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1 建筑结构抗震设计 建筑工程学院

2 第一章结构隔震与 教学目的和要求 消能减震控制 1. 理解结构隔震与消能减震的原理 ; 2. 了解常用隔震支座类型及特点 ; 3. 了解常用消能装置类型及特点 ; 4. 掌握隔震及消能减震结构的设计方法以及计算要点 ; 5. 掌握隔震建筑及消能减震建筑的有关构造要求

3 9.1 结构减震设计概述 传统的抗震设计方法依靠结构的强度 刚度和延性来抗御地震作用, 称之为 抗震设计 结构处于被动承受地震作用的地位, 通过发展延性消耗能量, 会使结构产生过大变形并导致结构损伤或非结构构件的损坏, 是一种消积设计方法 地震工程者寻求和探索新的结构积极抗震设计方法, 这就是以结构隔震 减震 制振技术为特点的结构振动控制方法 结构振动控制方法大致可分为以下几类 : 隔震 消能减震 被动控制 主动控制 半主动混合控制

4 (1) 结构隔震体系 隔震技术是采用某种装置, 将地震动与结构隔开 减弱或改变地震动对结构的动力作用, 使建筑物在地震作用下只产生很小的振动, 这种振动不致造成结构或设施的破坏 此方法能隔阻剪切波向结构的传播, 限制输入结构的能量, 从而保障结构在地震时的安全 隔震方法主要有基底隔震和悬挂隔震两种 (2) 结构消能减震和阻尼减震体系 结构消能减震和阻尼减震体系是把结构某些非承重构件, 节点和连接处装设阻尼器 当轻微地震或阵风脉动时, 这些消能杆件或阻尼器, 处于弹性状态, 以满足正常使用要求 在强烈地震作用下, 这些消能杆件和阻尼器进入非弹性变形状态, 产生较大阻尼, 消耗输入结构的能量, 避免主体结构进入明显塑性状态, 保护主体结构在强震中不发生破坏

5 (3) 结构被动控制调谐减震体系 在建筑物某部位设置附加子结构, 原结构承受地震引起振动时, 子结构质量块向原结构施加反向作用力, 使原结构振动反应迅速衰减 这个子结构称为 调频质量阻尼器, 当子结构为荡液水箱则称为 调频液体阻尼器 这种方法改变原结构体系动力特性, 降低结构动力反应 无需支持系统工作的能源装置, 也称无源控制技术 (4) 结构主动控制 主动控制体系是利用外部能源, 在结构振动过程中, 瞬时改变结构的动力特性并施加控制力以衰减结构反应的控制系统 可分为开环控制与闭环控制两种类型 研究较多的是闭环控制 闭环控制体系在结构振动控制部位安装传感器, 传感器把测得的地震反应以讯号形式输出传至控制器, 控制器将信息处理和计算后, 向驱动机构发出指令并向子结构施加控制力, 降低结构振动反应

6 结构隔震 减震和制振方法的研究和应用于始 20 世纪 60 年代,20 世纪 70 年代以来发展较快 这种积极的结构 疏 震方法与传统的消积抗震方法相比, 具有以下优点 首先, 该方法能大幅度减小结构所受地震作用, 能较为准确地控制传到结构上的最大地震作用, 为解决不确定环境下结构反应的控制提供了新途径 其次, 该方法大大减小结构在地震作用下的变形, 保证非结构构件不受地震破坏, 从而减小震后维修费用 第三, 对于核工业设备, 高精度加工设备, 只能用隔震, 减震的方法来满足严格的抗震要求

7 9.2 结构隔震原理与方法 结构隔震原理 结构隔震的基本原理 : 利用隔震系统使结构物隔震层上下部分分开, 延长结构基本自振周期, 结合适当的阻尼, 使结构的加速度反应大大减弱 同时, 结构的变形能主要由隔震系统承担, 结构自身承担的地震能量则很小, 结构自身的地震破坏减轻, 安全性提高

8 隔震结构地震中表现 传统房屋 隔震房屋 地震时激烈晃动 地震时缓慢平动 ( 长周期 ) 房屋加速度放大 房屋加速度减少 100% 250% 100% 40% 梁柱裂, 内部装饰, 设备破坏 保护结构和内部装饰, 设备

