含阻尼器廣東工業(yè)大學課件

第4章結構隔震、消能和減震控制廣東工業(yè)大學建設學院韋愛鳳1第4章結構隔震、消能和減震控制廣東工業(yè)大學建設學院韋傳統(tǒng)的抗震設計方法傳統(tǒng)的抗震設計方法：“小震不壞，中震可修，大震不倒”結構進入彈塑性狀態(tài)常規(guī)做法加大構件截面，提高結構剛度存在問題：

安全性問題發(fā)生突發(fā)性的超過設防烈度地震適應性問題建筑物內部重要的設備、儀器、計算機網(wǎng)絡、急救指揮系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、醫(yī)院醫(yī)療設備對建筑物的抗震性能有更高要求經濟性問題以“抗”為主，構件斷面越大，結構剛度越大，地震作用也越大….建筑技術的發(fā)展要求高強輕質材料的應用2傳統(tǒng)的抗震設計方法傳統(tǒng)的抗震設計方法：“小震不壞，中震可修，4.1結構隔震、消能和減震控制總論4.1.1結構控制的減震機理結構減震控制——通過改變或調整結構的動力特性或動力作用

在建筑結構的特定部位裝設某種裝置（如隔震支座），裝設某種機構（如消能支撐、消能剪力墻、消能節(jié)點，消能器等）裝設某種子結構（如調頻質量等）施加外力（外部能量輸入）使結構的動力反應（加速度、速度、位移）明顯減少，并得到合理的控制確保結構本身及結構中的人、儀器、設備、裝潢等的安全和處于正常的使用環(huán)境狀態(tài)34.1結構隔震、消能和減震控制總論4.1.1結構控制的減一般結構的動力方程式：4一般結構的動力方程式：44.1.2結構控制度內容及分類第一種分類按技術方法分第二種分類按是否有外部能源輸入分第三種分類按與結構頻率相關性分54.1.2結構控制度內容及分類第一種分類按技術方圖4.1結構減震控制按技術方法分類結構減震控制結構隔震SeismicIsolation消能減震EnergyDissipation質量調諧減震TMD,TLD等主動、半主動控制AMD,AVS,AVSD等混合控制HybridControl6圖4.1結構減震控制按技術方法分類結構減震控制結構隔震消圖4.2結構減震控制按是否有外部能源輸入分類結構隔震消能減震質量調諧主動質量阻尼器主動拉索或支撐主動變剛度，變阻尼主動變剛度－阻尼混合控制（部分能源輸入）混合主動、被動控制智能材料自控主動、半主動控制（有外部能源輸入）被動控制（無外部能源輸入）結構減震控制7圖4.2結構減震控制按是否有外部能源輸入分類結構隔震消能減88圖4.3結構減震控制按結構頻率相關性分類結構減震控制頻率相關控制頻率無關控制避開共振頻率消能減震質量調諧主動外加控制隔震主動變剛度被動質量調諧混合質量調諧主動質量阻尼器主動質量驅動裝置避開主動拉索系統(tǒng)主動變剛度，變阻尼主動支撐系統(tǒng)智能材料自控消能支撐消能剪力墻消能節(jié)點各種消能9圖4.3結構減震控制按結構頻率相關性分類結構減震控制頻率相關4.1.3結構控制的特點和優(yōu)越性減震控制結構的地震反應與傳統(tǒng)抗震結構的地震反應的比值大約為：隔震結構8％～50％消能結構40％～60％TMD被動控制結構40％～60％主動或半主動控制結構10％～50％104.1.3結構控制的特點和優(yōu)越性減震控制結構的地震反應與表4.1結構控制的特點及優(yōu)越性新舊抗震抗風體系相對比結構控制體系優(yōu)越性傳統(tǒng)體系結構控制體系抗震概念及途徑“硬抗”地震或風；加強結構；加粗斷面“以柔克剛”新概念；調整結構動力特性；隔震、消能或控制有效減震；經濟；建筑設計不受太多限制；檢測修復方便設計依據(jù)按預定設防烈度考慮突發(fā)性超烈度大地震確保安全保護對象只保護結構本身既保護結構