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1、1(97) 第第4章章 結構隔震、消能和結構隔震、消能和 減震控制減震控制 2(97) 4.1.1 結構減震控制的減震機理 結構減震控制,是指在建筑結構的特定部位, 裝設某種裝置(如隔震支座),或某種機構(如消 能支撐,消能剪力墻,消能節(jié)點,消能器等),或裝 設某種子結構(如調頻質量等),或施加外力(外 部能量輸入),以改變或調整結構的動力特性或動 力作用,使工程結構在地震的作用下,其結構的動 力反應(加速度、速度、位移)明顯減少,并得到 合理的控制,確保結構本身及結構中的人、儀器、 設備、裝修等的安全和處于正常的使用環(huán)境狀況。 這種結構體系,稱為“結構減震控制體系”。其相 關的理論、技術和方
2、法,統(tǒng)稱為“結構控制”。 3(97) 結構減震控制的減震機理 結構的動力方程式 : gsss xmtFkxxcxm )( 目的:明顯減少結構的動力反應 sss xxx, , 改變k 改變c 改變m 人為輸入F(t) 4(97) 消能減震 Energy Dissipation 結構減震控制 質量調諧減震 TMD,TLD 等 主動、半主動控制 AMD, AVS,AVSD等 混合控制 Hybrid Control 結構隔震 Seismic Isolation 4.1.2 結構減震控制技術方法分類 5(97) 結構減震按能源輸入分類 主動、半主動控制 Active,Semi-Comtrol 結構 減震
3、 控制 結構隔震,消能減震,質 量調諧減震 混合控制 Hybrid Control 被動控制 Passive Control 主動質量阻尼器,主動拉 索或支撐,主動變剛度變 阻尼,智能材料自控 混合主動、被動控制 6(97) 結構減震按頻率相關分類 吸收共振能量 結構 減震 控制 避開共振頻率 頻率無關控制 頻率相關控制 主動外加控制 消能減震 7(97) 4.1.3 結構控制的特點和優(yōu)越性 有效減震 適用范圍廣 檢測修復方便 4.1.4 結構控制的應用范圍及技術成熟性 成熟:被動控制 不太成熟:半主動控制 不成熟:主動控制 8(97) 4.2.1 結構隔震體系的基本特性 結構隔震體系是指在結
4、構物 底部(或某層間部位)設置 隔震裝置而形成的結構體系。 它包括上部結構,隔震層 (由隔震裝置或加設阻尼裝 置等組成)和下部結構三部 份。為了達到明顯的減震效 果,隔震裝置及隔震體系必 須具備下述的四項基本特性: 9(97) 結構隔震體系的基本特性: 1. 承載特性 隔震裝置應具有較大的豎向承載能力,在結構 物正常使用狀況下或地震時,安全地支承著上部結 構的所有重量和使用荷載,并具備較大的豎向承載 力安全系數。 2隔震特性 隔震裝置應具有可變的水平剛度特性(圖4.5)。 在強風或微小地震時,具有足夠的水平剛度,不影 響使用要求。 10(97) 在中強地震發(fā)生時,其水平剛度較小,上部結 構水平
5、滑動,使“剛性”的抗震結構體系變?yōu)椤叭?性”的隔震結構系,其結構基本周期大大延長(圖 4.6),遠離上部結構(即傳統(tǒng)結構)的自振周期, 也遠離地面的場地特征周期,從而把地面震動有效 地隔開,明顯地降低上部結構的地震反應,一般可使 上部結構的加速度反應(或地震作用)降低為傳統(tǒng) 結構加速度反應的1/21/12(圖 4.6和4.8)。 11(97) 4. 阻尼消能特性 隔震裝置應具有足夠的阻 尼,也即隔震裝置的水平荷載 與水平位移關系曲線的包絡面 積較大,具有較大的消能能力。 較大的阻尼可使隔震層的水平 位移明顯減少。 3. 復位特性 隔震裝置應具有水平彈性恢復力,使隔震結構體 系在地震中具有瞬時自