9 要达到减小输入结构地震能量, 降低震害的目的, 隔震装置要满足以下要求 : 1) 隔震装置要有一定的柔度, 来延长结构周期, 降低地震作用 2) 隔震装置要有较大的消能能力, 减小上部结构的相对变形, 使位移限制在设计范围之内 3) 隔震装置应具有可变的水平刚度 在风荷载及轻微地震作用下结构足够水平刚度, 保持上部结构和下部支承整体工作, 满足正常使用要求 ; 在强烈地震时, 水平刚度较小, 隔离地震向上部结构的传输 4) 隔震装置具有复位能力, 使隔震结构体系在地震中可瞬时复位, 震后上部结构恢复到原始位置, 防止隔震层位移反应和震后残余位移过大 5) 隔震装置的竖向刚度应满足竖向承载力的要求 保证结构使用状态下的安全, 并满足结构使用要求 6) 隔震装置应有足够的抗疲劳 抗老化能力 较好的耐久性和耐火性

10 9.2.2 隔震装置简介 (1) 叠层橡胶支座 由橡胶片与薄钢板交替叠合而成, 钢板边缘缩入橡胶内, 可防止钢板生锈 叠层橡胶支座又可分为普通叠层橡胶支座 高阻尼叠层橡胶支座 铅芯叠层橡胶支座和 普通叠层橡胶支座中的橡胶为有添加剂的天然橡胶或氯丁二烯橡胶, 其阻尼性能较差, 只具备延长周期的功能, 应用时必须同阻尼器配合作用

11 由于橡胶板上 下两面的横向变形受到刚板的约束, 在竖向荷载作用下橡胶板中部处于三向压力状态, 从而形成很高的抗压强度 叠层橡胶的水平刚度一般为竖向刚度的 1%, 具有明显的非线性特性 小变形时, 其水平刚度能保证建筑物在风载下的使用功能 ; 大变形时橡胶剪切刚度下降较多, 约为初始刚度的 20%, 可以大幅度降低结构振动频率, 减小地震反应

12 铅芯叠层橡胶支座比普通叠层橡胶支座多了一根铅芯, 铅芯能起增大阻尼作用, 它集隔震器 阻尼器为体, 能提供饱满的荷载 位移滞回曲线

13 2. 滑移摩擦隔震支座 滑移隔震支座是利用滑移界面间的相对滑动来阻隔地震作用的传递 在使用时, 可以通过限制其摩擦力来满足不同的隔震需求, 消能能力较强 由于此类装置无侧向刚度, 不具有自恢复能力, 常与弹性恢复力装置结合使用

14 (3) 滚动支座 早期的滑动方法为滚珠隔震, 即在上部结构与平板状基础之间设置滚珠 滚珠可做成圆形, 设置于平板或凹板上, 也可做成椭圆形, 以形成复位力 滚珠能把地面运动几乎全部隔开, 使结构免受振动, 滚珠隔震需要有辅助装置协助复位, 并要有风稳定装置保证风载下不产生过大水平位移

15 4. 混合基础隔震 混合基础隔震包括并联基础隔震 串联基础隔震 串并联基础隔震等 并联基础隔震是将隔震橡胶支座和滑移支座并联设置在隔震层, 它综合了两种隔震装置的优点, 可有效提高隔震效果 串联基础隔震是由隔震橡胶支座和滑移支座串联而成, 相当于结构有两个隔震层 串并联基础隔震较为复杂, 应根据实际情况进行组合, 以形成符合实际需要的隔震层滞回曲线形式

16 9.2.3 隔震设计方法 1. 建筑结构采用隔震设计时应满足的条件 采用隔震控制技术的建筑应满足以下要求 : 1) 结构高宽比宜小于 4 且变形特征接近剪切变形, 其最大高度应不大于 建筑抗震设计规范 对非隔震结构要求 ; 高宽比大于 4 的结构采用隔震设计时, 应进行专门研究 2) 隔震结构建筑场地宜为 Ⅰ Ⅱ III 类, 并应选用稳定性较好的基础类型 3) 风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的 10% 4) 隔震层应提供必要的竖向承载力 侧向刚度和阻尼 ; 穿过隔震层的设备配管 配线, 应采用柔性连接或其他有效措施以适应隔震层的罕遇地震水平位移

