建筑結(jié)構(gòu)基礎隔震設計和隔音設計

1、2 4建筑結(jié)構(gòu)基礎隔震設計和消能減震設計4.1 建筑結(jié)構(gòu)基礎隔震設計4.2 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計學習目的：l 了解結(jié)構(gòu)消能減震的概念、方法、手段、優(yōu)越性 和應用范圍；l 了解結(jié)構(gòu)消能減震的設計參數(shù)確定和計算要點；l 了解粘彈性阻尼器和粘滯性阻尼器的減振機理；l 了解消能減震結(jié)構(gòu)的設計要點和設計步驟。 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2一、結(jié)構(gòu)消能減震概述 傳統(tǒng)抗震設計方法以概率理論為基礎，提出三水準的設防要 求，并通過兩個階段設計來實現(xiàn) 。 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系實際上是依靠結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件的損壞消耗 大部分輸入能量，往往導致結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴重破壞甚至倒塌，這 在一定程度上是不合理也是不安全的。 為了克服傳統(tǒng)抗震設

2、計方法的缺陷，結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)（簡 稱“結(jié)構(gòu)控制”）逐漸發(fā)展起來，并被認為是減輕結(jié)構(gòu)地震 和風振反應的有效手段。 結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)就是一種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，建筑抗震設計 規(guī)范（GB500112001）首次以國家標準的形式對房屋消 能減震設計這種抗震設防新技術(shù)的設計要點做出了規(guī)定 。建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2（一）結(jié)構(gòu)振動控制的概念 結(jié)構(gòu)控制的減振機理:)()()()()(txttttg MIFKxxCxM式中，M，C，K 分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣； F(t) 為外部作用（包括控制機構(gòu)或裝置施加的控制力、 風或可 能施加的其它外力）列向量； 分別為結(jié)構(gòu)在外部作用（或荷載）下的加速度、 速度和

3、位移反應列向量； 是地面的地震加速度反應; I 為單位列向量。)(tx )(tx )(tx gx 結(jié)構(gòu)控制就是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率或自振周期T（通過改變K，M）或增大阻尼C，或施加控制力F(t)，以大大減少結(jié)構(gòu)在地震（或風）作用下的反應。 4.2建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2(二)結(jié)構(gòu)消能減震設計的概念 指在房屋結(jié)構(gòu)中設置消能裝置，通過其局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達到預期設防要求。 地震時結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換過程： l 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu) l 消能減震結(jié)構(gòu) 式中，Ein地震時輸入結(jié)構(gòu)的地震能量； ER結(jié)構(gòu)物地震地震反應的能量，即結(jié)構(gòu)物振動的動能和 勢能（彈性變形能）； ED結(jié)構(gòu)阻尼

4、消耗的能量（一般不超過5%）； ES主體結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件非彈性變形（或損壞）消耗的能量； EA消能構(gòu)件或消能裝置消耗的能量。 SDRinEEEEASDRinEEEEE建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2（三）結(jié)構(gòu)消能減震體系的分類（1）消能支撐：可以代替一般的結(jié)構(gòu)支撐，在抗震和抗風中發(fā)揮支撐的水平剛度和消能減震作用，如下圖。 圖 消能支撐建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2（2）消能剪力墻：可以代替一般結(jié)構(gòu)的剪力墻，在抗震和抗風中發(fā)揮支撐的水平剛度和消能減震作用。 圖 消能剪力墻建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2（3）消能節(jié)點：梁柱節(jié)點或梁節(jié)點處安裝消能裝置。 （4）消能連接：結(jié)構(gòu)縫隙處或構(gòu)件之間的連接處設置。（5）消能支

5、承或懸吊構(gòu)件建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2(四)消能器的分類1.消能器的功能：當結(jié)構(gòu)構(gòu)件（或節(jié)點）發(fā)生相對位移（或轉(zhuǎn)動）時，產(chǎn)生較大阻尼，從而發(fā)揮消能減震作用。2.消能能力：消能器阻尼力（或消能器承受的彎矩）位移（轉(zhuǎn)角）關系滯回關系曲線所包絡的面積度量。 圖 典型的消能器力（彎矩）位移（轉(zhuǎn)角）滯回關系曲線建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.23.消能器類型(1)速度相關型 l粘彈性阻尼器l粘滯流體阻尼器l粘滯阻尼墻l粘彈性阻尼墻(2)位移相關型 l金屬屈服型阻尼器l摩擦阻尼器 (3)其它類型 l調(diào)頻質(zhì)量阻尼器l調(diào)頻液體阻尼器 粘彈性阻尼器粘滯流體阻尼器屈曲約束耗能支撐調(diào)頻質(zhì)量阻尼器建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2（

