶高448m，塔尖高508m，位于高地震区和台风区，为降低该建筑的风振和地震响应，在结构的顶部设计一个重达662t的悬摆式TMD惯性质量，同时安装有8组黏弹性阻尼器作为限位阻尼以及提供最

24、优阻尼。安装该TMD之后，在每半年一遇的风荷载作用下，大厦高层住户能感觉到的最大水平加速度值从8mg降到5mg，减振效果达到38%。在日本，1980年第一个TMD系统安装在Chiba Port塔上，随后大阪的Funade桥的桥塔也安装了TMD。世界上最长的悬索桥Akshi-Kaikyo桥也采用TMD来控制其300m高主桥塔的风振响应。国内滕军教授等在深圳梧桐山电视塔桅杆结构上安装了TMD控制装置用于抑制脉动风荷载引起的振动。顾明、陈人、项海帆等人设计了分别对应不同质量比的7种MTMD系统，可任意选取一组对杨浦大桥的抖振进行控制。九江长江大桥采用新型TMD系统成功的抑制了吊杆的涡激振动。3.3

25、AMD（主动质量阻尼器） 3.31 AMD简介为了克服被动TMD存在的不足，采用需要外部能源输入的主动质量阻尼器（简称AMD）。AMD克服了被动TMD对频率过于敏感的缺点，而且大大提高了减振效果，不足之处是需要外部能源的输入。主动控制利用外部能源，在结构物受到外部激励而发生振动的过程中，瞬时施加力或瞬时改变结构的动力特性，以迅速衰减和控制结构的振动反应的一种减振控制技术。图3-2 AMD控制系统主动控制的主要特点是应用现代控制技术和外部能源对结构施加控制力。由于实时控制的控制力可以随输入地震改变，控制的效果基本上不依赖于地震波的特性。在提高建筑物抵抗不确定性地面运动的能力，直接减少输入的干扰力

26、，以及在地震发生时连续、自动调整结构动力特性等方面等均优于被动控制。特别适用于结构的风振控制。33.2 AMD的发展及工程应用在装置的试验研究方面，1987年日本Aizawa等人完成了小比例四层钢框架模型顶层设置AMD系统的主动控制实验；同年，日本Kobori等人完成了1：4钢框架模型顶层设置AMD系统的主动控制实验；1988年美国Soong等人完成了1：4钢框架模型顶层设置AMD系统的主动控制实验。这些实验和结果显示了AMD系统良好的性能和控制效果。在装置的实际工程运用方面，1989年，日本Kajima建筑公司建成了世界上第一座采用AMD系统的11层办公大楼京桥成和大厦，用于控制结构的风振和

27、中等地震作用的反应。接着，又在58m的SendagayaIntes结构上安装了2个AMD系统，以控制结构的平动和扭转反应，其惯性质量直接采用了建筑上的空调系统，采用多层橡胶垫支撑惯性质量，作动器的行程为±15cm，该系统为结构附加2%-4%的阻尼比，在风速为30.6m/s时，AMD系统控制结构平动反应的控制效果为57%。日本大阪Applause塔上安装了1个质量重达480t的AMD系统，其惯性质量直接采用了该建筑上的直升机停机坪台，使用了2个5t的作动器，该系统给结构附加的阻尼比为1.4%-10.6%。同样，在大阪Herbis大厦也安装了2个悬吊AMD结构控制系统。该大楼总高190m

28、，每个AMD装置的惯性质量为160t，悬吊杆长度为3.2m，装置自振周期为3.6s，主动控制出力为5t，控制冲程为300mm，最大控制力为6t，最大冲程为500mm。我国刘季、宋根由和田石柱等人率先在我国开展了结构振动的主动控制实验研究，完成了5层1：4模型框架的AMD振动控制实验。欧进萍等人研究了海洋平台振动的AMD主动控制技术的可行性和有效性，进行了原型平台结构冰致振动和地震反应的AMD控制仿真分析及1：10模型平台结构AMD控制的地震模拟振动台实验。我国和美国合作，在高340m的南京电视塔上安装了AMD系统，AMD系统的质量为59t，其占结构总质量的1%，作动器的行程达到了1.5m。目前

29、，世界上已有45座高层建筑和高耸结构安装了AMD控制系统，已有9座大型桥梁结构建设期间的风振控制应用了AMD控制系统。3.4 HMD （主被动混合控制装置）被动调谐质量阻尼器和主动调谐质量阻尼器（TMD/AMD）作为有效的结构振动控制手段，正逐渐被运用于大量的实际工程中。但现阶段在TMD/AMD理论分析和工程应用中存在着一些亟待解决的难点和不足，制约了TMD/AMD的进一步研究和实际工程应用的推广。主被动混合控制（HMD）装置的发展就显得尤为重要。3.4.1 HMD简介主被动混合HMD 系统是由 TMD 和 AMD 构成的混合控制系统，其示意图如图 3-3 所示。图3-3 HMD控制系统它可同

30、时发挥被动 TMD 和主动 AMD 两种控制手段的各自优点，使主动控制提供较小的控制力就可以有效地减小结构的振动，具有较好的控制效果，拓宽了控制系统的应用范围。目前主要采用的混合控制方法是TMD 控制风荷载及中、小地震，在大风（100年一遇）及大地震时启动 AMD 控制方式，以取得更好的控制效果。这种装置即使主动AMD 系统失效，TMD 仍继续发挥控制效果，因此，装置不会对结构响应起放大作用。3.4.2 HMD的发展及工程应用世界上第一个安装混合控制(HMD)系统的建筑是位于日本东京的清水公司技术研究所的七层建筑，HMD安装在顶层。观测表明，控制效果是令人满意的。1993年，在高296m的70

31、层Landmark塔上安装了2个悬挂HMD系统，2个惯性质量均为250t，油阻尼器与惯性质量相连，其阻尼系数为TMD系统的最优阻尼系数，惯性质量的行程为1.7m。日本在14层的Ando Nishikicho结构上安装了HMD系统减少结构的风振响应，TMD惯性质量为18t，占结构总质量的0.3%0.8%，每个AMD系统质量为2t，占TMD惯性质量的10%15%，该系统使结构水平两个方向的阻尼比分别达到了6.4%和8.5%，其减振效果为30%70%。日本东京新宿公园塔上安装了3个HMD系统，系统的质量约为结构质量的0.25%，每个HMD系统惯性质量为110t，行程为1m，结构的阻尼比从1%增加到4.9%，台风下的减振效果达到50%。日本大阪凤凰塔大楼（Dowa KasaiPhoenix Tower）上安装了两套主被动混合HMD系统，同时控制两个水平方向的响应。该大楼共有31层，结构总高145.45m，总质量为26000