建筑結構基礎隔震設計和消能減震設計

24建筑結構基礎隔震設計和消能減震設計4.1建筑結構基礎隔震設計4.2建筑結構消能減震設計學習目的：了解結構消能減震的概念、方法、手段、優(yōu)越性和應用范圍；了解結構消能減震的設計參數確定和計算要點；了解粘彈性阻尼器和粘滯性阻尼器的減振機理；了解消能減震結構的設計要點和設計步驟。

建筑結構消能減震設計4.2一、結構消能減震概述■

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?！鰝鹘y(tǒng)抗震結構體系實際上是依靠結構及承重構件的損壞消耗大部分輸入能量，往往導致結構構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)抗震設計方法的缺陷，結構振動控制技術（簡稱“結構控制”）逐漸發(fā)展起來，并被認為是減輕結構地震和風振反應的有效手段?！?/p>

結構消能減震技術就是一種結構控制技術，《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011－2001）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的設計要點做出了規(guī)定

。建筑結構消能減震設計4.2（一）結構振動控制的概念結構控制的減振機理:式中，M，C，K——分別為結構的質量、阻尼和剛度矩陣；

F(t)——為外部作用（包括控制機構或裝置施加的控制力、風或可能施加的其它外力）列向量；

——分別為結構在外部作用（或荷載）下的加速度、速度和位移反應列向量；

——是地面的地震加速度反應;

I——為單位列向量。

結構控制就是通過調整結構的自振頻率ω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)，以大大減少結構在地震（或風）作用下的反應。

4.2建筑結構消能減震設計4.2(二)結構消能減震設計的概念指在房屋結構中設置消能裝置，通過其局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結構的地震能量，達到預期設防要求。

地震時結構的能量轉換過程：

傳統(tǒng)抗震結構消能減震結構式中，Ein——地震時輸入結構的地震能量；

ER——結構物地震地震反應的能量，即結構物振動的動能和勢能（彈性變形能）；

ED——結構阻尼消耗的能量（一般不超過5%）；

ES——主體結構及承重構件非彈性變形（或損壞）消耗的能量；

EA——消能構件或消能裝置消耗的能量。

建筑結構消能減震設計4.2（三）結構消能減震體系的分類（1）消能支撐：可以代替一般的結構支撐，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。

圖消能支撐建筑結構消能減震設計4.2（2）消能剪力墻：可以代替一般結構的剪力墻，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構消能減震設計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：結構縫隙處或構件之間的連接處設置。（5）消能支承或懸吊構件建筑結構消能減震設計4.2(四)消能器的分類1.消能器的功能：當結構構件（或節(jié)點）發(fā)生相對位移（或轉動）時，產生較大阻尼，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（轉角）滯回關系曲線建筑結構消能減震設計4.23.消能器類型(1)速度相關型