6、五）結(jié)構(gòu)消能減震建筑的特點 1. 消能減震裝置可同時減少結(jié)構(gòu)的水平和豎向地震作用，適用范圍較廣，結(jié)構(gòu)類型和高度均不受限制；2. 消能減震裝置應使結(jié)構(gòu)具有足夠的附加阻尼，以滿足罕遇地震下預期的結(jié)構(gòu)位移要求；3. 由于消能減震結(jié)構(gòu)不改變結(jié)構(gòu)的基本型式（但是可減小梁、柱斷面尺寸和配筋，減少剪力墻的設置），除消能部件和相關部件外，結(jié)構(gòu)設計仍可按照抗震規(guī)范對相應結(jié)構(gòu)類型的要求進行。 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2(六)結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)的優(yōu)越性 1. 安全性 消能器在強震中能率先消耗地震能量，迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應并保護主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件免遭破壞。 2. 經(jīng)濟性 消能減震結(jié)構(gòu)是通過“柔性消能”的途徑減少結(jié)構(gòu)的地震

7、反應，因而可以減少剪力墻的設置，減少結(jié)構(gòu)斷面和配筋，并提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。 3. 技術(shù)合理性 結(jié)構(gòu)越高、越柔，消能減振效果越顯著。 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2（七）結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)的應用 消能減震技術(shù)適用于結(jié)構(gòu)的地震和風振控制，結(jié)構(gòu)的層數(shù)越多、高度越高、跨度越大、變形越大、場地的烈度越高，消能減震效果越明顯。 廣泛應用于：l高層建筑，超高層建筑；l高柔結(jié)構(gòu)，高聳塔架；l大跨度橋梁；l柔性管道、管線（生命線工程）；l舊有高柔建筑或結(jié)構(gòu)物的抗震（抗風）加固改造。 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2二、結(jié)構(gòu)消能減震設計(一)結(jié)構(gòu)消能減震設計的一般規(guī)定1.消能減震裝置的設置要求 （1）應對結(jié)構(gòu)提供足夠的附加阻

8、尼，并應沿結(jié)構(gòu)兩個主軸方向均有附加阻尼或剛度；（2）宜設在層間變形較大的部位，以便更好地發(fā)揮消能作用，計算確定位置和數(shù)量，并有利于提高整個結(jié)構(gòu)的消能減震能力，形成均勻合理的受力體系；（3）應采用便于檢查和替換的措施；（4）消能器與斜撐、墻體、節(jié)點等支承構(gòu)件的連接，應符合鋼構(gòu)件連接或鋼與鋼筋砼構(gòu)件連接的要求，并能承擔消能器施加給連接節(jié)點的最大作用力； 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2（5）與消能部件相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應計入消能部件傳 遞的附加內(nèi)力并將其傳給基礎；（6）消能器和連接構(gòu)件在長期使用過程中需要檢查和 維護，其安裝位置應便于維護人員接近和操作， 即應具有較好的易維護性；（7）消能器和連接構(gòu)件應具

9、有耐久性能；（8）設計文件上應注明消能減震裝置的性能要求；（9）消能減震部件的性能參數(shù)應嚴格檢查，安裝前應 對消能器進行抽樣檢測，每種類型和每一規(guī)格的 數(shù)量不應少于3個，抽樣檢測的合格率應為100%。 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.22.結(jié)構(gòu)消能減震設計設防目標 抗震設防目標應高于（傳統(tǒng)）抗震設計的抗震設防目標。采用消能減震設計，還不能完全做到在設防烈度下,上部結(jié)構(gòu)不受損壞或主體結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段的要求，但是與非消能減震（及非隔震）建筑相比，應有所提高。3.消能減震結(jié)構(gòu)設計涉及的主要問題l消能減震裝置的設計、選擇、布置及數(shù)量；l消能減震裝置附加給結(jié)構(gòu)的阻尼比的估算；l消能減震結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震下的

10、位移計算；l消能部件與主體結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)構(gòu)造。 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2(二)消能減震設計的計算分析參數(shù)1.消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比 消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比 a消能結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比； Wc 所有消能部件在結(jié)構(gòu)預期位移下往復一周所消耗的能量； Ws 設置消能部件的結(jié)構(gòu)在預期位移下的總應變能。 不計及扭轉(zhuǎn)影響時，消能減震結(jié)構(gòu)在其水平地震作用下的總應變能 式中，F(xiàn)i 質(zhì)點i的水平地震作用標準值； ui 質(zhì)點i對應于水平地震作用標準值的位移。 scaWW4/iisuFW2/1建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2 速度線性相關型消能器水平地震作用下所消耗的能量式中，T1消能減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期；

11、 Cj 第j個結(jié)構(gòu)由試驗確定的線形阻尼系數(shù)； 第j個消能器的消能方向與水平面的夾角； uj 第j個消能器兩端的相對水平位移。位移相關型、速度非線性相關型和其他類型消能器 水平地震作用下所消耗的能量 式中，Aj第j個消能器的恢復力滯回環(huán)在相對水平位移uj時的面積。消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比宜不超過20% 2212cos/2jjjcuCTWjcAW建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.22.消能部件由試驗確定的有效剛度、阻尼比和恢復力模型的設計參數(shù)速度相關型阻尼器l由試驗提供設計容許位移、極限位移，以及在設計容許位移幅值和不同環(huán)境溫度下、加載頻率為0.14Hz的滯回模型。l速度相關型消能器與斜撐、墻體或梁等