17 2. 隔震结构计算方法 (1) 设计要点 隔震设计应根据预期的竖向承载力 水平向减震系数和位移控制要求, 选择适当的隔震装置及抗风装置组成结构的隔震层 隔震支座应进行竖向承载力的验算和罕遇地震下水平位移的验算 隔震层以上结构的水平地震作用应根据水平向减震系数确定 其竖向地震作用标准值,8 度 (0.2g) 8 度 (0.3g) 和 9 度时分别不应小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的 20% 30% 和 40%

18 (2) 计算简图和计算方法 隔震体系的计算简图, 应在非隔震体系计算简图基础上, 增加由隔震支座及其顶部梁板组成的质点 右图为剪切型变形特征的结构采用的剪切模型 实际设计时, 应根据情况采用单质点模型 多质点模型或空间模型 运动微分方程为 : Mx && + C x& + K x= Mx && () t eq h g M 隔震支座上部结构总质量 ; C eq 隔震层等效阻尼系数 ; K h 隔震层水平侧移刚度 ; x x& x&& x&& g 分别为上部结构质点对应的位移 速度 加速度 地面运动加速度 mn mn-1 mj+3 mj+ 2 m1 mj+1 mj

19 隔震层的抗侧移刚度和阻尼比计算式如下 : Kh = K ζ j eq = K jζ j Kh ζ j 为 j 隔震支座由试验确定的等效黏滞阻尼比, 设置很多的消能器时, 应包括该消能器的相应阻尼比 j K 为 j 隔震支座 ( 含消能器 ) 由试验确定的水平等效刚度

20 多层砌体结构或与砌体结构周期相当的剪切型隔震结构设计, 可采用底部剪力法计算上部结构的总水平地震作用, 减震系数计算如下 : 1) 水平向减震系数, 宜根据隔震后整个体系的基本周期, 按下式确定 β = 1.2 η ( / ) 2 Tgm T γ 1 T gm 砌体结构采用隔震方案时的设计特征周期, 根据本地区所属的设计地震分组确定, 小于 0.4s 时应按 0.4s 采用 ; T 1 隔震后体系的基本周期, 不应大于 2.0s 和 5 倍特征周期的较大值

21 2) 与砌体结构周期相当的结构, 其水平向减震系数宜根据隔震后整个体系的基本周期, 按下式确定 β = 1.2 η ( T / T ) ( T / T ) γ 2 g 1 0 T 0 非隔震结构的计算周期, 当小于特征周期时应采用特征周期的数值 ; T 1 隔震后体系的基本周期, 不应大于 5 倍特征周期值 ; T g 特征周期 3) 砌体结构及与其基本周期相当的结构, 隔震后体系的基本周期可按下式计算 T1 = 2 π G / Khg G 为隔震层以上结构的重力荷载代表值 ; K h 隔震层的水平等效刚度 g 0.9

22 3. 隔震层设计及计算 隔震支座应该满足以下具体要求 : 1) 隔震支座在表 9-1 所列的压应力下的极限水平变位, 应大于其有效直径的 0.55 倍和各橡胶层总厚度 3 倍二者的较大值 2) 在经历相应设计基准期的耐久试验后, 隔震支座刚度 阻尼特性变化不超过初期值的 ±20%; 徐变量不超过各橡胶层总厚度的 5% 3) 在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下, 拉应力不应大于 1MPa 4) 各橡胶隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力不应超过表 9-1 的规定

