PPT結構抗震結構振動控制簡介

§6.1結構振動控制制簡介抗震結構一.抗震結構利用結構各構構件的承載力力和變形能力力抵御地震作作用，吸收地地震能量。隔震結構消能減震結構構立足于“抗””。二.隔震結構在建筑物上部部結構與基礎礎之間設置滑滑移層，阻止止地震能量向向上傳遞。立足于“隔”。第六章結結構振動控制制§6.1結構振動控制制簡介為達到明顯減減震效果，通通?；A隔震震系統(tǒng)需具備備以下四種特特性：(1)承載特性：具具有足夠的豎豎向強度和剛剛度以支撐上上部結構的重重量；(2)隔震特性：具具有足夠的水水平初始剛度度，在風載和和小震作用下下，體系能保保持在彈性范圍內(nèi)內(nèi)，滿足正常常使用的要求求，而中強地地震時，其水水平剛度較小，結結構為柔性隔隔震結構體系系；(3)復位特性：地地震后，上部部結構能回復復到初始狀態(tài)態(tài)，滿足正常常的使用要求求。(4)耗能特性：隔隔震系統(tǒng)本身身具有較大的的阻尼，地震震時能耗散足足夠的能量，，從而降低低上部部結構構所吸吸收的的地震震能量量。第六章章結結構構振動動控制制§6.1結構振振動控控制簡簡介隔震系系統(tǒng)回回顧基礎隔隔震的的概念念早在在19世紀已已有人人提過過，廣廣義的的隔震震方案案則更更是源源淵流流長，，如北北京故故宮就就設有有糯米米加石石灰的的柔性性減震震支座座層；；現(xiàn)代代的基基礎隔隔震理理論和和實踐踐開始始于上上世紀紀70年代，，基礎礎隔震震方案案很多多，下下面作作簡單單介紹紹1.早期隔隔震技技術河合浩浩藏的的“地地震時時不受受大震震動的的結構構”右圖是是1891年河合合浩藏藏的““地震震時不不受大大震動動的結結構””。其其隔震震思路路是在在地基基上并并排鋪鋪設了了數(shù)層層圓木木，并并且把把建筑筑物周周圍挖挖空，，從而而地震震時可可對上上部建建筑起起到隔隔震第六章章結結構構振動動控制制§6.1結構振振動控控制簡簡介J.A.Calantarients提出的的隔震震結構構右圖是是J.A.Calantarients于1909年提出出的隔隔震結結構(Base-isolatedbuilding)方案。。這種種隔震震結構構在建建筑物物結構構與基基礎之之間用用滑石石層隔隔開，，地震震時建建筑物物可以以滑動動。中村太太郎的的隔震震結構構右圖是是中村村太郎郎于1927年提出出的隔隔震結結構方方案。。在這這種隔隔震系系統(tǒng)中中已使使用阻阻尼泵泵來耗耗散地地震動動的能能量，，并且且在該該建筑筑地下下層柱柱的上上下端端采用用鉸接接構造造，建建筑物物可以以水平平自由由移動動。第六章章結結構構振動動控制制§6.1結構振振動控控制簡簡介柔性層層隔震震結構構(Flexiblefirst-storybuilding)柔性層層結構構隔震震概念念由Martel在1929年提出出，由由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)進一步步加以以研究究與完完善；；下圖圖是真真島健健三郎郎于1934年的柔柔性層層結構構。地地震時時，柔柔性層層進入入塑性性，結結構的的剛度度變小小，結結構的的基本本周期期延長長，從從而導導致上上部結結構所所受的的地震震作用用減小小。第六章章結結構構振動動控制制§6.1結構振振動控控制簡簡介滾動支支撐類類隔震震系統(tǒng)統(tǒng)（Rollerbearingsystem）為克服服柔性性層結結構所所帶來來的缺缺陷，，科學學家們們相繼繼提出出了多多種滾滾動支支撐類類隔震震系統(tǒng)統(tǒng)，工工作元元件有有球形形和橢橢圓形形等多多種，，但由由于其其隔震震是有有向性性的，，而地地震是是具有有無向向性，，這些些類型型的隔隔震系系統(tǒng)均均未能能推廣廣應用用。