12、支承構(gòu)件組成消能部件時，該部件在消能器消能方向的剛度:式中, Kb 消能部件在消能器方向的剛度； CV 消能器由試驗確定的相應于結(jié)構(gòu)基本自振周期的線性阻尼數(shù)； T1 消能減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期。 VbCTK)/6(1建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2位移相關型阻尼器l應由試驗確定設計容許位移、極限位移和恢復力模型參數(shù)。l位移相關型消能器與斜撐、墻體或梁等支承構(gòu)件組成消能部件時，該部件的恢復力模型參數(shù)宜符合：式中,Kp消能部件在水平方向的初始剛度；Ks設置消能部件的結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度； upy消能部件的屈服位移； usy設置消能部件的結(jié)構(gòu)層間屈服位移。在最大容許位移幅值下，按應允許的往復周期循環(huán)60圈后，

13、消能器的主要性能衰減量不應超過10%、且不應由明顯的低周疲勞現(xiàn)象。 3/2/sypyuu 8 . 0/sypyspuuKK建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2(三)消能減震設計的計算要點（1）由于加上消能部件后不改變結(jié)構(gòu)基本型式，除消能部件和相關部件外， 結(jié)構(gòu)設計（包括抗震構(gòu)造）仍可按抗規(guī)對相應結(jié)構(gòu)類型的要求進行。 （2）一般情況下，計算消能減震結(jié)構(gòu)宜采用靜力非線性（彈塑性）分析方法 或者非線性（彈塑性）動力時程分析方法。l對非線性動力時程分析法，宜采用消能部件的恢復力模型計算；l對靜力非線性分析法，可采用消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比和 效剛度計算。（3）當主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作階段時，可采用線性分

14、析方法作簡化估 算，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形特征和高度等，按抗震規(guī)范規(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(shù)可根據(jù)消能減 震結(jié)構(gòu)的總阻尼比按抗震規(guī)范規(guī)定的地震影響系數(shù)曲線采用。（4）消能減震結(jié)構(gòu)的總剛度： 結(jié)構(gòu)剛度和消能部件有效剛度的總和。（5）消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比： 結(jié)構(gòu)阻尼比和消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效 阻尼比的總和。 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2(四)消能減震結(jié)構(gòu)設計1.兩階段設計方法l 多遇地震作用下的彈性階段驗算，進行承載力計算和彈性變形驗算；l 罕遇地震作用下的變形驗算。2.速度相關型消能器（粘滯消能器和黏彈性阻尼器） 力與速度和位移的關系： 式中，F(xiàn)d為消能器

15、提供的阻尼力； cd，kd分別是消能器的阻尼系數(shù)和剛度； X， 分別是消能器的相對位移和相對速度。 XkXcFdddX建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2(1)粘滯消能器 圖 粘滯消能器構(gòu)造 對于粘滯消能器，Cd是消能器的粘滯阻尼系數(shù)，與阻尼材料、溫度、消能器構(gòu)造、阻尼孔大小等因素有關，由產(chǎn)品型號給定或試驗測定；Kd 等于0。 圖 粘滯消能器產(chǎn)品 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.2(2)黏彈性阻尼器 AGcd AGkd 分別是粘彈性材料的損耗因子和剪切模量，一般與頻率和溫度有關， 由粘彈性材料特性曲線確定； A, 分別是粘彈性材料的受剪面積和厚度； 結(jié)構(gòu)的振動頻率，對于多自由度結(jié)構(gòu)，取彈性振動的固有頻率。 G圖

16、 黏彈性阻尼器構(gòu)造 圖 黏彈性阻尼器產(chǎn)品 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.23.振型分解反應譜法 消能減震結(jié)構(gòu)在地震作用下彈性振動的動力方程可以表示為： )()()()()()(txtttgdsdss MIxKKxCCxM 由消能減震結(jié)構(gòu)的質(zhì)量陣Ms和總剛度陣（Ks +Kd）可求得其頻率向量和振型矩陣：n,21n21, 原結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣Cs通常假定是正交的，即jijiCCsijsTi, 0, 消能器附加給結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣Cd需要進行強行解耦，即作為近似處理，忽略Cd的非正交項，則有：jijiCCdijdTi, 0, 此時，可對動力方程進行求解，這種方法成為強行解耦法。 建筑結(jié)構(gòu)消能減震設計4.24.時程分析法 考慮每一時間的增量變化，采用分步積分法求出消能減震結(jié)構(gòu)體系在各個時刻的結(jié)構(gòu)地震反應。5.消能減震結(jié)構(gòu)的設計步驟確定結(jié)構(gòu)所在場地的抗震設計參數(shù)。按照傳統(tǒng)抗震設計方法優(yōu)選結(jié)構(gòu)設計方案。對結(jié)構(gòu)進行分析計算，如抗震設計方案滿足要求，即可采用抗震方案。 如不能滿足,或雖能滿足但為進一步提高抗震能力，考慮采用消能減震方案。選擇消能減震裝置,根據(jù)消能減震裝置的設計參數(shù)，初步確定消能減震裝置 的布置方案（位置、數(shù)量、型式等）。對消能