，也保護結構內部設備、儀器、裝修等滿足現(xiàn)代社會要求適用范圍新設計的結構物新結構物、舊結構物的耐震改良；一般建筑、重要建筑、儀器設備適用范圍廣11表4.1結構控制的特點及優(yōu)越性新舊抗震抗風體系相對比結構4.1.4結構減震控制的應用范圍及技術成熟性名稱應用范圍技術成熟性隔震結構水平剛度較大的，或高寬比較小的多層、高層建筑，或要求地震中確保安全的建筑物、橋梁、設備、儀器等安全可靠，明顯有效減震，技術很成熟消能減震結構水平剛度較小的，或高寬比較大的多層、高層建筑，塔架，管線等安全可靠，明顯有效減震，技術成熟質量調頻（TMD等）主振型較為明顯和穩(wěn)定的多層、高層、超高層建筑，塔架，大跨度橋梁等視情況不同，可有效減震，技術基本成熟半主動控制（AVS,AVSD）對抗震抗風要求較高的高層、超高層建筑，塔架等有效減震，較為經濟簡易，技術尚未十分成熟主動控制（AMD等）對抗震抗風要求較高的高層、超高層建筑，塔架等有效減震，較為昂貴復雜，技術尚未成熟124.1.4結構減震控制的應用范圍及技術成熟性名稱應用范圍技術4.2結構隔震4.2.1結構隔震體系的基本特性結構隔震體系——結構物底部（或某層間部位）設置隔震裝置而形成的結構體系134.2結構隔震4.2.1結構隔震體系的基本特性1314141.承載特性隔震裝置豎向承載能力2.隔震特性隔震裝置可變的水平剛度特性強風或微小地震具有足夠的剛度中強地震變柔3.復位特性隔震裝置水平彈性恢復力4.阻尼消能特性隔震裝置足夠的阻尼隔震體系必須滿足的四個基本特性151.承載特性隔震體系必須滿足的四個基本特性154.2.2結構隔震體系的減震機理1.結構隔震動力分析模型164.2.2結構隔震體系的減震機理1.結構隔震動力分析模型2.隔震結構加速度反應分析結構體系動力微分方程式：隔震結構體系的固有頻率ωn、阻尼比ζ:172.隔震結構加速度反應分析結構體系動力微分方程式：17設地面的場地特征頻率為ω，地面地震加速度反應為，由式（4.4）可求出定義為隔震結構“加速度反應衰減比”18設地面的場地特征頻率為ω，地面地震加速度反應為當已知：隔震結構體系要求的“加速度反應衰減比”Ra場地特征頻率與隔震裝置的固有頻率之比求得隔震層所要求的阻尼比19193.結構隔震減震分析203.結構隔震減震分析20（1）當時，Ra<1結構體系為隔震結構體系，結構的地震反應被衰減，越大，Ra越小，減震效果越好；（2）當時，Ra>1結構體系為傳統(tǒng)抗震結構體系，結構的地震反應被放大；（3）當時，Ra>>1傳統(tǒng)抗震結構與場地共振21（1）當一般場地的特征周期Tg＝0.25～0.90s，特征頻率ω＝1.1～4.0Hz一般的多層房屋，結構的自振周期Tn＝0.2～1.2s,自振頻率ωn＝0.8～5.0Hz采用夾層橡膠隔震支座的隔震結構，能使結構的自振周期延長至Tn＝2～5s,自振頻率ωn＝0.2～0.5Hz，一般能滿足的要求。22一般場地的特征周期Tg＝0.25～0.90s，特征頻率ω＝14.2.3結構隔震的優(yōu)越性及應用范圍1.結構隔震的優(yōu)越性：（1）明顯有效地減輕結構的地震反應試驗結果強震記錄加速度1/2~1/12(2)確保安全上部結構層間位移小，加速度反應小，彈性狀態(tài)（3）房屋造價增加少上部結構造價減小，隔震裝置增加造價（5％），總造價增加不多，對高烈度地區(qū)總造價降低。234.2.3結構隔震的優(yōu)越性及應用范圍1.結構隔震的優(yōu)越性：2（4）抗震措施簡單明了主要是隔震層的設計（5）震后無須修復建筑物不損壞，只要檢查隔震裝置（6）上部結構的建筑設計限制較小超高砌體房屋，大開間靈活單元多層住宅房屋，不規(guī)則建筑結構物24（4）抗震措施簡單明了242.結構隔震的工程應用

