《建筑结构抗震》课程授课教案（讲义）第六章隔震、减震与结构控制初步.doc

讲义166隔震、减震与结构控制初步6.1结构抗囊设计思想的演化与发展由震源产生的地震力，通过一定途径传递到建筑物所在场地，引起结构的地震反应。一般来说，建筑物的地震位移反应沿高度从下向上逐级加大，而地震内力则自上而下逐级增加。当建筑结构某些部分的地震力超过该部分所能承受的力时，结构就将产生破坏。在抗震设计的早期，人们曾企图将结构物设计为“刚性结构体系”。这种体系的结构地震反应接近地面地震运动，一般不发生结构强度破坏。但这样做的结果必然导致材料的浪费诚如著名的地震工程专家Rosenblatt所说的那样：“为了满足我们的要求，人类所有财富可能都是不够的，大量的一般结构将成为碉堡。”作为刚性结构体系的对立体系，人们还设想了“柔性结构体系”，即通过大大减少结构物的刚性来避免结构与地面运动发生类共振，从而减轻地震力。但是，这种结构体系在地震动作用下结构位移过大，在较小的地震时即可能影响结构的正常使用，同时，将各类工程结构都设计为柔性结构体系，也存在实践上的困难。长期的抗震工程实践证明：将一般股结构物设计为“延性结构”是合宜的。通过适当控制结构物的刚度与强度，使结构构件在强烈地震时进入非弹性状态后仍具有较大的延性，从而可以通过塑性变形消耗地震能量，使结构物至少保证“坏而不倒”，这就是对“延性结构体系”的基本要求。在现代抗震设计中，实现延性结构体系设计是工程师所追求的抗震基本目标。然而，延性结构体系的结构，仍然是处于被动地抵御地震作用的地位。对于多数建筑物，当遭遇相当于当地基本烈度的地震袭击时，结构即可能进入非弹性破坏状态，从而导致建筑物装修与内部设备的破坏，造成巨大的经济损失。对于某些生命线工程（如电力、通讯部门的核心建筑，结构及内部设备的破坏可以导致生命线网络的瘫痪，所造成的损失更是难以估量。所以，随着现代化社会的发展，各种昂贵设备在建筑物内部配置的增加，延性结构体系的应用也有了一定的局限性。面对新的社会要求，各国地震工程学家一直在寻求新的结构抗震设计途径。以隔震、减震、制振技术为特色的结构控制设计理论与实践，便是这种努力的结果。隔震，是通过某种隔离装置将地震动与结构隔开，以达到减小结构振动的目的。隔震方法主要有基底隔震和悬挂隔震等类型。减震，是通过采用一定的耗能装置或附加子结构吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动。减震方法主要有耗能减震、吸振减震、冲击减震等类型。狭义的制振技术又称结构主动控制。它是通过自动控制系统主动地给结构施加控制力，以期达到减小结构振动的目的。目前，结构隔震技术已基本进入实用阶段，而对于减震与制振技术，则正处于研究、探索并部分应用于工程实践的时期。6.2隔麗原理与方法6.2.1隔震原理