23 橡胶支座限制压应力和拉应力的原因 : 根据规定隔震支座中不宜出现拉应力, 主要是考虑以下因素 : 首先, 橡胶受拉后内部出现损伤, 降低了支座的弹性性能 ; 其次, 隔震支座出现拉应力, 意味着上部结构存在倾覆危险 ; 第三, 橡胶支座在拉伸应力下滞回特性的实物实验尚不充分 (2) 隔震支座地震剪力计算 1) 计算原则 隔震支座的水平剪力应按照隔震层在罕遇地震作用下的水平剪力依各支座的水平刚度分配 当考虑扭转作用时, 还应计入隔震支座的抗扭刚度

24 2) 砌体结构隔震支座简化计算 隔震层在罕遇地震下的水平剪力宜采用时程分析法计算 对于符合前述条件的基底隔震砌体结构及动力特性与之相当的结构, 可以采用下面简化公式计算隔震层在罕遇地震下的剪力 λ s V = λα ξ ( ) c s 1 eq 近场系数, 当处于发震断层 5km 以内取 1.5,5km~ 10km 取 1.25,10km 以外取 1.0; α ξ 罕遇地震作用下地震影响系数 ( ) 1 eq 隔震层质心处在罕遇地震下的水平位移可按下式计算 μ = λα ( ) / 1 ζ G G K e s eq h

25 地震作用方向 刚心位置 e 质心位置 i 支座 Si b 当上部结构的质心与隔震层刚度中心不重合时 : 仅考虑单向地震作用的扭转时, 扭转影响系数 η = esi /( a b ) e 上部结构质心与隔震层刚度中心在垂直于地震作用方向的偏心距 ; a s i 第 i 个隔震支座与隔震层刚度中心在垂直于地震作用方向的距离 ; a b 隔震层平面的两个边长 考虑双向地震作用的扭转时, 扭转影响系数计算同上式, 但偏心距计算如下 : e= e + (0.85 e ) 2 2 x y e= e + (0.85 e ) 2 2 y x 对边支座, 其扭转影响系数不宜小于 1.15; 当隔震层和上部结构采取有效的抗扭措施后或扭转周期小于平动周期的 70%, 扭转影响系数可取 1.15

26 (3) 隔震支座侧移限值 隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移, 应满足 u i [ u ] u = β u i i i c u i 罕遇地震作用下, 第 i 个隔震支座考虑扭转的水平位移 [u i ] 第 i 个隔震支座的水平位移限值 ; 对橡胶隔震支座, 不应超过该支座有效直径的 0.55 倍和支座各橡胶总厚度 3.0 倍二者的较小值 ; u c 罕遇地震下隔震层质心处或不考虑扭转的水平位移 ; β i 第 i 个隔震支座的扭转影响系数, 应取考虑扭转和不考虑扭转时 i 支座计算位移的比值 ; 当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心在两个主轴方向均无偏心时, 边支座的扭转影响系数不应小于 1.15

27 罕遇地震作用下隔震层水平侧移 u c 宜采用时程分析法计算, 砌体结构或动力特性与之相当的结构可采用简化计算方法 : u = V K c c h 对高宽比较大的结构, 应进行罕遇地震作用下结构整体抗倾覆验算和隔震支座承载力验算, 且抗倾覆验算安全系数应大于 1.2

28 4. 隔震层以上结构的地震作用计算隔震层以上结构的地震作用, 可沿结构高度按矩形分布, 其水平向减震系数为按设防烈度下弹性计算时, 隔震各层间剪力 ( 隔震支座水平剪切应变为 100% 时 ) 与非隔震各层间剪力的最大比值 对高层建筑的水平向减震系数, 除了按上述方法计算外, 还应按设防烈度下计算隔震与非隔震两种情况各层倾覆力矩的最大比值, 并与层间剪力的最大比值相比较, 取二者的较大值 隔震后结构水平地震作用计算的水平地震影响系数最大值 : β 水平向减震系数 ; α = βα / ψ max1 max ψ 调整系数 ; 一般橡胶支座, 取 0.80; 支座剪切性能偏差为 S-A 类, 取 0.85; 隔震装置带有阻尼器时, 相应减少 0.05