隔震與消能減震設計，應主要應用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震設防烈度為8、9度的建筑。

（1）要求確保地震時人們生命安全的建筑物或構筑物（2）地震區(qū)重要的生命線工程（3）較重要的建筑結構物（4）內部有重要的設備儀器的建筑結構物（5）橋梁、架空輸水渠等重要結構252.結構隔震的工程應用隔震與消能減震設計，應主要應用于使用（6）重要歷史文物、重要藝術珍品、需確保地震中得到保護的各種中珍貴物品等的局部隔震（7）重要設備、儀器、雷達站、天文臺等需確保地震中得到保護的各種重要裝備或構筑物的局部隔震（8）建筑物、結構物內部需特別進行局部保護的樓層，可設局部隔震區(qū)（9）已有的建筑物、結構物或設備、儀器、設施等不符合抗震要求者，可采用隔震技術進行隔震加固改良，使其能確保強地震中的安全。26（6）重要歷史文物、重要藝術珍品、需確保地震中得到保護的各種4.2.4結構隔震的分類和成熟性274.2.4結構隔震的分類和成熟性27“夾層橡膠支座”的成熟性：豎向承載能力大隔震效果明顯、穩(wěn)定具有穩(wěn)定的彈性復位功能構造簡單，安裝方便耐久性較好可安裝在不同的標高位置，且受建筑物的地基不均勻沉降的影響不十分敏感28“夾層橡膠支座”的成熟性：豎向承載能力大28結構隔震的分類按“隔震裝置”分夾層橡膠支座摩擦滑移隔震層滾動隔震層支承式擺動隔震混合隔震裝置29結構隔震的分類按“隔震裝置”分夾層橡膠支座摩擦滑移隔震層滾動按“隔震層位置”分基礎隔震層間隔震橋梁橋墩頂隔震屋架或網(wǎng)架支座隔震房屋內部隔震30按“隔震層位置”分基礎隔震層間隔震橋梁橋墩頂隔震屋架或網(wǎng)架支隔震層的位置31隔震層的位置31隔震層的位置32隔震層的位置324.2.5結構隔震房屋的設計計算內容和步驟結構隔震控制目標的確定依據(jù)：設防烈度及場地條件工程結構重要性確定：結構地震作用（降低幅度）結構加速度反應容許值常規(guī)結構設計結構體系和布置結構構件（斷面、配筋等）結構荷載（恒載，使用荷載，環(huán)境干擾荷載，地震，風等）結構內力（軸力，剪力，彎矩）地基基礎設計結構傾覆穩(wěn)定計算隔震裝置選用隔震裝置性能：承載力，剛度，阻尼，變形能力等隔震裝置確定：類型，布置，數(shù)量334.2.5結構隔震房屋的設計計算內容和步驟結構隔震控制目標的結構隔震作用計算結構地震作用，減震系數(shù)（層間剪力比值）結構地震加速度反應上部結構抗傾覆，抗風驗算隔震結構抗震驗算上部結構強度，變形驗算下部結構強度，變形驗算隔震層最大位移驗算隔震建筑構造設計連接點設計隔離縫構造處理樓梯及各種建筑構造節(jié)點管線柔性處理結構隔震體系動力參數(shù)確定設計計算模型隔震層剛度，阻尼比隔震體系振型自振周期輸入地震波34結構隔震作用計算隔震結構抗震驗算隔震建筑構造設計結構隔震體系4.2.6結構隔震計算要點隔震設計應根據(jù)預期的水平向減震系數(shù)和位移控制要求，選擇適當?shù)母粽鹬ё?含阻尼器)及為抵抗地基微震動與風荷載提供初剛度的部件組成結構的隔震層。

隔震支座應進行豎向承載力的驗算和罕遇地震下水平位移的驗算。

隔震層以上結構的水平地震作用應根據(jù)水平向減震系數(shù)確定；其豎向地震作用標準值，8度和9度時分別不應小于隔震層以上結構總重力荷載代表值的20％和40％。

354.2.6結構隔震計算要點隔震設計應根據(jù)預期的水平向減震系數(shù)（1）水平地震作用的計算方法等效側力法（相當于底部剪力法）時程分析法滿足下列條件的隔震房屋，可用等效側力法：非隔震時，結構基本周期小于1.0s(剛度大）體型基本規(guī)則，且抗震計算符合采用底部剪力法的結構建筑場地為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，并選用穩(wěn)定性好的基礎類型水平荷載標準值（除地震作用外）產生的總水平力，不超過0.1G隔震層設置在結構第一層以下的部位其他情況，除采用等效側力法計算外，尚應采用時程分析法計算36（1）水平地震作用的計算方法36（2）關于地震作用計算的規(guī)定①水平地震作用沿高度可采用矩形分布水平地震影響系數(shù)的最大值＝水平向減震系數(shù)*αmax水平向減震系數(shù)應根據(jù)結構隔震與非隔震兩種情況下各層層間剪力的最大比值確定表4.3確定水平向減震系數(shù)的比值劃分

層間剪力最大比值0.530.350.260.18水平減震系數(shù)0.750.500.380.2537（2）關于地震作用計算的規(guī)定層間剪力最大比值0.530.35②9度時和8度且水平向減震系數(shù)為0.25時，隔震層以上的結構應進行豎向地震作用的計算；8度且水平向減震系數(shù)不大于0.5時，宜進行豎向地震作用的計算。

隔震層以上結構豎向地震作用標準值計算時，各樓層可視為質點，計算豎向地震作用標準值沿高度的分布。

采用本地區(qū)的設防烈度38②9度時和8度且水平向減震系數(shù)為0.25時，隔震層以上的結③隔震層以下結構(包括地下室)的地震作用和抗震驗算，應采用罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和偏心矩進行計算

39③隔震層以下結構(包括地下室)的地震作用和抗震驗算，應采用罕④隔震支座水平動剛度和等效粘滯阻尼比由試驗確定對多遇地震驗算宜采用水平加載頻率為0.3Hz且隔震支座剪切變形為50％的水平剛度和等效粘滯阻尼比對罕遇地震驗算，直徑小于600mm的隔震支座宜采用水平加載頻率為0.1Hz且隔震支座剪切變形不小于250％時的水平動剛度和等效粘滯阻尼比直徑不小于600mm的隔震支座可采用水平加載頻率為0.2Hz且隔震支座剪切變形為100％時的水平動剛度和等效粘滯阻尼比

40④隔震支座水平動剛度和等效粘滯阻尼比由試驗確定40（3）等效側力法的有關規(guī)定①隔震房屋的基本周期式中

T1

—隔震體系的基本周期；

G—隔震層以上結構的重力荷載代表值；

K—隔震層的水平動剛度；

g

—重力加速度。

41（3）等效側力法的有關規(guī)定①隔震房屋的基本周期41②隔震層的水平動剛度和等效粘滯阻尼比計算：

K＝ΣKj

(4-9)K─隔震層水平動剛度；Kj─j隔震支座(含阻尼器)由試驗確定的水平動剛度，當試驗發(fā)現(xiàn)動剛度與加載頻率有關時，宜取相應于隔震體系基本自振周期的動剛度值