第六章章結結構構振動動控制制§6.1結構振振動控控制簡簡介2.最新隔隔震技技術隔震橡橡膠支支座(Thelaminatedrubberbearing)隔震系系統(tǒng)。。第六章章結結構構振動動控制制§6.1結構構振振動動控控制制簡簡介介南加加州州大大學學醫(yī)醫(yī)院院(TheUniversityofSouthernCaliforniaTeachingHospital)是橡橡膠膠支支座座隔隔震震系系統(tǒng)統(tǒng)，，這這棟棟八八層層醫(yī)醫(yī)院院基基礎礎加加速速度度為為0.49g，而頂頂層層加加速速度度只只有有0.21g,加速速度度折折減減系系數(shù)數(shù)為為1.8。而而抗抗震震結結構構橄橄欖欖景景醫(yī)醫(yī)院院(TheOliveViewHospital)的底底層層加加速速度度為為0.82g，而頂頂層層加加速速度度為為2.31g,加速速度度放放大大系系數(shù)數(shù)為為2.8，由由此此可可見見橡橡膠膠支支座座隔隔震震系系統(tǒng)統(tǒng)的的優(yōu)優(yōu)越越性性。。中南南加加州州大大學學醫(yī)醫(yī)院院（（隔隔震震結結構構））橄欖欖景景醫(yī)醫(yī)院院（（抗震震結結構構））1994年1月17日，，美美國國圣圣菲菲爾爾南南多多發(fā)發(fā)生生洛洛杉杉磯磯地地震震，，震震級級M=6.7，直下下型型地地震震，，死死亡亡56人，傷7300人，損失失很大。。震中附近近有兩座座醫(yī)院，，一座為為隔震結結構，另另一座為為抗震結結構。第六章結結構構振動控控制§6.1結構振動動控制簡簡介中南加州州大學醫(yī)醫(yī)院地下一層層，地上上7層，建筑筑面積：：33000平方米；；占地：：4100平米；最最高高度度：36。0m；鉛芯多層層橡膠隔隔震器68個，多層層橡膠隔隔震器81個。第六章結結構構振動控控制§6.1結構振動動控制簡簡介中南加州州大學醫(yī)醫(yī)院在這這次地震震及其其其后的余余震中，，6-8英尺高的的花瓶等等沒有一一個掉下下來，建建筑物內(nèi)內(nèi)的各種種機器等等均未損損壞，醫(yī)醫(yī)院功能能得到維維持，成成為防災災中心，，起到十十分重要要的作用用。第六章結結構構振動控控制§6.1結構振動動控制簡簡介橄欖景醫(yī)醫(yī)院（抗震結構構）橄欖景醫(yī)醫(yī)院在1971年圣費爾爾南多地地震中受受到較大大損害，，10年后重建建，并增增加了抗抗震強度度。在此次地地震中，，剪力墻墻產(chǎn)生剪剪切裂縫縫，設備備機器、、醫(yī)療機機械及家家具等翻翻倒，病病歷等資資料掉下下、散亂亂。而且且水管破破裂，各各層浸水水，建筑筑物不能能使用，，完全喪喪失了醫(yī)醫(yī)院的功功能。一九九四年九月十六日，臺灣海峽發(fā)生了7.3級地震，震源距離汕頭市約200公里，汕頭市烈度為6度，各類房屋搖晃厲害，居民驚惶失措，水桶里的水濺出了1/3左右……而陵海路隔震樓上的人并沒有感到晃動，聽到毗鄰樓房和鄰街喧鬧聲后下樓才知道發(fā)生了地震。第六章結結構構振動控控制§6.1結構振動動控制簡簡介日本阪神大地震

一九九五年一月十七日發(fā)生了日本阪神大地震。震級7.2級，是日本戰(zhàn)后最大地震災害。

