隔震与消能减震设计

1、隔震与消能设计简介，抗震结构，1。抗震结构，利用结构构件的承载力和变形能力来抵抗地震作用和吸收地震能量。隔震结构、消能结构，以“抗力”为基础。隔震结构，上部结构和建筑物基础之间设置滑动层，防止地震能量向上传递。基于“分离”。隔振(隔振)，包括基础隔振和楼层隔振。隔震技术的原理：(1)隔震系统的柔性层使结构的振动周期增加，远离地震动的卓越周期；(2)增加了结构系统的阻尼。基础隔震技术和层间隔震技术是建筑结构减震防灾的有效手段。为了达到明显的减震效果，基础隔震系统通常需要具备以下四个特性：(1)承载特性：足够的竖向强度和刚度来支撑上部结构的重量；(2)隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风荷载和小

2、地震作用下，系统能保持在弹性范围内，满足正常使用要求，而在中强地震作用下，其水平刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；(3)复位特性：地震后，上部结构可恢复原状，满足正常使用要求。(4)耗能特性：隔震系统本身具有很大的阻尼，可以在地震时耗散足够的能量，从而减少上部结构吸收的地震能量。在对隔震系统的回顾中，基础隔震的概念早在19世纪就被提及，广义隔震方案由来已久。例如，北京的紫禁城有一个用糯米和石灰制成的柔性减震层；现代基础隔震理论和实践始于20世纪70年代，基础隔震方案很多，简要介绍如下：1 .1891年和合浩藏早期隔震技术“不受大地震影响的结构”。右图显示的是1891年河合浩藏的“未受大地震影响

3、的建筑物”。隔离的概念是在地基上并排放置几层圆木，建筑物的周围被挖空，这样上部结构在地震时可以被隔离。卡拉塔列斯提出的隔震结构的右图是卡拉塔列斯在1909年提出的基础隔震建筑方案。这种隔震结构在建筑结构和基础之间被滑石层隔开，建筑在地震时会滑动。中村太郎隔离结构的右图是中村太郎在1927年提出的隔离结构方案。在这种隔离系统中，阻尼泵被用于耗散地面运动的能量，并且建筑物的地下柱的上端和下端被铰接，使得建筑物能够水平和自由地移动。柔性首层建筑的概念是由马特尔在1929年提出的，并由格林(1935)和雅各布森(1938)进一步研究和完善。下图显示了1934年大江健三郎新岛的柔性层结构。地震时，柔性层

4、发生塑性变形，结构刚度变小，结构的基本周期延长，导致上部结构的地震作用减小。为了克服柔性层结构带来的缺陷，科学家们提出了各种滚动轴承隔离系统，包括球形和椭圆形工作元件。然而，由于隔震的方向性和地震的方向性，这些类型的隔震系统没有得到推广和应用。2。最新的隔离技术，叠层橡胶轴承隔离系统。南加州大学教学医院是一个橡胶轴承隔离系统。该八层医院地基加速度为0.49g，顶层加速度仅为0.21g，加速度折减系数为1.8。但是，橄榄景医院底层加速度为0.82g，顶层加速度为2.31g，加速度放大系数为2.8，这说明橡胶支座隔震系统的优越性。南加州大学医院(独立结构)，橄榄景医院(ea南加州大学医院，地下室1

5、层，地上7层，建筑面积：33000平方米；覆盖面：4100平方米；最大高度：36。0m；有68个铅芯多层橡胶隔离器和81个多层橡胶隔离器。、6-8英尺高的花瓶没有一个掉下来，大楼里的各种机器没有损坏，医院的功能得到了维护，成为了一个防灾中心，发挥了非常重要的作用。橄榄景医院(抗震结构)在1971年圣费尔南多地震中遭受巨大破坏，10年后重建，提高了抗震强度。在这次地震中，剪力墙产生了剪切裂缝，设备和机械、医疗机械和家具被掀翻，病历等资料掉落和散落。此外，水管破裂，所有层都被淹没，这使得建筑物无法使用，完全失去了医院的功能。隔离橡胶轴承包括天然夹层橡胶轴承、铅橡胶轴承和高阻尼橡胶轴承。天然夹层橡胶

6、轴承的结构如图所示。天然夹层橡胶支座竖向刚度大，承受建筑物重量时竖向变形小，但水平刚度小，线性性能好。由于天然夹层橡胶支座阻尼小，没有足够的耗能能力，在结构使用中一般与其他阻尼器或耗能设备结合使用。铅芯橡胶轴承铅芯橡胶轴承最早是由新西兰的罗宾逊及其公司开发的，并在中国、日本、美国、意大利等国家得到了大力发展和应用。铅芯橡胶轴承结构如图所示。由于铅芯橡胶支座不仅具有理想的竖向刚度，而且具有消耗地震能量的能力，因此铅芯橡胶支座在结构应用中受到广泛欢迎。下面的图片是世界上第一座铅芯橡胶支座建筑(新西兰威廉克莱顿建筑)和世界上地下室面积最大的建筑(日本)。在日本1997年评估的隔震建筑中，40%采用铅