6、動“復位”功能。地震后,上 部結構回復至初始狀態(tài),滿足正常使用要求。 12(97) 傳統(tǒng)房屋傳統(tǒng)房屋 地震時地震時 激烈晃動,房屋激烈晃動,房屋 加速度可放大到原來的加速度可放大到原來的 250250% %,梁柱開裂梁柱開裂, ,內部裝內部裝 飾飾, ,設備破壞設備破壞 隔震房屋隔震房屋 地震時地震時 緩慢平動緩慢平動( (長周期長周期) ) 房屋加速度減少可達到原房屋加速度減少可達到原 來的來的40%40%,結構彈性結構彈性( (變形變形 集中在柔軟支座集中在柔軟支座) ),保護保護 結構和內部裝飾、設備結構和內部裝飾、設備 13(97) 14(97) 抗震結構與隔震結構的比較 隔震結構:在
7、建筑物上部結構與基礎之間設置滑 移層,阻止地震能量向上傳遞。 抗震結構:利用結構各構件的承載力和變形能力 抵御地震作用,吸收地震能量。 立足于“抗”。 于“隔”。 15(97) 4.2.2 結構隔震體系的減震機理結構隔震體系的減震機理 ggsss kxxckxxcxm 結構的動力方程式 : g x m k c s x g x 16(97) 加速度反應衰減比 222 2 )/2()/(1 )/2(1 nn n g s a x x R m k n n m c 2 式中 17(97) 01234 0 2 4 6 8 10 12 Ra /n =0.05 =0.10 =0.20 =0.30 =0.40
8、2 n 衰減 放大 2 n 1 a R 1 a R 18(97) 4.2.3 結構隔振的優(yōu)越性結構隔振的優(yōu)越性 (1)明顯有效地減輕結構的地震作用 (2)確保安全 (3)房屋造價增加很少 (4)抗震措施簡單明了 (5)震后無需修復 (6)上部結構的設計限制較小 19(97) 結構隔震體系主要適用于下列工程結構隔震體系主要適用于下列工程: (1)地震區(qū)的民用建筑,例如住宅、辦公室、教學樓、地震區(qū)的民用建筑,例如住宅、辦公室、教學樓、 宿舍樓、劇院、旅館、大商場等。宿舍樓、劇院、旅館、大商場等。 (2)地震區(qū)的生命線工程,例如地震區(qū)的生命線工程,例如:醫(yī)院、急救中心、醫(yī)院、急救中心、 指揮中心、水
9、廠、電廠、糧食加工廠、通信中心、指揮中心、水廠、電廠、糧食加工廠、通信中心、 交通樞紐、機場等。交通樞紐、機場等。 (3)地震區(qū)的重要建筑結構物,例如地震區(qū)的重要建筑結構物,例如:重要歷史性建重要歷史性建 筑、博物館、重要紀念性建筑物、文物或檔案館、筑、博物館、重要紀念性建筑物、文物或檔案館、 重要圖書資料館、法院、監(jiān)獄、危險品倉庫、有核重要圖書資料館、法院、監(jiān)獄、危險品倉庫、有核 輻射裝置等。輻射裝置等。 (4)內部有重要儀器設備的建筑結構物,例如,計算內部有重要儀器設備的建筑結構物,例如,計算 機中心、精密儀器中心、實驗中心、檢測中心等。機中心、精密儀器中心、實驗中心、檢測中心等。 (5)
10、橋梁、架空輸水渠、雷達站、天文臺等重要結構橋梁、架空輸水渠、雷達站、天文臺等重要結構 物。物。 20(97) 4.2.4 結構隔震的分類和成熟性 夾層橡膠支座 豎向承載力大 隔震效果明顯穩(wěn)定 穩(wěn)定的彈性復位功能 構造簡單,安裝方便 耐久性好 21(97) 4.2.5 4.2.5 結構隔震房屋的設計計算結構隔震房屋的設計計算 當遭遇到設防烈度時,不需修理仍可繼續(xù)使用; 當遭遇罕遇烈度時,不發(fā)生危及生命安全和喪 失使用功能的破壞。 22(97) 結構隔震控制目標的確定 常規(guī)結構設計 隔震裝置選用 結構隔震體系動力參數確定 結構隔震作用計算 隔震結構抗震驗算 隔震建筑構造設計 結構隔震房屋的設計計算