在這次地震中，有二幢隔震結構建筑得到了地震觀測記錄。從這些記錄可以看到隔震房屋在大地震中發(fā)揮了隔震效果，證實了隔震結構的有效性。

WEST大廈(西部郵政大樓)建筑面積46000m2，6層，是日本最大的隔震建筑。該建筑距震源東北35公里，在基礎、l層和6層進行了地震記錄觀測。213263300基礎193571061層377751036層上下南北東西地震觀測位置方向第六章結結構構振動控控制§6.1結構振動動控制簡簡介隔震橡膠膠支座包包括天然然夾層橡橡膠支座座、鉛芯芯橡膠支支座，高高阻尼橡橡膠支座座等。天然夾層層隔震橡橡膠支座座天然夾層層橡膠支支座構造造如圖所所示。天天然夾層層橡膠支支座具有有較大的的豎向剛剛度，承承受建筑筑物的重重量時豎豎向變形形小，而而水平剛剛度較小小，且線線性性能能好。由由于天然然夾層橡橡膠支座座的阻尼尼很小，，不具備備足夠的的耗能能能力，所所以在結結構使用用中一般般同其它它阻尼器器或耗能能設備聯(lián)聯(lián)合使用用。鉛芯隔震震橡膠支支座鉛芯隔震震橡膠支支座由新新西蘭的的ROBINSON及其公司司最早研研制開發(fā)發(fā)，以后后在中國國、日本本、美國國、意大大利等國國家都得得到了較較大的發(fā)發(fā)展與應應用。鉛芯橡膠支支座構造如如圖所示。。因為鉛芯芯橡膠支座座不但具有有較理想的的豎向剛度度，而且本本身具有消消耗地震能能量的能力力，故鉛芯芯橡膠支座座在結構使使用中受到到廣泛歡迎迎。第六章結結構振動動控制§6.1結構振動控控制簡介下圖分別是是世界上第第一棟采用用鉛芯橡膠膠支座隔震震的建筑(TheWilliamClaytonBuilding,NewZealand)和世界上使使用鉛芯橡橡膠支座中中基底面積積最大的建建筑(日本)。日本1997年度評定的的隔震建筑筑中，采用用鉛芯橡膠膠支座隔震震房屋占總總數(shù)的40%，美國在1985年以后興建建的隔震房房屋中，完完全或部分分采用鉛芯芯橡膠支座座的隔震房房屋占總數(shù)數(shù)的60.7%，我國在已已建成的隔隔震房屋中中，完全或或部分采用用鉛芯橡膠膠支座的隔隔震房屋占占總數(shù)的60%。第六章結結構振動動控制§6.1結構振動控控制簡介基底隔振結結構具有以以下特性：：1）、基底隔隔振導致剪剪力沿結構構下部有較較均勻的分分布；2）、高柔基基底使高階階振型有較較小的振型型參與系數(shù)數(shù)；3）、滯變阻阻尼器的引引入，大大大減小了基基底位移、、地震荷載和結構變變形；4）、高整體體柔性使第第一振型周周期加長，，它與大阻阻尼一起通通常給出較低的的地震反應應譜系數(shù)。?；赘粽褡钭钸m合于較較短周期的的結構，它它能顯著減減小第一振振型反應，，對于比較較柔性的場場地，應采采用小的基基底柔性，，基底隔振振已廣泛地地用于建筑筑物的抗震震，其實驗驗研究也很很深入。第六章結結構振動動控制§6.1結構振動控控制簡介基底隔振體體系具備下下述三項特特性：1）、柔性滑滑動，結構構在基礎面面上滑動會會加大結構構體系的自自振周期，減減小加速度度反應，從從而減小地地震作用；；2）、阻尼消消能，為結結構提供較較大的阻尼尼，從而使使位移反應應減?。?）、彈性剛剛度，隔振振體系必須須具有足夠夠的初始剛剛度，當荷荷載小于屈服荷荷載時，結結構體系滿滿足正常使使用狀態(tài)，，否則，隔振裝置滑滑動，體系系處于消能能狀態(tài)。只有具備這這三項特性性，隔振體體系才具有有明顯的減減震能力。。