ζeq＝ΣKjζj／K(4-10)

ζeq─隔震層等效粘滯阻尼比；ζj

─j隔震支座由試驗確定的等效粘滯阻尼比，單獨設置的阻尼器時，應包括該阻尼器的相應阻尼比；42②隔震層的水平動剛度和等效粘滯阻尼比計算：③結構層間剪力計算Vik－層間剪力標準值；Fjk－作用于質點j的水平地震作用標準值；43③結構層間剪力計算43④隔震層水平位移計算u－隔震層水平位移；FEK－上部結構底部總剪力標準值；λs－近場系數(shù)λs甲乙類建筑距發(fā)震斷層距離（Km)55~1010λs1.51.21.0丙類建筑λs＝1.044④隔震層水平位移計算甲乙類建筑距發(fā)震斷層距離（Km)55~1⑤要考慮扭轉影響采用有效的抗扭措施或扭轉周期小于平動周期的70％時，扭轉影響系數(shù)可取1.1545⑤要考慮扭轉影響454.2.7隔震層計算要點（1）隔震支座的受壓承載力設計值形狀系數(shù)當形狀系數(shù)S1>=15,S2>=5時甲類建筑<=10MPa乙類建筑<=12MPa丙類建筑<=15MPa(d<300mm,<=12MPa)5>S2>=4,降低20％，4>S2>=3,降低40％464.2.7隔震層計算要點（1）隔震支座的受壓承載力設計值46（2）隔震層的連接部位按罕遇地震作用進行強度驗算（3）抗風裝置驗算VRw－抗風裝置的水平承載力設計值Vwk－風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值rw=1.447（2）隔震層的連接部位按罕遇地震作用進行強度驗算47(4)隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移應滿足：Umax－罕遇地震作用扭轉影響隔震支座最大位移d－隔震支座直徑tr—隔震支座橡膠層總厚度48(4)隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移應滿足：48隔震支座的構造要求（1）與上部結構、下部結構可靠連接（2）與上部結構、下部結構之間的連接螺栓和錨固鋼筋驗算考慮：罕遇地震作用水平剪力、豎向力、偏心距錨固鋼筋的錨固長度>20d>=250mm49隔震支座的構造要求（1）與上部結構、下部結構可靠連接495050(3)形狀系數(shù)的要求一般S1>=15S2>=5d－橡膠的有效直徑；d0—橡膠支座中間開孔的直徑；a－矩形截面橡膠支座的長邊尺寸；b—矩形截面橡膠支座的短邊尺寸；tr!－每一橡膠層的厚度；tr－橡膠層的總厚度；51(3)形狀系數(shù)的要求514.3結構消能減震4.3.1結構消能減震體系的基本特征設置消能器控制預期的結構變形，在罕遇地震下不發(fā)生嚴重破壞524.3結構消能減震4.3.1結構消能減震體系的基本特征5減震特性消耗能量傳統(tǒng)體系構件破壞消能體系消能構件（非承重構件）ER結構物地震反應的能量；ED結構阻尼消耗的能量(5%)；ES構件損壞消耗的能量；

EA消能裝置消耗的能量；53減震特性消耗能量53消能減震體系減震原理示意圖54消能減震體系減震原理示意圖54消能減震體系的基本特點（1）同時減少水平和豎向地震作用，適應范圍廣，結構類型和高度不受限制（2）消能裝置應使結構具有足夠的附加阻尼（3）消能裝置不改變結構的基本形式，增加了消能部件和相關部件結構設計要求不變55消能減震體系的基本特點（1）同時減少水平和豎向地震作用，適應4.3.2結構消能減震的減震機理消能裝置提供阻尼消耗能量減小地震反應564.3.2結構消能減震的減震機理消能裝置提供阻尼4.3.3結構消能減震的優(yōu)越性及應用范圍優(yōu)越性：（1）安全性結構地震反應減少40％～60％，主體結構及構件免遭破壞（2）經濟性傳統(tǒng)抗震結構硬抗消能減震結構“柔性消能”減少剪力墻的設置，減小構造斷面，減少配筋，安全性反而提高（3）技術合理性剛度大地震作用大結構剛度大574.3.3結構消能減震的優(yōu)越性及應用范圍優(yōu)越性：57應用范圍：層數(shù)越多，跨度越大，變形越大，消能減震效果越明顯（1）高層、超高層建筑（2）高柔結構，高聳塔架（3）大跨度橋梁（4）柔性管道，管線（生命線工程）（5）舊有高柔建筑或結構物的抗震（抗風）性能的改善提高58應用范圍：584.3.4結構消能減震體系的分類按消能裝置性能分其他類型速度相關型位移相關型粘滯型：油阻尼器，液態(tài)阻尼器粘彈型：粘彈性材料金屬屈服型：軟鋼，鉛摩擦阻尼裝置鉛－橡膠阻尼器形狀記憶合金594.3.4結構消能減震體系的分類按消能裝置性能分其他類型速度按構件形式分消能支撐消能剪力墻消能節(jié)點消能連接消能支承或懸吊構件60按構件形式分消能支撐消能剪力墻消能節(jié)點消能連接消能支承或懸吊4.3.5結構消能減震房屋設計計算要點1.設計步驟：（1）計算未采用消能減震結構的位移，預計結構的控制位移（2）計算附加阻尼（3）選擇消能裝置，確定其數(shù)量、布置和提供的阻尼大?。?）設計相應的耗能構件（5）進行整體分析，確認是否滿足位移控制要求614.3.5結構消能減震房屋設計計算要點1.設計步驟：612.計算方法線性分析方法當主體結構基本處于彈性工作階段時采用根據(jù)結構的變形特征和高度等，按本規(guī)范的規(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)消能減震結構的總阻尼比按規(guī)范規(guī)定采用。一般情況下，宜采用靜力非線性分析或非線性時程分析方法。