29 5. 隔震结构的隔震措施 一般规定 : 1) 为保证隔震层在罕遇地震下发生大变形, 隔震层上部结构的周边应设置竖向隔离缝, 缝宽不宜小于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的 1.2 倍且不小于 200mm 对两相邻隔震结构, 其缝宽取最大水平位移值之和, 且不小于 400mm 2) 隔震层上部结构与下部结构之间, 应设置完全贯通的水平隔离缝, 缝高可取 20mm, 并用柔性材料填充, 当设置水平隔离缝确有困难时, 应设置可靠的水平滑移垫层 3) 穿越隔震层的门廊 楼梯 电梯 车道等部位, 应防止可能的碰撞

30 4) 对于隔震层以上结构的抗震措施, 当水平向减震系数大于 0.40( 设置阻尼器时为 0.38) 时, 不应降低非隔震建筑的有关要求 ; 水平向减震系数不大于 0.40 ( 设置阻尼器时为 0.38) 时, 可适当降低对非隔震建筑的要求, 但烈度降低不得超过 1 度, 与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不应降低 6. 连接构造 1) 隔震支座与上部结构连接 隔震层顶部应设置梁板式楼盖, 在与隔震支座的相关部位应采用现浇混凝土梁板结构, 现浇板厚度不应小于 160mm

31 隔震层顶部梁 板的刚度和承载力, 宜大于一般楼盖梁板的刚度和承载力 隔震支座附近的梁 柱应计算冲切和局部承压, 加密箍筋并根据需要配置网状钢筋 2) 隔震支座和阻尼器连接 隔震支座和阻尼装置应安装在便于维护人员接近的部位 隔震支座与上部结构 下部结构之间的连接件, 应能传递罕遇地震下支座的最大水平剪力和弯矩 隔震支座外露的预埋件应有可靠的防锈措施 预埋件的锚固钢筋应与钢板牢固连接, 锚固钢筋的锚固长度宜大于 20 倍锚固钢筋直径, 且不应小于 250mm

32 7. 隔震层以下的结构和基础设计要求 隔震层支墩 支柱及相连构件, 应采用罕遇地震下隔震支座底部的竖向力 水平力和力矩进行承载力验算 隔震层以下的结构 ( 包括地下室和隔震塔楼下的底盘 ) 中直接支承隔震层以上结构的相关构件, 应满足嵌固的刚度比和设防烈度下的抗震承载力要求, 并按罕遇地震下进行抗剪承载力验算 隔震层以下地面以上的结构在罕遇地震下的层间位移角限值应满足表 9-4 要求 隔震建筑地基基础的抗震验算和地基处理仍应按本地区抗震设防烈度进行, 甲 乙类建筑的抗液化措施应按提高一个液化等级确定, 直至全部消除液化沉陷

33 9.3 结构消能减震原理与方法 结构消能减震原理 将结构中某些构件 ( 如支撑 剪力墙等 ) 设计成消能部件或在结构节点或连接等部位安装阻尼器 在强烈地震作用下, 消能部件和阻尼器首先进入非弹性状态, 消耗大量地震能量, 使主体结构避免进入明显的非弹性状态, 进而保护主体结构 传统抗震结构 Ein = Er + Ec + Es 消能减震结构 Ein = Er + Ec + Es + Ea E in 地震时输入结构的地震能量 ;E r 结构振动的动能和势能 ;E c 结构阻尼消耗的能量 ;E s 结构构件非弹性变形消耗的能量 ; E a 消能装置所消耗的能量

34 结构耗能减震原理可以从两方面来认识 : 从能量观点, 地震输入结构的能量是一定的, 传统结构把主体结构本身作为耗能构件, 依靠承重构件的塑性变形来消耗能量, 结构严重损伤, 虽能避免倒塌, 但不易修复 而耗能减震是通过耗能装置本身的损坏来保护主体结构安全, 利用耗能装置的耗能能力和阻尼作用, 可以大大减轻地震时结构构件损伤, 震后只需修复耗能装置, 即可使主体结构恢复工作 从动力学观点, 耗能装置作用相当于增大结构阻尼, 从而减小结构的动力反应 特别是在共振区, 阻尼对抑制反应的作用明显, 对于复杂结构体系来说, 由于频谱较密, 当承受宽带激励时, 要完全避免共振是不可能的, 在这种情况下, 增大阻尼就是一种有效的减振方法