第六章結結構振動動控制§6.1結構振動控控制簡介基底隔振的的形式很多多，概括地地講有如下下六種模式式。(一)、LRB基底隔振系系統(tǒng)（LaminatedRubberBearing，層狀橡膠膠支座）LRB基底隔振系系統(tǒng)是用橡橡膠和薄鋼鋼片組成的的層狀橡膠膠墊塊做隔隔振裝置，，橡膠板是是熱粘到鋼鋼板上的。。這種支座座在水平方方向相當柔柔軟，但在在豎直方向向卻很堅硬硬。其工作作原理圖如如圖2-1所示。運動動方程可寫寫為：式中：S是結構筏基基相對地面面的相對位位移，是結構相對對于筏基的的第i層位移，是地面運動動加速度的的水平分量量。，是質量比系數(shù)數(shù)，圖6-1LRB隔振系統(tǒng)（6-1）（6-2）第六章結結構振動動控制§6.1結構振動控控制簡介為結構筏基基質量，為第i層質量。分別為隔振振系統(tǒng)的阻阻尼和剛度度。是結構的總總質量。分別為結構構的質量矩陣陣、剛度矩矩陣和阻尼尼矩陣。是n維元素為1的列向量。。(二)、NZ基底隔振系系統(tǒng)（NewZealand，鉛塞滯變變阻尼器））當LRB系統(tǒng)中帶有有鉛芯時，，稱為NZ隔振系統(tǒng)，，該系統(tǒng)最最早是由新新西蘭人提提出的。鉛鉛芯系用來來減小側向向位移并提提供附加的的能量逸散散機制，而而彈性恢復復力則是由由橡膠支座座提供的。。其工作原原理如圖2-2所示。運動動方程由（（6-1）和（6-3）組成第六章結結構振動動控制§6.1結構振動控控制簡介式中：N代表使用基基底隔振單單元的數(shù)量量，M為總質量，，Q為滯回恢復復力，與鉛鉛芯的作用用有關。其其它符號同同前。圖6-2NZ隔振系統(tǒng)（6-3）R-FBI基底隔振振系統(tǒng)是是由帶橡橡膠芯的的聚四氟氟乙烯涂涂疊摩擦擦板的疊疊層組成成，橡膠膠芯提供供恢復力力，因此此起控制制相對位位移作用用，而能能量則通通過摩擦擦力逸散散。其工工作原理理如圖6-3所示。運運動方程程由（6-1）和（6-4）組成圖6-3R-FBI隔振系統(tǒng)統(tǒng)(三)、R-FBI基底隔振振系統(tǒng)（（Resilient-FrictionBaseIsolation，恢復力力-摩擦）第六章結結構構振動控控制§6.1結構振動動控制簡簡介式中：g為重力加加速度，，為摩擦系系數(shù)，是控制系系統(tǒng)滑動動與非滑滑動狀態(tài)態(tài)的符號號函數(shù)。。其它符符號同前前。（6-4）（6-5）P-F基底隔振振系統(tǒng)是是由摩擦擦板或砂砂墊層組組成。該該系統(tǒng)是是單純的的摩擦型型或滑動動節(jié)點型型基底隔隔振系統(tǒng)統(tǒng)。其工工作原理理如圖6-4所示。運運動方程程由（6-1）和（6-5）組成第六章結結構構振動控控制§6.1結構振動動控制簡簡介(四)、P-F基底隔振振系統(tǒng)（（Pure-Friction，純摩擦擦）(五)、EDF基礎隔振振系統(tǒng)（（ElectriteDeFrance）EDF基礎隔振振系統(tǒng)是是由鉛-青銅板作作蓋的疊疊層橡膠膠襯墊塊塊組成，，其工作作原理如如圖6-5所示。運運動方程程由（6-1）、（6-6）和（6-7）組成（6-6）圖6-4P-F隔振系統(tǒng)統(tǒng)（6-7）2-8）圖6-5EDF基礎隔振振系統(tǒng)第六章結結構構振動控控制§6.1結構振動動控制簡簡介(六)、SR-F基底隔振振系統(tǒng)（（SlidingResilient-Friction）SR-F基底隔隔振系系統(tǒng)即即滑移移恢復復力-摩擦基基底隔隔振系系統(tǒng)。。