11、內容和步驟:結構隔震房屋的設計計算內容和步驟: 23(97) 4.2.6 結構隔震設計要點結構隔震設計要點 24(97) 25(97) 等效側力法:周期較短的結構 時程分析法:周期較短的結構 26(97) 27(97) 28(97) 29(97) (4)采用等效側力法等效側力法時,隔震房屋結構的地震作用 及其分布可按規(guī)范進行計算,并參照下列有關 規(guī)定: G隔震層以上結構的重力荷載代表值 K隔震層水平有效剛度 gK G T h 2 1 ih KK h ii eq K K 30(97) 結構層間剪力應按下式計算: n j ji FV i kk 隔震層水平位移可按下列規(guī)定計算: K F u Ek s
12、 31(97) 等效側力法 計算步驟類似于底部剪力法 計算底部剪力 樓層剪力 底部剪力: GFEk 1max / max1max 常遇地震: 32(97) 33(97) 罕遇地震: GFEk 1 34(97) 樓層剪力 平動假設:各樓層加速度相同 Ek j jk F G G F n ji jkik FV jk F Fjk j層水平地震作用標準值 Viki層剪力標準值 35(97) 隔震層的水平位移 36(97) 4.2.7 隔震層的計算要點隔震層的計算要點 (1)隔震支座的受壓承載力設計值應符合下列要 求: 當形狀系數S115、S25時,對于甲類建筑,壓 應力設計值不宜大于10MPa;對于乙類
13、建筑,壓應 力設計值不宜大于12MPa;對于丙類建筑,壓應力 設計值不宜大于15MPa,但對于直徑小于300mm的隔 震支座,壓應力設計值不宜大于10MPa。 當形狀系數不滿足上述要求時,壓應力設計值應 適當降低。當5S24時,降低20%;當4S23時, 降低40%。 37(97) 圖4.22 隔震支座內部構造 a.隔震支座的第一形狀系數S1 (有效直徑與孔洞直徑之 差d-d0與膠層4倍厚度4tr之比) ,應按下式計算; r1 0 1 4t dd S r1 1 )(2tba ab S 圓形截面: 矩形截面: 38(97) b. 隔震支座的第二形狀系數S2 (有效直徑d與橡膠 層總厚度tr之比)
14、 ,應按下式計算; r 2 t d S r 2 t b S 圖4.22 隔震支座內部構造 圓形截面: 矩形截面: 39(97) (2)隔震層連接部件(如隔震支座或抗風裝置的 上、下連接件,連接用預埋件等)應按罕遇地震作 用進行強度驗算。 (3)抗風裝置應按下式要求進行驗算: Rwwkw VV 式中:VRw為抗風裝置的水平承載力設計值。當抗 風裝置是隔震支座的組成部分時,取隔震支座的 水平屈服荷載設計值;當抗風裝置單獨設置時, 取抗風裝置的水平承載力,可按材料屈服強度設 計值確定;w為風荷載分項系數,采用1.4;Vwk為 風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值。 40(97) (4)隔震層中各隔震支
15、座在罕遇地震作用下的 最大水平位移應滿足下列要求: du55. 0 max r tu3 max 式中:umax為在罕遇地震作用下考慮扭轉影響時 隔震支座最大水平位移;d為隔震支座直徑;tr為 隔震支座橡膠層總厚度。 (5)在罕遇地震作用下,隔震支座不宜出現不可 恢復變形;隔震支座的拉應力不應大于1Mpa。 41(97) 4.2.8 結構隔震房屋的構造設計 1、隔震層和隔震支座的布置原則 (1)隔震層由隔震支座和阻尼裝置和抗風裝置組成 (2)隔震層剛度中心宜與上部結構的質量中心重合 (3)隔震支座的平面布置宜與上部結構和下部結構 中豎向受力構件的平面位置對應 (4)同一房屋盡量選用相同型號隔震支