讲义 16 6 隔震、减震与结构控制初步 6．1 结构抗震设计思想的演化与发展由震源产生的地震力，通过一定途径传递到建筑物所在场地，引起结构的地震反应。一般来说，建筑物的地震位移反应沿高度从下向上逐级加大，而地震内力则自上而下逐级增加。当建筑结构某些部分的地震力超过该部分所能承受的力时，结构就将产生破坏。在抗震设计的早期，人们曾企图将结构物设计为“刚性结构体系”。这种体系的结构地震反应接近地面地震运动，一般不发生结构强度破坏。但这样做的结果必然导致材料的浪费，诚如著名的地震工程专家 Rosenblatt 所说的那样：“为了满足我们的要求，人类所有财富可能都是不够的，大量的一般结构将成为碉堡。”作为刚性结构体系的对立体系，人们还设想了“柔性结构体系”，即通过大大减少结构物的刚性来避免结构与地面运动发生类共振，从而减轻地震力。但是，这种结构体系在地震动作用下结构位移过大，在较小的地震时即可能影响结构的正常使用，同时，将各类工程结构都设计为柔性结构体系，也存在实践上的困难。长期的抗震工程实践证明：将一般结构物设计为“延性结构”是合宜的。通过适当控制结构物的刚度与强度，使结构构件在强烈地震时进入非弹性状态后仍具有较大的延性，从而可以通过塑性变形消耗地震能量，使结构物至少保证“坏而不倒”，这就是对“延性结构体系” 的基本要求。在现代抗震设计中，实现延性结构体系设计是工程师所追求的抗震基本目标。然而，延性结构体系的结构，仍然是处于被动地抵御地震作用的地位。对于多数建筑物，当遭遇相当于当地基本烈度的地震袭击时，结构即可能进入非弹性破坏状态，从而导致建筑物装修与内部设备的破坏，造成巨大的经济损失。对于某些生命线工程（如电力、通讯部门的核心建筑），结构及内部设备的破坏可以导致生命线网络的瘫痪，所造成的损失更是难以估量。所以，随着现代化社会的发展，各种昂贵设备在建筑物内部配置的增加，延性结构体系的应用也有了一定的局限性。面对新的社会要求，各国地震工程学家一直在寻求新的结构抗震设计途径。以隔震、减震、制振技术为特色的结构控制设计理论与实践，便是这种努力的结果。隔震，是通过某种隔离装置将地震动与结构隔开，以达到减小结构振动的目的。隔震方法主要有基底隔震和悬挂隔震等类型。减震，是通过采用一定的耗能装置或附加子结构吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动。减震方法主要有耗能减震、吸振减震、冲击减震等类型。狭义的制振技术又称结构主动控制。它是通过自动控制系统主动地给结构施加控制力，以期达到减小结构振动的目的。目前，结构隔震技术已基本进入实用阶段，而对于减震与制振技术，则正处于研究、探索并部分应用于工程实践的时期。 6．2 隔震原理与方法 6．2．1 隔震原理

这里主要介绍基底隔震方法。基底隔震的基本思想是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶面分离开，从而限制地震动向结构物的传递。大量试验研究工作表明：合理的结构隔震设计一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从而可以有效地减轻结构的地震破坏，提高结构物的地震安全性。隔震的技术原理可以用图8.1进一步阐明。图中所示为一般的地震反应谱。首先，隔震层通常具有较大的阻尼，从而使结构所受地震作用较非隔震结构有较大的衰减。其次，隔震层具有很小的侧移刚度，从而大大延长了结构物的周期，因而，结构加速度反应得到进一步降低（图8.1a）。与此同时，结构位移反应在一定程度上增加（图6.1b）。反反1普通中低层建筑物-阻尼的增加应位加移普通中低速阻尼的增加度层建筑物隔震：周期延Y减振：附长+阻尼增加I加阻尼隔震：周期延酒减振：附加阻尼长+阻尼增加1To周期T:ToT周期(b）位移反应谱(a）加速度反应谱图6-1隔震原理鉴于上述技术原理，在进行基底隔震结构设计时应注意：1：在满足必要的竖向承载力的前提下，隔震装置的水平刚度应尽可能小，以使结构周期尽可能远离地震动的卓越周期范围：2.保证隔震结构在强风作用下不致有太大的位移。为此，通常要求在隔震结构系统底部安装风稳定装置或用阻尼器与隔震装置联合构成基底隔震系统。6.2.2隔震分析模型隔震建筑系统的动力分析模型可根据具体情况选用单质点模型、多质点模型甚至空间分析模型。当上部结构侧移刚度远大于隔震层的水平刚度时，可以近似认为上部结构是一个风体，从而将隔震结构简化为单质点模型进行分析，其动力平衡方程形式为(6.1)mx+cx+kx=-mx式中，m一结构的总质量：c,k一隔震层的阻尼系数和水平刚度：mn戈xx一上部简化刚体相对于地面的加速度、速度与位移：Mn-1x。一地面加速度过程。当要求分析上部结构的细部地震反应时，可以采用多质点模型或空m2间分析模型。这些模型可视为在常规结构分析模型底部加入隔震层简化mi模型的结果。例如，对于多质点模型，隔震层可用一个水平刚度为k，Kr阻尼系数为C的结构层简化之（图6-2）。Sea