622.計算方法線性分析方法當主體結構基本處于彈性工作階段3.耗能減震結構的總剛度和總阻尼比消能減震結構的總剛度=結構剛度+消能部件有效剛度

消能減震結構的總阻尼比=結構阻尼比+消能部件附加給結構的有效阻尼比

633.耗能減震結構的總剛度和總阻尼比消能減震結構的總剛度=634.消能部件附加給結構的有效阻尼比

1.消能部件附加的有效阻尼比ζa：

ζa＝Wc／(4πWs)(4.26)

ζa─消能減震結構的附加有效阻尼比；

Wc

─所有消能部件在結構預期位移下往復一周所消耗的能量；

Ws─設置消能部件的結構在預期位移下的總應變能。

644.消能部件附加給結構的有效阻尼比1.消能部件附加的有效消能減震結構在其水平地震作用下的總應變能

2不計及扭轉影響時，消能減震結構在其水平地震作用下的總應變能，可按下式估算：

Ws＝(1/2)∑Fiui

(4.27)

Fi─質點i的水平地震作用標準值；

ui

─質點i對應于水平地震作用標準值的位移。

65消能減震結構在其水平地震作用下的總應變能2不計及扭轉影消能器在水平地震作用下所消耗的能量3速度線性相關型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算：

Wc＝(2π2/T1)∑Cjcos2θj△uj2(4.28)

T1─消能減震結構的基本自振周期；

Cj─第j個消能器由試驗確定的線性阻尼系數(shù)；

θj─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。

當消能器的阻尼系數(shù)和有效剛度與結構振動周期有關時，可取相應于消能減震結構基本自振周期的值。

66消能器在水平地震作用下所消耗的能量3速度線性相關型消能器消能器在水平地震作用下所消耗的能量4位移相關型、速度非線性相關型和其它類型消能器在水平地震作用下所消耗的能量，可按下式估算：

Wc＝∑Aj(4.29)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。

消能器的有效剛度可取消能器的恢復力滯回環(huán)在相對水平位移△uj時的割線剛度。消能部件附加給結構的有效阻尼比超過20％時，宜按20％計算。

67消能器在水平地震作用下所消耗的能量4位移相關型、速度非4.3.7耗能裝置的典型構造形式684.3.7耗能裝置的典型構造形式68消能支撐類型69消能支撐類型69消能支撐類型70消能支撐類型70消能支撐類型71消能支撐類型71消能墻類型72消能墻類型72消能墻類型73消能墻類型73消能節(jié)點類型74消能節(jié)點類型74消能節(jié)點類型75消能節(jié)點類型754.4結構主動減震控制簡介結構主動控制：利用外部能源（計算機控制系統(tǒng)或智能材料）瞬時施加控制力、瞬時改變結構的動力特性（剛度或阻尼）迅速衰減和控制結構振動反應764.4結構主動減震控制簡介結構主動控制：76————END——————77————END——————77第4章結構隔震、消能和減震控制廣東工業(yè)大學建設學院韋愛鳳78第4章結構隔震、消能和減震控制廣東工業(yè)大學建設學院韋傳統(tǒng)的抗震設計方法傳統(tǒng)的抗震設計方法：“小震不壞，中震可修，大震不倒”結構進入彈塑性狀態(tài)常規(guī)做法加大構件截面，提高結構剛度存在問題：

安全性問題發(fā)生突發(fā)性的超過設防烈度地震適應性問題建筑物內部重要的設備、儀器、計算機網(wǎng)絡、急救指揮系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、醫(yī)院醫(yī)療設備對建筑物的抗震性能有更高要求經濟性問題以“抗”為主，構件斷面越大，結構剛度越大，地震作用也越大….建筑技術的發(fā)展要求高強輕質材料的應用79傳統(tǒng)的抗震設計方法傳統(tǒng)的抗震設計方法：“小震不壞，中震可修，4.1結構隔震、消能和減震控制總論4.1.1結構控制的減震機理結構減震控制——通過改變或調整結構的動力特性或動力作用