16、座 (5)支座間距大于安裝和更換所需空間尺寸 (6)設置在隔震層的抗風裝置宜對稱、分散地布置 在建筑物的周邊 (7)抗震墻下隔震支座的間距不宜大于2.0m 42(97) 2、隔震支座與上、下部結構的連接要求 (1)可靠連接 (2)考慮受剪和豎向局部承壓 3、上部結構及隔震層部件應與周圍固定物脫開 4、樓梯、電梯穿過隔震層 懸吊于上部結構;水平切斷 5、穿過隔震層的豎向管線 柔性管材、柔性接頭 43(97) 4.2.9 隔震支座的技術性能和構造要求隔震支座的技術性能和構造要求 目前,國內外常用的疊層橡膠隔震支座為圓 形,直徑 300mm1400mm. 一、隔震支座的技術性能型式檢驗要求 1)在軸
17、壓應力設計值作用下的豎向剛度; 2)在軸壓應力設計值作用下的豎向變形性能; 3)豎向極限壓應力,壓應力破壞極限值不應小于 90MPa; 4)在水平位移為0.55倍有效直徑時的豎向極限壓 應力; 5)豎向極限拉應力,拉應力屈服極限值不應小于 1.5Mpa; 44(97) 6)在軸壓應力設計值作用下,在水平剪切應變 分別為50%、100%、250%,且相應的水平加載頻 率分別為0.3Hz、0.2Hz、0.1Hz時的有效水平剛 度;對有芯型或其他含有阻尼裝置的隔震支座, 還須提供在軸壓應力設計值作用下的水平剪切屈 服剪力、屈服前水平剛度和屈服后水平剛度; 7在軸壓應力設計值作用下,在水平剪切應變 分
18、別為50%、100%、250%,且相應的水平加載頻 率分別為0.3Hz、0.2Hz、0.1Hz時的有效阻尼比; 45(97) 8)在軸壓應力設計值作用下的水平極限變形能力; 9)耐久性能,包括老化性能、徐變性能和疲勞性 能; 10)各種相關性能,包括在不同的豎向軸壓應力、 水平剪切應變、水平加載頻率、環(huán)境溫度下的水平 剛度和阻尼比的變化率; 11)耐火性能; 12)有特殊要求的性能,如抗腐蝕性、耐水性等。 46(97) 二、 隔震支座的技術性能出廠檢驗要求 每項工程采用的隔震支座的產品性能必須經出 廠檢驗合格,提供下列性能指標: (1)在軸壓應力設計值作用下的豎向剛度。 (2)在軸壓應力設計值
19、作用下,水平剪切應變分別 為50%,100%,250%,且相應的水平加載頻率分別為 0.3Hz,0.2Hz,0.1Hz時的有效水平剛度;對有芯型 或其他含有阻尼裝置的隔震支座,或單獨設置的阻 尼裝置或抗風裝置,還須提供在軸壓應力設計值作 用下的水平剪切屈服剪力,屈服前水平剛度和屈服 后水平剛度(圖4.21)。 47(97) (3)在設計軸壓應力作用下,水平剪切應變分別 為50%,100%,250%,且相應的水平加載頻率分別 為0.3Hz,0.2Hz,0.1Hz時的有效阻尼比。 (4)隔震支座產品性能的出廠檢驗數量,每項工 程每種主要規(guī)格不少于3個。如發(fā)現有不合格產品, 應加倍進行抽檢;在加倍抽
20、檢中如仍出現不合格 產品,則必須進行全數檢驗。 (5)隔震支座的力學性能檢驗,應在能按不同頻 率施加反復循環(huán)荷載的、符合要求的伺服試驗機 上圖4.21 有芯型隔震支座水平荷載與水平變位 關系曲線圖4.22 隔震支座內部構造進行。 48(97) 三、隔震支座構造要求 隔震支座的形狀系數應符合下列要求: a.隔震支座的第一形狀系數S1 (有效直徑與孔洞直 徑之差d-d0與膠層4倍厚度4tr之比) ,應按下式計 算; 圓形截面: 矩形截面: b. 隔震支座的第二形狀系數S2 (有效直徑d與橡膠 層總厚度tr之比) ,應按下式計算; 圓形截面: 矩形截面: r1 1 )(2tba ab S r1 0
21、1 4t dd S r 2 t d S r 2 t b S 49(97) S1 隔震支座第一形狀系數; S2 隔震支座第二形狀系數; d 橡膠的有效直徑(mm); tr1 每一橡膠層的厚度(mm); tr橡膠層的總厚度(mm)。 a 矩形截面隔震支座的長邊尺寸(mm); b 矩形截面隔震支座的短邊尺寸(mm); d0隔震支座中間開孔的直徑(mm); 50(97) 51(97) 52(97) 4.3 基礎隔震的應用 4.3.1 基礎隔震技術的提出 4.3.2 基礎隔震技術的現代階段 絕大多數采用的是粘結型疊層橡膠墊隔 震體系。 53(97) 4.3.3 基礎隔震設計要點 1應根據預期的水平向減震