普通中低层建筑物阻尼的增加隔震：周期延长+阻尼增加周期减振：附加阻尼反应加速度 (a) 加速度反应谱钢板反应位移减振：附加阻尼阻尼的增加 (b) 位移反应谱普通中低层建筑物周期隔震：周期延长+阻尼增加图8-1 隔震原理图8-2 隔震结构计算简图这里主要介绍基底隔震方法。基底隔震的基本思想是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶面分离开，从而限制地震动向结构物的传递。大量试验研究工作表明：合理的结构隔震设计一般可使结构的水平地震加速度反应降低 60%左右，从而可以有效地减轻结构的地震破坏，提高结构物的地震安全性。隔震的技术原理可以用图 8.1 进一步阐明。图中所示为一般的地震反应谱。首先，隔震层通常具有较大的阻尼，从而使结构所受地震作用较非隔震结构有较大的衰减。其次，隔震层具有很小的侧移刚度，从而大大延长了结构物的周期，因而，结构加速度反应得到进一步降低（图 8.1a）。与此同时，结构位移反应在一定程度上增加（图 6.1b）。图 6-1 隔震原理鉴于上述技术原理，在进行基底隔震结构设计时应注意： 1．在满足必要的竖向承载力的前提下，隔震装置的水平刚度应尽可能小，以使结构周期尽可能远离地震动的卓越周期范围； 2．保证隔震结构在强风作用下不致有太大的位移。为此，通常要求在隔震结构系统底部安装风稳定装置或用阻尼器与隔震装置联合构成基底隔震系统。 6．2．2 隔震分析模型隔震建筑系统的动力分析模型可根据具体情况选用单质点模型、多质点模型甚至空间分析模型。当上部结构侧移刚度远大于隔震层的水平刚度时，可以近似认为上部结构是一个刚体，从而将隔震结构简化为单质点模型进行分析，其动力平衡方程形式为 g m  x  + cx  + kx = −m  x  （6.1）式中， m —结构的总质量； c, k —隔震层的阻尼系数和水平刚度；  x  , x  , x —上部简化刚体相对于地面的加速度、速度与位移； g  x  —地面加速度过程。当要求分析上部结构的细部地震反应时，可以采用多质点模型或空间分析模型。这些模型可视为在常规结构分析模型底部加入隔震层简化模型的结果。例如，对于多质点模型，隔震层可用一个水平刚度为 k ，阻尼系数为 c 的结构层简化之（图 6-2）