在建筑結構的特定部位裝設某種裝置（如隔震支座），裝設某種機構（如消能支撐、消能剪力墻、消能節(jié)點，消能器等）裝設某種子結構（如調頻質量等）施加外力（外部能量輸入）使結構的動力反應（加速度、速度、位移）明顯減少，并得到合理的控制確保結構本身及結構中的人、儀器、設備、裝潢等的安全和處于正常的使用環(huán)境狀態(tài)804.1結構隔震、消能和減震控制總論4.1.1結構控制的減一般結構的動力方程式：81一般結構的動力方程式：44.1.2結構控制度內容及分類第一種分類按技術方法分第二種分類按是否有外部能源輸入分第三種分類按與結構頻率相關性分824.1.2結構控制度內容及分類第一種分類按技術方圖4.1結構減震控制按技術方法分類結構減震控制結構隔震SeismicIsolation消能減震EnergyDissipation質量調諧減震TMD,TLD等主動、半主動控制AMD,AVS,AVSD等混合控制HybridControl83圖4.1結構減震控制按技術方法分類結構減震控制結構隔震消圖4.2結構減震控制按是否有外部能源輸入分類結構隔震消能減震質量調諧主動質量阻尼器主動拉索或支撐主動變剛度，變阻尼主動變剛度－阻尼混合控制（部分能源輸入）混合主動、被動控制智能材料自控主動、半主動控制（有外部能源輸入）被動控制（無外部能源輸入）結構減震控制84圖4.2結構減震控制按是否有外部能源輸入分類結構隔震消能減858圖4.3結構減震控制按結構頻率相關性分類結構減震控制頻率相關控制頻率無關控制避開共振頻率消能減震質量調諧主動外加控制隔震主動變剛度被動質量調諧混合質量調諧主動質量阻尼器主動質量驅動裝置避開主動拉索系統(tǒng)主動變剛度，變阻尼主動支撐系統(tǒng)智能材料自控消能支撐消能剪力墻消能節(jié)點各種消能86圖4.3結構減震控制按結構頻率相關性分類結構減震控制頻率相關4.1.3結構控制的特點和優(yōu)越性減震控制結構的地震反應與傳統(tǒng)抗震結構的地震反應的比值大約為：隔震結構8％～50％消能結構40％～60％TMD被動控制結構40％～60％主動或半主動控制結構10％～50％874.1.3結構控制的特點和優(yōu)越性減震控制結構的地震反應與表4.1結構控制的特點及優(yōu)越性新舊抗震抗風體系相對比結構控制體系優(yōu)越性傳統(tǒng)體系結構控制體系抗震概念及途徑“硬抗”地震或風；加強結構；加粗斷面“以柔克剛”新概念；調整結構動力特性；隔震、消能或控制有效減震；經濟；建筑設計不受太多限制；檢測修復方便設計依據(jù)按預定設防烈度考慮突發(fā)性超烈度大地震確保安全保護對象只保護結構本身既保護結構，也保護結構內部設備、儀器、裝修等滿足現(xiàn)代社會要求適用范圍新設計的結構物新結構物、舊結構物的耐震改良；一般建筑、重要建筑、儀器設備適用范圍廣88表4.1結構控制的特點及優(yōu)越性新舊抗震抗風體系相對比結構4.1.4結構減震控制的應用范圍及技術成熟性名稱應用范圍技術成熟性隔震結構水平剛度較大的，或高寬比較小的多層、高層建筑，或要求地震中確保安全的建筑物、橋梁、設備、儀器等安全可靠，明顯有效減震，技術很成熟消能減震結構水平剛度較小的，或高寬比較大的多層、高層建筑，塔架，管線等安全可靠，明顯有效減震，技術成熟質量調頻（TMD等）主振型較為明顯和穩(wěn)定的多層、高層、超高層建筑，塔架，大跨度橋梁等視情況不同，可有效減震，技術基本成熟半主動控制（AVS,AVSD）對抗震抗風要求較高的高層、超高層建筑，塔架等有效減震，較為經濟簡易，技術尚未十分成熟主動控制（AMD等）對抗震抗風要求較高的高層、超高層建筑，塔架等有效減震，較為昂貴復雜，技術尚未成熟894.1.4結構減震控制的應用范圍及技術成熟性名稱應用范圍技術4.2結構隔震4.2.1結構隔震體系的基本特性結構隔震體系——結構物底部（或某層間部位）設置隔震裝置而形成的結構體系904.2結構隔震4.2.1結構隔震體系的基本特性1391141.承載特性隔震裝置豎向承載能力2.隔震特性隔震裝置可變的水平剛度特性強風或微小地震具有足夠的剛度中強地震變柔3.復位特性隔震裝置水平彈性恢復力4.阻尼消能特性隔震裝置足夠的阻尼隔震體系必須滿足的四個基本特性921.承載特性隔震體系必須滿足的四個基本特性154.2.2結構隔震體系的減震機理1.結構隔震動力分析模型934.2.2結構隔震體系的減震機理1.結構隔震動力分析模型2.隔震結構加速度反應分析結構體系動力微分方程式：隔震結構體系的固有頻率ωn、阻尼比ζ:942.隔震結構加速度反應分析結構體系動力微分方程式：17設地面的場地特征頻率為ω，地面地震加速度反應為，由式（4.4）可求出定義為隔震結構“加速度反應衰減比”95設地面的場地特征頻率為ω，地面地震加速度反應為當已知：隔震結構體系要求的“加速度反應衰減比”Ra場地特征頻率與隔震裝置的固有頻率之比求得隔震層所要求的阻尼比96193.結構隔震減震分析973.結構隔震減震分析20（1）當時，Ra<1結構體系為隔震結構體系，結構的地震反應被衰減，越大，Ra越小，減震效果越好；（2）當時，Ra>1結構體系為傳統(tǒng)抗震結構體系，結構的地震反應被放大；（3）當時，Ra>>1傳統(tǒng)抗震結構與場地共振98（1）當一般場地的特征周期Tg＝0.25～0.90s，特征頻率ω＝1.1～4.0Hz一般的多層房屋，結構的自振周期Tn＝0.2～1.2s,自振頻率ωn＝0.8～5.0Hz采用夾層橡膠隔震支座的隔震結構，能使結構的自振周期延長至Tn＝2～5s,自振頻率ωn＝0.2～0.5Hz，一般能滿足的要求。99一般場地的特征周期Tg＝0.25～0.90s，特征頻率ω＝14.2.3結構隔震的優(yōu)越性及應用范圍1.結構隔震的優(yōu)越性：（1）明顯有效地減輕結構的地震反應試驗結果強震記錄加速度1/2~1/12(2)確保安全上部結構層間位移小，加速度反應小，彈性狀態(tài)（3）房屋造價增加少上部結構造價減小，隔震裝置增加造價（5％），總造價增加不多，對高烈度地區(qū)總造價降低。1004.2.3結構隔震的優(yōu)越性及應用范圍1.結構隔震的優(yōu)越性：2（4）抗震措施簡單明了主要是隔震層的設計（5）震后無須修復建筑物不損壞，只要檢查隔震裝置（6）上部結構的建筑設計限制較小超高砌體房屋，大開間靈活單元多層住宅房屋，不規(guī)則建筑結構物101（4）抗震措施簡單明了242.結構隔震的工程應用