22、系數和位移控制要 求選擇適當的隔震支座。 2應進行豎向承載力驗算和罕遇地震下水平位 移驗算。 3隔震層以上結構的水平地震作用應根據水平 向減震系數確定。 4其豎向地震作用標準值,8度(0.2g)、8度 (0.3g)、9度時分別不應小于隔震層以上結構總 重力荷載代表值的20%、30%和40%。 54(97) 5計算簡圖 圖4.23 計算簡圖 一般情況宜采用 “時程分析法”進行計 算。若處于發(fā)震斷層 10km以內,若輸入地 震波未計入近場影響, 則近場系數取1.5(5km 以內)和1.25(510km)。 h K eq 1 m 2 m n m 1n m 55(97) 6隔震層以上的地震作用 (1)
23、對于多層建筑,水平地震作用沿高度可按重 力荷載代表值分布。水平地震影響系數最大值: 56(97) 隔震后結構的總水平地震作用不得低于非隔震的 結構在6度設防時的總水平地震作用。 57(97) 7各橡膠隔震支座的豎向平均壓應力設計值,不應 超過表4.5的規(guī)定。 表4.5橡膠隔震支座平均壓應力限值 建筑類別甲類乙類丙類 平均壓應力 限值(MPa) 101215 注:(1)平均壓應力設計值應按永久荷載和可變荷載組合計算,對需驗算傾 覆的結構應包括水平地震作用效應組合;對需進行豎向地震作用計算的結構, 尚應包括豎向地震作用效應組合; (2)當橡膠支座的第二形狀系數(有效直徑與各橡膠層總厚度之比)小于5
24、.0 時 應降低平均壓應力限值:小于5 不小于4 時降低20%,小于4 不小于3時降低 40%; (3)外徑小于300mm 的橡膠支座,其平均壓應力限值對丙類建筑為10MPa 。 58(97) 59(97) 10砌體結構的隔震措施 (1)當水平向減震系數不大于0.40時,丙類建筑 的多層砌體結構,房屋的層數、總高度和高度比 限值,可按規(guī)范第7.1節(jié)中降低一度的有關規(guī) 定采用。 (2)砌體結構隔震層的構造應符合下列規(guī)定: 多層砌體房屋的隔震層位于地下室頂部時,隔 震支座不宜直接放置在砌體墻上,并應驗算砌體 的局部承壓。 隔震層頂部縱、橫梁的構造均應符合關于底部 框架磚房的鋼筋混凝土托墻梁的要求。
25、 60(97) 61(97) 62(97) 63(97) 64(97) 65(97) 11. 幾種常見的夾層橡膠墊 66(97) 67(97) 4.3.4 砌體結構隔震計算 (1)通過驗算豎向承載力確定隔震支座數 注意設計值和代表值的區(qū)別 (2)按單質點計算基本周期 (3)計算減震系數 (4)計算底部剪力和各質點剪力 注意等效測力法與底部剪力法的區(qū)別 (5)驗算罕遇地震下位移 68(97) 五、砌體結構隔震計算例題五、砌體結構隔震計算例題 隔震計算例題隔震計算例題( (五層砌體結構五層砌體結構P217) ) 已知:設防烈度7度,II類場地,設計地震分組二 組 ,丙類建筑,近場系數為1.0,樓層
26、面積333m2, 活載2.0kN/m2 kN18986 j G kN4272 1 G kN3792 432 GGG kN3338 5 G 重力荷載代表值: 解:(1)重力荷載計算(略) 69(97) 新 增 一 層 底板 及 半 層 墻 重 隔震支座 須增加一底座層: kN30232934575 . 01265 0 G 故新的隔震結構的重力荷載 代表值為: 5 0 GkN22009302318986 j G 70(97) (2)驗算豎向承載力: 若再考慮五層的活載,則有 kN333053330 . 2 q P 總的恒載 kN203445 . 0333022009 g P 總的重力荷載設計值 q