35 9.3.2 消能装置构造 1. 消能支撑 消能支撑可以做成方框 圆框 交叉支撑 斜撑 K 形支撑等多种形式, 可以代替一般结构支撑, 在地震时发挥其水平刚度和耗能能力 消能方框 ( a) 消能装置 消能圆框 ( b) 消能装置 弹塑性装置 ( c ) ( d ) ( e)

36

37 2. 消能剪力墙 消能缝 消能缝 消能缝 ( a) 消能缝 ( b) 弹塑性材料 ( c ) ( d ) ( e)

38 3. 消能节点和消能连接 在结构的梁柱节点等部位安装消能节点可以通过消能装置的变形消耗地震能量 消能装置 消能装置

39 9.3.3 阻尼器 阻尼器是工程中使用的主要的消能部件, 根据消能机制不同可分为摩擦阻尼器 刚弹塑性阻尼器 铅挤压阻尼器 黏弹性阻尼器 黏滞性阻尼器等 ; 根据其消能的依赖性主要分为速度相关性 ( 如黏弹性阻尼器 黏性液体阻尼器 ) 位移相关型 ( 如摩擦阻尼器 金属屈服阻尼器 铅挤压阻尼器 ) 其他类型阻尼器等

40 1. 金属阻尼器 用软钢或其他软金属材料做成, 通过金属的屈服滞回耗散结构振动的部分能量, 从而减小结构反应 典型的有 x 形板和三角形板阻尼器 h b

41 2. 摩擦阻尼器 摩擦阻尼器由受有预紧力的金属或其他固体元件构成, 这些元件之间能够相互滑动并产生摩擦力, 其减震机理是通过摩擦原理耗散结构的振动能量 摩擦制动钢板 螺母 摩擦钢板 Pall 摩擦阻尼器

42 3. 铅挤压阻尼器 铅挤压阻尼器由外筒 可动轴和铅组成, 地震作用下, 铅发生塑性流动, 起到消能阻尼的作用 外筒挤压口支撑 可动轴 铅 密封

43 4. 黏弹性阻尼器 F/ 2 F/ 2 钢板 黏弹性阻尼器由黏弹性材料和约束钢板组成, 在反复轴向力作用下, 约束 T 形钢板与中间钢板产生相对运动, 使黏弹性材料产生往复剪切滞回变形, 以吸收和耗散能量 美国纽约 110 层世界贸易中心大厦安装的粘弹性阻尼器如下图 F 阻尼材料 钢板

44 5. 黏性液体阻尼器 黏性液体阻尼器一般由缸体 活塞和黏性液体所组成, 当活塞在缸体简内做往复运动时, 液体从活塞上的小孔通过, 对活塞和缸体的相对运动产生阻尼, 从而消耗振动能量 金属波纹管 带小孔活塞头 迷宫式衬套交换通道活塞杆

45 9.3.4 房屋消减震设计 ⒈ 消能减震设计计算要点 (1) 消能部件的设置应符合罕遇地震作用下结构预期位移的控制要求, 并根据需要沿结构的两个主轴方向分别设置 (2) 由于加上消能部件后不改变主体承载结构的基本形式, 除消能部件外的结构设计仍应符合 建筑抗震规范 相应类型结构的要求 因此, 计算消能减震结构的关键是确定结构的总刚度和总阻尼 (3) 消能减震结构的计算分析宜采用静力非线性分析方法或非线性时程分析方法

46 (4) 当主体结构基本处于弹性工作阶段时, 可采用线性分析方法作简化估算, 并根据结构的变形特征和高度等, 分别采底剪力法振型解应谱法用部 分反和时程分析法 (5) 消能减震结构的总刚度为结构刚度和消能部件有效刚度的总和 (6) 消能减震结构的总阻尼比为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比的总和 (7) 消能减震结构的层间弹性位移角限值, 框架结构宜采用 1/80