7、芯橡胶支座隔震，1985年后美国60.7%采用铅芯橡胶支座全部或部分隔震，中国60%采用铅芯橡胶支座全部或部分隔震。结构耗能技术是在结构的某些部位(如支座、剪力墙、节点或连接件)设置耗能(阻尼)装置(或元件)，通过该装置产生摩擦、弯曲(或剪切、扭转)弹塑性(或粘弹性)滞回变形，以耗散或吸收输入结构的能量，从而降低主体结构的地震反应。 从而避免结构的破坏或倒塌，达到减震控制的基本原理：在消能结构体系中，消能装置或元件在主体结构进入非弹性状态之前率先进入消能工作状态，充分发挥消能效果，消耗大量输入结构体系的地震能量，使结构本身消耗很少的能量，这意味着结构响应将大大降低，从而有效地保护主体结构不受破

8、坏或破坏。 消能减震结构以其减震机理清晰、减震效果显著、安全可靠、经济实用、适用范围广而被成功应用于工程结构的抗震控制中。耗能元件可分为三类：(1)速度相关的耗能元件，如线性粘滞或粘弹性阻尼器；(2)与位移相关的能量耗散元件，例如金属屈服型或摩擦型阻尼器；(3)调谐减震耗能元件，如调谐质量阻尼器(TMD)或调谐液体阻尼器(TLD)。金属阻尼器，金属屈服阻尼器是一种由软钢或其他软金属材料制成的阻尼耗能器。其振动控制机制是通过金属的屈服滞回耗能来耗散结构振动的部分能量，从而降低结构响应。金属屈服后具有良好的滞后特性。20世纪70年代初，美国学者如凯利开始研究利用金属的这一特性来控制结构的动力响应，

9、并提出了金属阻尼器如扭转梁、弯曲梁和U形条。随后，其他学者提出了许多不同形式的金属屈服阻尼器，典型的有X形板阻尼器和三角形板阻尼器。摩擦阻尼器由具有预紧力的金属或其他固体元件组成，它们可以相互滑动并产生摩擦。其阻尼机理是通过摩擦能量耗散来耗散结构的振动能量。摩擦阻尼器的发展始于20世纪70年代末。目前，国内外学者已经开发出多种摩擦阻尼器，如Pall摩擦阻尼器、圆柱滑块摩擦阻尼器、钢丝绳摩擦阻尼器、摩擦滑动螺栓连接和摩擦剪切型阻尼器。摩擦阻尼器通常安装在结构支撑上，形成摩擦耗能支撑。下图显示了Pall和Marsh提出的十字形双向摩擦阻尼器，这是一种通过滑动改变其形状的机构。该机构具有摩擦制动板，

10、并且该机构的滑动由板之间的摩擦力控制，该摩擦力取决于板之间的挤压力，并且可以通过拧紧接合板的高强度螺栓来调节。该装置设计成在正常使用荷载和小地震下不会滑动，但在强地震下，当主要结构构件尚未屈服时，该装置将滑动，通过摩擦耗散地震能量，改变结构的自振频率，从而改变结构在强地震下的动力特性，达到减震的目的。如下图所示，这种阻尼器是由新西兰的鲁宾逊等人首先提出的，因为铅是一种结晶金属，当发生塑性变形时，它的晶格被拉长而错位，这时，一部分能量将被转化为热能，而另一部分能量将被消耗掉以促进再结晶，从而使金属恢复到不变的状态。常温下容易结晶，结晶时间短，无疲劳，能耗稳定。当结构的位移引起外壁圆筒和活动轴之间

11、的相对位移时，就会发生铅的塑性流动，起到消能减震的作用。粘弹性阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成。典型的粘弹性阻尼器如下图所示。它由两块夹在矩形钢板中间的T形约束钢板组成，在T形约束钢板和中间钢板之间夹有一层粘弹性阻尼材料(通常是硅树脂或其他聚合物材料)。在反复轴向力的作用下，T形钢板和中间钢板被约束产生相对运动，使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形，吸收和耗散能量。耗能元件的粘性阻尼器一般由缸体、活塞和粘性液体组成，如下图所示。气缸体充满粘性液体，通常是硅油或其他粘性流体，活塞上有小孔。当活塞在气缸体中往复运动时，液体通过活塞上的小孔，这抑制了活塞和气缸体之间的相对运动，从而消耗振动能量。粘滞阻尼

12、器是一种速度相关的耗能器。调谐阻尼控制系统，调谐阻尼控制系统，由结构和附属于主结构的子结构组成。附加子结构具有质量、刚度和阻尼，因此子结构的固有频率可以调整到尽可能接近主结构的基本频率或激励频率。这样，当主结构被激励和振动时，子结构将产生与结构振动方向相反的惯性力，这将衰减和控制主结构的振动响应。因为这种阻尼控制是通过调节结构的频率特性而不是提供外部能量来实现的，所以它被称为“被动调谐阻尼控制”。它也被称为“动态减振”，因为它调整结构的动态特性以降低结构的振动响应。目前，常用的被动调谐阻尼c阻尼控制的机理是将结构振动的部分能量吸收到自身的动能和阻尼能量消耗中，从而降低结构响应。当TMD用于减少振动时，TMD的频率通常被调整为接近结构的振动频率。当结构在外部激励下振动时，会引起TMD的共振，而TMD质量的