27、ga PPG4 . 12 . 1 kN2907533304 . 1203442 . 1 選用32個VP300隔震支座 kN29075GkN32000kN100032 a0 P 滿足豎向承載力要求 71(97) (3)水平動剛度 kN/mm6 .17kN/mm55. 032 jn KK (4)隔震體系的基本周期 s222. 2 98106 .17 21594 22 1 gK G T n s0 . 2 1 T 重新選用32個VP400: kN29075GkN57600kN180032 a0 P 72(97) (5)重新計算水平動剛度 kN/mm92.25kN/mm81. 032 jn KK (6)
28、重新計算隔震體系的基本周期 s831. 1 981092.25 21594 22 1 gK G T n (7)查 Tgm=0.4s(小于0.4s時,須取0.4s) (8)計算等效阻尼比 eq 253. 0 h ii eq K K 73(97) (9)計算減震系數 0209. 08 . 0/08. 0209. 0/ max1max 2 1 2 . 1 T Tgm 55. 0581. 0 6 . 108. 0 05. 0 1 2 788. 0 63 . 0 05. 0 9 . 0 209. 0581. 0 848. 1 4 . 0 2 . 1 788. 0 74(97) (10)確定地震作用 隔震
29、時kN8 .396189860209. 0 1max GFEk 非隔震時 故取 kN4 .7591898604. 0 EK F 各層的水平水平地震作用分別為: kN4 .759 EK F kN9 .170 1 1 EK F G G F kN7 .151 2 432 EK F G G FFF kN5 .133 5 5 EK F G G F 133.5 151.7 151.7 151.7 170.9 75(97) (11)罕遇地震下隔震層位移驗算 查5 . 0 max 25. 245. 055831. 1 1 gm TT 0 . 1 s 近場系數 0959. 05 . 0581. 0) 836.
30、1 45. 0 ( )( 788. 0 max21 T Tgm 故mm43.8192.25/220090959. 00 . 1 e u 420,400DVPmm23155. 0D 橡膠層總厚101mm, mm231 e u 可行 76(97) 4.4 結構消能減震 4.4.1 結構消能減震體系的基本特性 1. 結構消能減震體系的基本要求 結構消能減震體系的基本要求是:通過對消能 器的設置來控制預期的結構變形,從而使主結構構 件在罕遇地震下不發(fā)生嚴重破壞。 2. 結構消能減震體系的減震特性 地震發(fā)生時,地面震動將引起結構物的震動反 應,地面地震能量向結構物輸入。結構物接收了大 量的地震能量,必然
31、要進行能量轉換或消耗才能最 后終止震動反應。 77(97) SDRin EEEE ASDRin EEEEE 現以一般的能量表達式或說明地震時的結構能量 轉換過程。 式中:Ein為地震時輸入結構物的地震能量;ER為 結構物地震反應的能量,即結構物振動的動能和 勢能;ED為結構阻尼消耗的能量(一般不超過 5%);ES為主體結構及承重構件非彈性變形(或 損壞)消耗的能量;EA為消能構件或消能裝置消 耗的能量。 消能減震結構 消能減震結構 78(97) 4.4.3 結構消能減震的優(yōu)越性及 應用范圍 (1)安全性。 (2)經濟性。(3)技術合理性。 消能減震結構則是通過設置消能構件或消能裝 置,使結構在