隔震與消能減震設計，應主要應用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震設防烈度為8、9度的建筑。

（1）要求確保地震時人們生命安全的建筑物或構筑物（2）地震區(qū)重要的生命線工程（3）較重要的建筑結構物（4）內部有重要的設備儀器的建筑結構物（5）橋梁、架空輸水渠等重要結構1022.結構隔震的工程應用隔震與消能減震設計，應主要應用于使用（6）重要歷史文物、重要藝術珍品、需確保地震中得到保護的各種中珍貴物品等的局部隔震（7）重要設備、儀器、雷達站、天文臺等需確保地震中得到保護的各種重要裝備或構筑物的局部隔震（8）建筑物、結構物內部需特別進行局部保護的樓層，可設局部隔震區(qū)（9）已有的建筑物、結構物或設備、儀器、設施等不符合抗震要求者，可采用隔震技術進行隔震加固改良，使其能確保強地震中的安全。103（6）重要歷史文物、重要藝術珍品、需確保地震中得到保護的各種4.2.4結構隔震的分類和成熟性1044.2.4結構隔震的分類和成熟性27“夾層橡膠支座”的成熟性：豎向承載能力大隔震效果明顯、穩(wěn)定具有穩(wěn)定的彈性復位功能構造簡單，安裝方便耐久性較好可安裝在不同的標高位置，且受建筑物的地基不均勻沉降的影響不十分敏感105“夾層橡膠支座”的成熟性：豎向承載能力大28結構隔震的分類按“隔震裝置”分夾層橡膠支座摩擦滑移隔震層滾動隔震層支承式擺動隔震混合隔震裝置106結構隔震的分類按“隔震裝置”分夾層橡膠支座摩擦滑移隔震層滾動按“隔震層位置”分基礎隔震層間隔震橋梁橋墩頂隔震屋架或網(wǎng)架支座隔震房屋內部隔震107按“隔震層位置”分基礎隔震層間隔震橋梁橋墩頂隔震屋架或網(wǎng)架支隔震層的位置108隔震層的位置31隔震層的位置109隔震層的位置324.2.5結構隔震房屋的設計計算內容和步驟結構隔震控制目標的確定依據(jù)：設防烈度及場地條件工程結構重要性確定：結構地震作用（降低幅度）結構加速度反應容許值常規(guī)結構設計結構體系和布置結構構件（斷面、配筋等）結構荷載（恒載，使用荷載，環(huán)境干擾荷載，地震，風等）結構內力（軸力，剪力，彎矩）地基基礎設計結構傾覆穩(wěn)定計算隔震裝置選用隔震裝置性能：承載力，剛度，阻尼，變形能力等隔震裝置確定：類型，布置，數(shù)量1104.2.5結構隔震房屋的設計計算內容和步驟結構隔震控制目標的結構隔震作用計算結構地震作用，減震系數(shù)（層間剪力比值）結構地震加速度反應上部結構抗傾覆，抗風驗算隔震結構抗震驗算上部結構強度，變形驗算下部結構強度，變形驗算隔震層最大位移驗算隔震建筑構造設計連接點設計隔離縫構造處理樓梯及各種建筑構造節(jié)點管線柔性處理結構隔震體系動力參數(shù)確定設計計算模型隔震層剛度，阻尼比隔震體系振型自振周期輸入地震波111結構隔震作用計算隔震結構抗震驗算隔震建筑構造設計結構隔震體系4.2.6結構隔震計算要點隔震設計應根據(jù)預期的水平向減震系數(shù)和位移控制要求，選擇適當?shù)母粽鹬ё?含阻尼器)及為抵抗地基微震動與風荷載提供初剛度的部件組成結構的隔震層。