它主主要是是由R-FBI和EDF系統(tǒng)重重新組組合而而成，，實質質上是是一種種上部部具有有附加加摩擦擦板的的R-FBI隔振元元件。。其工工作原原理如如圖6-6所示。。運動動方程程由（（6-1）、（（6-8）和（（6-9）組成成（6-8）圖6-6SR-F基底隔隔振系系統(tǒng)（6-9）第六章章結結構構振動動控制制§6.1結構振振動控控制簡簡介三.消能減減震結結構在結構構中的的某些些部位位設置置消能能裝置置，通通過消消能裝裝置耗耗散或或吸收收地震震能量量，從從而減減小主主體結結構地地震反反應。。消能裝裝置有有：調(diào)頻質質量阻阻尼裝裝置（TunedMassDampers,簡稱TMD）—由質量、、彈性性元件件和阻阻尼器器構成成的振振動系系統(tǒng)，，將其其安裝裝在結結構上上，結結構振振動時時引起起該系系統(tǒng)的的共振振，由由此產(chǎn)產(chǎn)生的的慣性性力反反作用用于結結構，，起到到減小小結構構振動動反應應的作作用。。第六章章結結構構振動動控制制§6.1結構振振動控控制簡簡介TMD是一個個小的的振動動系統(tǒng)統(tǒng)，由由質量量、彈彈簧和和阻尼尼器組組成。。它是是Frahmn在1909年發(fā)明明的。。它主主要被被用于于機械械工業(yè)業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)中。。由于于土木木工程程中抗抗風抗抗的需需要，，現(xiàn)被被用于于抗震震抗風風結構構之中中。這這種機機構主主要依依賴它它與結結構作作相對對運動動，憑憑慣性性對結結構產(chǎn)產(chǎn)生作作用力力來抵抵消干干擾力力，以以達到到減振振的作作用。。其工工作原原理如如圖6-7所示。。圖6-7第六章章結結構構振動動控制制§6.1結構振振動控控制簡簡介TMD參數(shù)取值與結構形式和地震波有關。TMD的頻率取值，取時最有效，為第i振型的頻率。一般取第一振型頻率來設計取值在20%左右時為最佳，質量比隨結構總質量大小而變化，一般來說，質量比在1%~3%時較佳?？傎|量小時，比值可大些，總質量大時，比值可取小些，比值過小，其控制效果幾乎為0。比值過大時，會產(chǎn)生有害影響。調(diào)頻頻液液體體阻阻尼尼裝裝置置(TunedLiquildDampersorTunedSloshingDampers,簡稱稱TLD或TSD)—由具具有有一一定定形形狀狀的的盛盛液液容容器器構構成成，，液液體體晃晃動動時時，，液液體體對對容容器器箱箱壁壁產(chǎn)產(chǎn)生生動動壓壓力力，，同同時時液液體體晃晃動動產(chǎn)產(chǎn)生生阻阻尼尼吸吸收收一一部部分分能能量量。。第六六章章結結構構振振動動控控制制§6.1結構構振振動動控控制制簡簡介介液壓壓質質量量控控制制裝裝置置—由液液壓壓缸缸、、活塞塞、、管管路路和和質質量量塊塊構構成成，，當當結結構構由由地地面面運運動動產(chǎn)產(chǎn)生生振振動動時時，，油油缸缸的的活活塞塞推推動動管管路路中中的的液液體體，，使使液液體體和和質質量量隨隨之之振振動動。。結結構構的的一一部部分分振振動動能能量量傳傳遞遞給給了了該該系系統(tǒng)統(tǒng)。。TLD系統(tǒng)統(tǒng)是是一一種種固固定定在在結結構構樓樓時時或或屋屋面面上上的的矩矩形形或或圓圓形形水水箱箱，，可可