32、出現較大變形時消耗地震能量,確保 主體結構在強地震中的安全。結構高度越高,跨度 越大,剛度越柔,消能減震效果越顯著。因而,消 能減震技術必將成為采用高強輕質材料的高柔結構 (超高層建筑,大跨度結構及橋梁等)的合理新途 徑。 79(97) 由于消能減震結構體系有上述的優(yōu)越性,已被 廣泛、成功地應用于“柔性”的工程結構物的減震 (或抗風)。一般來說,層數越多,高度越高,跨 度越大,變形越大,消能減震效果越明顯。所以多 被應用于下述結構: (1)高層建筑,超高層建筑; (2)高柔結構,高聳塔架; (3)大跨度橋梁; (4)柔性管道,管線(生命線工程); (5)舊有高柔建筑或結構物的抗震(或抗風)性
33、能的改善提高。 80(97) 4.4.4 結構消能減震體系的分類 金屬屈服型:軟鋼,鉛 摩擦阻尼裝置 粘滯型:油阻尼器,液體阻尼器 粘彈型:粘彈性材料 鉛-橡膠阻尼器 形狀記憶合金 其他類型 速度相關 型 位移相關 型 按消能裝置性能 圖4.26 消能減震結構體系按消能裝置性能分類 81(97) 消能支撐消能支撐 消能剪力墻消能剪力墻 消能節(jié)點消能節(jié)點 消能連接消能連接 消能支承或懸吊構件消能支承或懸吊構件 按構件形式按構件形式 圖4.27 消能減震結構體系按構件形式分類 82(97) 4.4.7 消能裝置的典型構造型式 (1)消能支撐類型 (2)消能墻類型 (3)消能節(jié)點類型 軟鋼內方框消能
34、支撐 軟鋼片K形消能支撐 83(97) 復合摩擦消能支撐 粘彈性(或粘滯性)阻尼器 鋼梁K形消能支撐 84(97) 復合摩擦消能支撐 橫縫消能剪力墻 高層建筑與廊橋連結的柔性消能節(jié)點 85(97) 裝設阻尼器的剪力墻 吸能材料剪力墻 桁架端消能節(jié)點 腋角消能節(jié)點 86(97) 4.4.5 結構消能減震房屋設計計算要點 1. 消能減震結構房屋設計計算的基本內容和步驟 (1)預估結構的位移,并與未采用消能減震結構的位移相比; (2)求出所需的附加阻尼; (3)選擇消能裝置,確定其數量、布置和所能提供的阻尼大小; (4)設計相應的消能構件; (5)對消能減震結構體系進行整體分析,確認其是否滿足位移控
35、制 要求。 2. 消能減震房屋的計算方法,可采用線性分析法或非線性分析法 (1)當主體結構基本處于彈性工作階段時,可采用線性方法簡化估算, 并根據結構的變形特征和高度等,按規(guī)范的規(guī)定分別采用底部剪力 法、振型分解反應譜法和時程分析法。其地震影響系數可根據消能減震 結構的總阻尼比按規(guī)范有關規(guī)定采用。 87(97) (2)一般情況下,宜采用非線性分析方法,即非線性靜力分析法或非 線性時程分析法,并直接采用消能部件的恢復力模型進行計算。 3. 消能減震結構的總剛度和總阻尼比 (1)消能減震結構的總剛度應為結構剛度和消能部件有效剛度的總和。 (2)消能減震結構的總阻尼比應為結構阻尼比和消能部件附加給結
36、構 的有效阻尼比的總和。 4. 消能部件附加給結構的有效阻尼比,可按下列方法確定: (1)消能部件附加的有效阻尼比可按下式估算: sca WW4/ 式中: Wc為所有消能部件在結構預期位移下往復一周所消耗的能 量;Ws 為設置消能部件的結構在預期位移下的總應變能。 88(97) iis uFW 2/1 式中:Fi為質點的水平地震作用標準值;為質點對應于水平地震作用 標準值的位移。 (3)速度線性相關型消能器在水平地震作用下所消耗的能量,可按 下式估算: 22 1 2 cos/2 jjjc uCTW 式中:Tj為消能減震結構的基本自振周期;Cj為第j個消能器由試驗確定 的線性阻尼系數; 為第j個