47 ⒉ 消能部件附加给结构的有效阻尼比和有效刚度计算 消能器的有效刚度可取消能器的恢复力滞回环在相对水平位移 Δu j 时的割线刚度 消能部位附加给结构的有效阻尼比可按下式估算 : ξ = W 4πW ( ) a cj s j W cj 第 j 个消能部件在结构预期层间位移 Δu j 下往复循环一周所消耗的能量 ; W s 设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能

48 不考虑扭转影响时, 消能减震结构在水平地震作用下的总应变能, 可按下式进行估算 : W = ( 12) F u s i i F i 质点 i 的水平地震作用标准值 ; u i 质点 i 对应于水平地震作用标准值的位移 速度线性相关型消能器在水平地震作用下往复循环一周所消耗的能量计算公式 : ( π ) 1 W = 2 T C cos2θ Δu 2 2 cj j j j T 1 消能减震结构的基本自振周期 ; C j 第 j 个消能器由试验确定的线性阻尼系数 ; θ j 第 j 个消能器的消能方向与水平面的夹角 ; Δu j 第 j 个消能器两端的相对水平位移

49 位移相关型和速度非线性相关型消能器在水平地震作用下往复循环一周所消耗的能量计算 : W cj = A j 为第 j 个消能器的恢复力滞回环在相对水平位移 Δu j 时的面积 ⒊ 消能部件的设计参数 A 速度线性相关型消能器与斜撑 墙体和梁等支承构件组成消能部件时, 支承构件沿消能器消能方向的刚度应满足式 : K b (6π/T 1 )C D C D 消能器的线性阻尼系数 ;T 1 消能减震结构的基本自振周期 j

50 黏弹性消能器的黏弹性材料单层厚度 : Δu [ γ ] /[ ] t Δu γ 沿消能器方向的最大可能的位移 ; 黏弹性材料允许的最大剪切应变 位移相关型消能器与斜撑 墙体和梁等支承构件组成消能部件时, 消能部件的恢复力模型参数宜符合下式的要求 Δu py Δu sy Δu Δu py sy 23 消能部件在水平方向的屈服位移或起滑位移 ; 设置消能部件的结构层间屈服位移

51 4. 消能器的性能要求 (1) 消能器应具有足够的吸收和耗散地震能量的能力和恰当的阻尼 消能部件附加给结构的有效阻尼比宜大于 10%, 超过 20% 时宜按 20% 计算 (2) 消能部件应具有足够的初始刚度 (3) 消能器应具有优良的耐久性能, 能长期保持其初始性能 (4) 消能器构造应简单, 施工方便, 易维护 (5) 消能器与斜支撑 填充墙 梁或节点的连接, 应符合钢构件连接或钢与钢筋混凝土构件连接的构造要求, 并能承担消能器施加给连接节点的最大作用力

52 9.3.5 结构被动调谐减震控制 结构被动调谐减震控制体系是由结构及附加在其上的子结构组成 通过调整子结构的自振频率, 使之尽量接近结构基本频率 在地震作用下, 子结构将产生一个与结构振动方向相反的惯性力, 从而使主结构振动反应减小并受到控制 目前常用的结构被动调谐减震控制装置主要有 : 调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器

53 子结构为质量 弹簧系统的称为 调频质量阻尼器 (Tuned Mass Damper, 简称 TMD), 由于无需外部能量供给控制系统, 该子结构又称被动调频质量阻尼器 (PassiveTuned Mass Damper, 简称 P-TMD) 子结构为荡液水箱的称为 调频液体阻尼器 (Tuned Liguid Damper, 简称 TLD)

54 1986 年, 日本在千叶港口的了望塔上采用了 P-TMD 体系

55 日本大阪 Crystal Wall 大楼采用了 TLD 体系, 由 6 个 90t 的水槽组成

56 本章小结 1. 结构振动控制方法 : 隔震 消能减震 被动控制 主动控制 ; 2. 结构隔震原理 隔震装置的要求 常用隔振装置 ; 3. 隔震设计计算简图 计算方法 设计要点 ; 4. 结构消能减震原理, 常用消能减震装置的构造 阻尼器 ; 5. 结构消能减震设计计算要点 ;

57 本章结束, 谢谢!

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