图6-2简化模型其中，水平动刚度计算式为(6.2)K.K=式中：N一一隔震支座数量；K，一一第i个隔震支座的水平动刚度。等效粘滞阻尼比计算式为：NZK5.g=(6.3)Kh式中：，一一第i个隔震支座的等效粘滞阻尼比。这样，就可以采用本书第三章所述的时程分析方法进行隔震结构系统的地震反应分析。显然，也可以采用反应谱方法进行隔震结构的地震反应分析，但这时采用的反应谱应是经过阻尼比调整后的反应谱曲线。采用隔震装置的隔震结构，可以有效地降低隔震层以上结构的水平地震作用。我国建筑抗震设计规范采用水平向减震系数的概念来反映这一特点，且规定：隔震结构水平地震作用沿高度采用矩形分布，水平向地震影响系数最大值采用非隔震结构水平地震影响系数最大值与水平向减震系数的乘积。而水平向减震系数可根据结构隔震与非隔震两种情况下的层间剪力的最大比值按表6-1确定。水平向减震系数不宜低于0.25，且隔震结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用。表 6-1层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系0.530.350.260.18层间剪力最大比值0.500.25水平向减震系数0.750.386.2.3常用隔震装置1.橡胶支座隔震橡胶支座是最常见的隔震装置。常见的橡胶支座分为钢板叠层橡胶支座、铝芯橡胶支座、石墨橡胶支座等类型。钢板叠层橡胶支座由橡胶片和薄钢板叠合而成（图6-3）。由于薄钢板对橡胶片的横向变形有限制作用，因而使支座竖向刚度较纯橡胶支座大大增加。支座的橡胶层总厚度越小，所能承受的竖向荷载越大。为了提高叠层橡胶支座的阻尼，发明了铝芯橡胶支座（图6-4）这种隔震支座在叠层橡胶支座中间钻孔灌入铝芯而成。铝芯可以提高支座大变形时的吸能能力。一般说来，普通叠层橡胶支座内阻尼较小，常需配合阻尼器一起使用，而铝芯橡胶支座由于集隔震器与阻尼器于一身，因而可以独立使用。在天然橡胶中加入石墨，也可以大幅度橡胶支座的阻尼，但石墨橡胶支座在实际中应用还不多

其中，水平动刚度计算式为， = = N i Kh Ki 1 （6.2）式中： N ——隔震支座数量； Ki ——第 i 个隔震支座的水平动刚度。等效粘滞阻尼比计算式为： h N i i i eq K K = = 1   （6.3）式中： i  ——第 i 个隔震支座的等效粘滞阻尼比。这样，就可以采用本书第三章所述的时程分析方法进行隔震结构系统的地震反应分析。显然，也可以采用反应谱方法进行隔震结构的地震反应分析，但这时采用的反应谱应是经过阻尼比调整后的反应谱曲线。采用隔震装置的隔震结构，可以有效地降低隔震层以上结构的水平地震作用。我国建筑抗震设计规范采用水平向减震系数的概念来反映这一特点，且规定：隔震结构水平地震作用沿高度采用矩形分布，水平向地震影响系数最大值采用非隔震结构水平地震影响系数最大值与水平向减震系数的乘积。而水平向减震系数可根据结构隔震与非隔震两种情况下的层间剪力的最大比值按表 6-1 确定。水平向减震系数不宜低于 0.25，且隔震结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在 6 度设防时的总水平地震作用。表 6-1 层间剪力最大比值与水平向减震系数的对应关系层间剪力最大比值 0.53 0.35 0.26 0.18 水平向减震系数 0.75 0.50 0.38 0.25 6．2．3 常用隔震装置 1．橡胶支座隔震橡胶支座是最常见的隔震装置。常见的橡胶支座分为钢板叠层橡胶支座、铝芯橡胶支座、石墨橡胶支座等类型。钢板叠层橡胶支座由橡胶片和薄钢板叠合而成（图 6-3）。由于薄钢板对橡胶片的横向变形有限制作用，因而使支座竖向刚度较纯橡胶支座大大增加。支座的橡胶层总厚度越小，所能承受的竖向荷载越大。为了提高叠层橡胶支座的阻尼，发明了铝芯橡胶支座（图 6-4），这种隔震支座在叠层橡胶支座中间钻孔灌入铝芯而成。铝芯可以提高支座大变形时的吸能能力。一般说来，普通叠层橡胶支座内阻尼较小，常需配合阻尼器一起使用，而铝芯橡胶支座由于集隔震器与阻尼器于一身，因而可以独立使用。在天然橡胶中加入石墨，也可以大幅度橡胶支座的阻尼，但石墨橡胶支座在实际中应用还不多。图 6-2 简化模型

《建筑结构抗震》课程授课教案（讲义）第六章 隔震、减震与结构控制初步

《建筑结构抗震》课程授课教案（讲义）第六章隔震、减震与结构控制初步