37、消能器的消能方向與水平面的夾角; 為第 j個消能器兩端的相對水平位移。 當消能器的阻尼系數和有效的剛度與結構振動周期有關時,可取相應于 消能減震結構基本自振周期的值。 (4)位移相關型、速度非線性相關型和其他類型消能器在水平地震作用 下所消耗的能量,可按下式估算: j u j 89(97) jc AW 式中:Aj為第j個消能器的恢復力滯回環(huán)在相對水平位移 時的面積。 消能器的有效剛度可取消能器的恢復力滯回環(huán)在相對水平位移 時的 割線剛度。 消能部件附加給結構的有效阻尼比超過20%時,宜按20%計算。 j u j u 90(97) 4.5 結構主動減震控制簡介 結構主動控制是利用外部能源(計算機
38、控制系統(tǒng)或智能材料),在結 構物受激勵振動過程中,瞬時施加控制力或瞬時改變結構的動力特性 (剛度或阻尼),以迅速衰減和控制結構震動反應的一種減震(振) 技術。 由于它是利用外部能量,按預定的減震(振)控制目標,對結構反應 實施減震控制,故稱為主動控制。 91(97) AMD伺服反饋控制系統(tǒng)圖 92(97) 4.5.1 結構主動減震控制的基本概念和分類 1. 按主動控制的利用程度分類(圖4.43) (1)結構(全)主動控制(Active Control):其結構減震控制目標 的實現,全部依賴主動控制。 (2)結構半主動控制(Semi-active Control):以被動控制為主要減 震體系,但
39、輔以一定程度的主動控制手段,施加部分外力或改變結構參 數與工作狀態(tài),例如,在抗震結構或被動消能減震結構中輔以改變剛度、 阻尼的主動控制;在被動TMD系統(tǒng)中輔以主動控制手段,使TMD半主動化。 半主動控制是輔以部分自動控制,以較簡單的控制裝置和較小的能量輸 出,達到較明顯的減震效果。 主動控制 Active Control 混合控制 Hybrid Control 半自動控制 Semi-active Control按控制程度 主動控制按控制程度分類 93(97) (3)結構混合控制(Hybrid Control):在一個結構上同時采用被動控 制和主動控制系統(tǒng)。被動控制簡單可靠,不須外部能源,經濟易
40、行,但 控制范圍及控制效果受到限制。主動控制的減震控制效果明顯,控制目 標明確,但需外部能源,系統(tǒng)設置要求較高,造價較高。把兩種系統(tǒng)混 合使用,取長補短,可達到更加合理,安全,經濟的目的。例如,當結 構在常遇激勵時(風或中小地震),主要依靠被動控制系統(tǒng)實現減震, 當結構遭受罕見激勵時(大地震),主動控制系統(tǒng)被啟動參與工作。結 構同時依靠被動、主動兩種系統(tǒng)混合運作,達到最隹的減震控制效果。 2. 按實現控制的手段方法分類 (1)施加外力控制型:通過對結構(或裝置)主動施加外加控制力以控 制結構的震動反應。 (2)改變結構震動反應。 (3)智能材料自控型:通過采用智能材料(Smart Materi
41、al),自動調 節(jié)和控制結構的震反應。 94(97) 主動質量阻尼器 AMD 主動質量驅動器 AMD 主動拉索系統(tǒng) ATS 脈沖發(fā)生器 PG 混合質量阻尼器 HMD 主動被動凋諧質量阻尼器 APTMD 主動擋風板 ADA施加外力控制型 主動變剛度 AVS 主動變阻尼 AVD 主動變剛度-阻尼 AVSD 改變結構參數 形狀記憶合金 SMA 壓電層材料 PEL ER 流變 ERP MR 流變 MRF 智能材料自控型 Smart Material 按控制手段 主動控制按控制手段方法分類 95(97) 4.5.3 結構主動控制的減震機理 1. 主動質量阻尼器AMD(Active Mass Damper) 設有個質點,具有個自由度的線性結構,采用主動減震控制結構
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