粘彈性阻尼器粘滯流體阻尼器粘滯阻尼墻粘彈性阻尼墻(2)位移相關型

金屬屈服型阻尼器摩擦阻尼器

(3)其它類型

調頻質量阻尼器調頻液體阻尼器

粘彈性阻尼器粘滯流體阻尼器屈曲約束耗能支撐調頻質量阻尼器建筑結構消能減震設計4.2（五）結構消消能減震建筑筑的特點1.消能減震裝置置可同時減少少結構的水平平和豎向地震震作用，適用范圍較廣廣，結構類型和和高度均不受受限制；2.消能減震裝置置應使結構具具有足夠的附加阻阻尼，以滿足罕遇遇地震下預期期的結構位移移要求；3.由于消能減震震結構不改變變結構的基本本型式（但是是可減小梁、、柱斷面尺寸寸和配筋，減減少剪力墻的的設置），除消能部件和和相關部件外外，結構設計仍可可按照《抗震規(guī)范》對相應結構類類型的要求進進行。建筑結構消能能減震設計4.2(六)結構消能減震震技術的優(yōu)越越性1.安全性消能器在強震震中能率先消消耗地震能量量，迅速衰減減結構的地震震反應并保護護主體結構和和構件免遭破破壞。2.經濟性消能減震結構構是通過“柔柔性消能”的的途徑減少結結構的地震反反應，因而可可以減少剪力力墻的設置，，減少結構斷斷面和配筋，，并提高結構構的抗震性能能。3.技術合理性結構越高、越越柔，消能減減振效果越顯顯著。建筑結構消能能減震設計4.2（七）結構消消能減震技術術的應用消能減震技術術適用于結構構的地震和風風振控制，結構的層數越越多、高度越越高、跨度越越大、變形越越大、場地的烈度越越高，消能減減震效果越明明顯。廣泛應用于：：高層建筑，超超高層建筑；；高柔結構，高高聳塔架；大跨度橋梁；；柔性管道、管管線（生命線線工程）；舊有高柔建筑筑或結構物的的抗震（抗風風）加固改造造。建筑結構消能能減震設計4.2二、結構消能能減震設計(一)結構消能減震震設計的一般般規(guī)定1.消能減震裝置置的設置要求求（1）應對結構提提供足夠的附附加阻尼，并并應沿結構兩兩個主軸方向向均有附加阻阻尼或剛度；；（2）宜設在層間間變形較大的的部位，以便便更好地發(fā)揮揮消能作用，，計算確定位位置和數量，，并有利于提提高整個結構構的消能減震震能力，形成成均勻合理的的受力體系；；（3）應采用便于于檢查和替換換的措施；（4）消能器與斜斜撐、墻體、、節(jié)點等支承承構件的連接接，應符合鋼鋼構件連接或或鋼與鋼筋砼砼構件連接的的要求，并能能承擔消能器器施加給連接接節(jié)點的最大大作用力；建筑結構消能能減震設計4.2（5）與消能部件件相連的結構構構件，應計計入消能部件件傳遞的附加內力力并將其傳給給基礎；（6）消能器和連連接構件在長長期使用過程程中需要檢查查和維護，其安裝裝位置應便于于維護人員接接近和操作，，即應具有較好好的易維護性性；（7）消能器和連連接構件應具具有耐久性能能；（8）設計文件上上應注明消能能減震裝置的的性能要求；；（9）消能減震部部件的性能參參數應嚴格檢檢查，安裝前前應對消能器進行行抽樣檢測，，每種類型和和每一規(guī)格的的數量不應少于于3個，抽樣檢測測的合格率應應為100%。建筑結構消能能減震設計4.22.結構消能減震震設計設防目目標抗震設防目標標應高于（傳傳統(tǒng)）抗震設設計的抗震設設防目標。采用消消能減震設計計，還不能完完全做到在設設防烈度下,上部結構不受受損壞或主體體結構處于彈彈性工作階段段的要求，但是與與非消能減震震（及非隔震震）建筑相比比，應有所提高。3.消能減震結構構設計涉及的的主要問題消能減震裝置置的設計、選選擇、布置及及數量；消能減震裝置置附加給結構構的阻尼比的的估算；消能減震結構構體系在罕遇遇地震下的位位移計算；消能部件與主主體結構的聯(lián)聯(lián)結構造。建筑結構消能能減震設計4.2(二)消能減震設計計的計算分析析參數1.消能部件附加加給結構的有有效阻尼比①消能部件附附加給結構的的有效阻尼比比ζa——消能結構的附附加有效阻尼尼比；Wc——所有消能部件件在結構預期期位移下往復復一周所消耗耗的能量；Ws——設置消能部件件的結構在預預期位移下的的總應變能。。②不計及扭轉轉影響時，消消能減震結構構在其水平地地震作用下的的總應變能式中，Fi——質點i的水平地震作作用標準值；；ui——質點i對應于水平地地震作用標準準值的位移。。建筑結構消能能減震設計4.2③速度線性相關關型消能器水水平地震作用用下所消耗的的能量式中，T1——消能減震結構構的基本自振振周期；Cj——第j個結構由試驗驗確定的線形形阻尼系數；；——第j個消能器的消消能方向與水水平面的夾角角；△uj——第j個消能器兩端端的相對水平平位移。④位移相關型型、速度非線線性相關型和和其他類型消消能器水平地震作用用下所消耗的的能量式中，Aj——第j個消能器的恢恢復力滯回環(huán)環(huán)在相對水平平位移△uj時的面積。⑤消能部件附附加給結構的的有效阻尼比比宜不超過20%建筑結構消能能減震設計4.22.消能部件由試試驗確定的有有效剛度、阻阻尼比和恢復復力模型的設設計參數①速度相關型型阻尼器由試驗提供設計容許位移移、極限位移移，以及在設設計容許位移移幅值和不同同環(huán)境溫度下下、加載頻率率為0.1～4Hz的滯回模型。。速度相關型消消能器與斜撐撐、墻體或梁梁等支承構件件組成消能部部件時，該部部件在消能器消能方方向的剛度:式中,Kb——消能部件在消消能器方向的的剛度；CV——消能器由試驗驗確定的相應應于結構基本本自振周期的的線性阻尼數數；T1——消能減震結構的基基本自振周期。建筑結構消能減震震設計4.2②位移相關型阻尼器器應由試驗確定設計計容許位移、極限限位移和恢復力模模型參數。位移相關型消能器器與斜撐、墻體或或梁等支承構件組組成消能部件時，，該部件的恢復力力模型參數宜符合合：式中,Kp—消能部件在水平方方向的初始剛度；；Ks—設置消能部件的結結構樓層側向剛度度；△upy—消能部件的屈服位位移；△usy—設置消能部件的結結構層間屈服位移移。③在最大容許位移幅幅值下，按應允許許的往復周期循環(huán)環(huán)60圈后，消能器的主主要性能衰減量不不應超過10%、且不應由明顯的的低周疲勞現象。。建筑結構消能減震震設計4.2(三)消能減震設計的計計算要點（1）由于加上消能部部件后不改變結構構基本型式，除消能部件和相關關部件外，結構設計（包括抗抗震構造）仍可按按抗規(guī)對相應結構構類型的要求進行行。（2）一般情況下，計計算消能減震結構構宜采用靜力非線線性（彈塑性）分分析方法或者非線性（彈塑塑性）動力時程分分析方法。對非線性動力時程程分析法，宜采用用消能部件的恢復復力模型計算；對靜力非線性分析析法，可采用消能能部件附加給結構構的有效阻尼比和和效剛度計算。。（3）當主體結構基本本處于彈性工作階階段時，可采用線線性分析方法作簡簡化估算，并根據結構的的變形特征和高度度等，按抗震規(guī)范范規(guī)定分別采用底底部剪力法、振型分解反反應譜法和時程分分析法。其地震影響系數可可根據消能減震結構的總阻尼比比按抗震規(guī)范規(guī)定定的地震影響系數數曲線采用。（4）消能減震結構的總總剛度：結構剛度和消能部部件有效剛度的總總和。（5）消能減震結構的總總阻尼比：結構阻尼比和消能能部件附加給結構構的有效阻尼比的總和。建筑結構消能減震震設計4.2(四)消能減震結構設計計1.兩階段設計方法多遇地震作用下的的彈性階段驗算，，進行承載力計算算和彈性變形驗算算；罕遇地震作用下的的變形驗算。2.速度相關型消能器器（粘滯消能器和黏彈彈性阻尼器）力與速度和位移的的關系：式中，Fd——為消能器提供的阻阻尼力；cd，kd——分別是消能器的阻阻尼系數和剛度；；X，——分別是消能器的相相對位移和相對速速度。建筑結構消能減震震設計4.2(1)粘滯消能器圖粘滯消能器構構造對于粘滯消能器，，Cd是消能器的粘滯阻阻尼系數，與阻尼尼材料、溫度、消消能器構造、阻尼尼孔大小等因素有有關，由產品型號號給定或試驗測定定；Kd等于0。圖粘滯消能器產產品建筑結構消能減震震設計4.2(2)黏彈性阻尼器——分別是粘彈性材料料的損耗因子和剪剪切模量，一般與與頻率和溫度有關關，由粘彈性材料特性性曲線確定；A,δ——分別是粘彈性材料料的受剪面積和厚厚度；ω——結構的振動頻率，，對于多自由度結結構，取彈性振動動的固有頻率。圖黏彈性阻尼器器構造圖黏彈性阻尼器器產品建筑結構消能減震震設計4.23.振型分解反應譜法法消能減震結構在地地震作用下彈性振振動的動力方程可可以表示為：由消能減震結構的的質量陣Ms和總剛度陣（Ks+Kd）可求得其頻率向向量和振型矩陣：：原結構的阻尼矩陣陣Cs通常假定是正交的的，即消能器附加給結構構的阻尼矩陣Cd需要進行強行解耦耦，即作為近似處處理，忽略Cd的非正交項，則有：此時，可對動力方方程進行求解，這這種方法成為強行解耦法。建筑結構消能減震震設計4.24.時程分析法考慮每一時間的增增量變化，采用分