隔震支座應進行豎向承載力的驗算和罕遇地震下水平位移的驗算。

隔震層以上結構的水平地震作用應根據(jù)水平向減震系數(shù)確定；其豎向地震作用標準值，8度和9度時分別不應小于隔震層以上結構總重力荷載代表值的20％和40％。

1124.2.6結構隔震計算要點隔震設計應根據(jù)預期的水平向減震系數(shù)（1）水平地震作用的計算方法等效側力法（相當于底部剪力法）時程分析法滿足下列條件的隔震房屋，可用等效側力法：非隔震時，結構基本周期小于1.0s(剛度大）體型基本規(guī)則，且抗震計算符合采用底部剪力法的結構建筑場地為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，并選用穩(wěn)定性好的基礎類型水平荷載標準值（除地震作用外）產生的總水平力，不超過0.1G隔震層設置在結構第一層以下的部位其他情況，除采用等效側力法計算外，尚應采用時程分析法計算113（1）水平地震作用的計算方法36（2）關于地震作用計算的規(guī)定①水平地震作用沿高度可采用矩形分布水平地震影響系數(shù)的最大值＝水平向減震系數(shù)*αmax水平向減震系數(shù)應根據(jù)結構隔震與非隔震兩種情況下各層層間剪力的最大比值確定表4.3確定水平向減震系數(shù)的比值劃分

層間剪力最大比值0.530.350.260.18水平減震系數(shù)0.750.500.380.25114（2）關于地震作用計算的規(guī)定層間剪力最大比值0.530.35②9度時和8度且水平向減震系數(shù)為0.25時，隔震層以上的結構應進行豎向地震作用的計算；8度且水平向減震系數(shù)不大于0.5時，宜進行豎向地震作用的計算。

隔震層以上結構豎向地震作用標準值計算時，各樓層可視為質點，計算豎向地震作用標準值沿高度的分布。

采用本地區(qū)的設防烈度115②9度時和8度且水平向減震系數(shù)為0.25時，隔震層以上的結③隔震層以下結構(包括地下室)的地震作用和抗震驗算，應采用罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和偏心矩進行計算

116③隔震層以下結構(包括地下室)的地震作用和抗震驗算，應采用罕④隔震支座水平動剛度和等效粘滯阻尼比由試驗確定對多遇地震驗算宜采用水平加載頻率為0.3Hz且隔震支座剪切變形為50％的水平剛度和等效粘滯阻尼比對罕遇地震驗算，直徑小于600mm的隔震支座宜采用水平加載頻率為0.1Hz且隔震支座剪切變形不小于250％時的水平動剛度和等效粘滯阻尼比直徑不小于600mm的隔震支座可采用水平加載頻率為0.2Hz且隔震支座剪切變形為100％時的水平動剛度和等效粘滯阻尼比

117④隔震支座水平動剛度和等效粘滯阻尼比由試驗確定40（3）等效側力法的有關規(guī)定①隔震房屋的基本周期式中

T1

—隔震體系的基本周期；

G—隔震層以上結構的重力荷載代表值；

K—隔震層的水平動剛度；

g

—重力加速度。

118（3）等效側力法的有關規(guī)定①隔震房屋的基本周期41②隔震層的水平動剛度和等效粘滯阻尼比計算：

K＝ΣKj

(4-9)K─隔震層水平動剛度；Kj─j隔震支座(含阻尼器)由試驗確定的水平動剛度，當試驗發(fā)現(xiàn)動剛度與加載頻率有關時，宜取相應于隔震體系基本自振周期的動剛度值

ζeq＝ΣKjζj／K(4-10)

ζeq─隔震層等效粘滯阻尼比；ζj

─j隔震支座由試驗確定的等效粘滯阻尼比，單獨設置的阻尼器時，應包括該阻尼器的相應阻尼比；119②隔震層的水平動剛度和等效粘滯阻尼比計算：③結構層間剪力計算Vik－層間剪力標準值；Fjk－作用于質點j的水平地震作用標準值；120③結構層間剪力計算43④隔震層水平位移計算u－隔震層水平位移；FEK－上部結構底部總剪力標準值；λs－近場系數(shù)λs甲乙類建筑距發(fā)震斷層距離（Km)55~1010λs1.51.21.0丙類建筑λs＝1.0121④隔震層水平位移計算甲乙類建筑距發(fā)震斷層距離（Km)55~1⑤要考慮扭轉影響采用有效的抗扭措施或扭轉周期小于平動周期的70％時，扭轉影響系數(shù)可取1.15122⑤要考慮扭轉影響454.2.7隔震層計算要點（1）隔震支座的受壓承載力設計值形狀系數(shù)當形狀系數(shù)S1>=15,S2>=5時甲類建筑<=10MPa乙類建筑<=12MPa丙類建筑<=15MPa(d<300mm,<=12MPa)5>S2>=4,降低20％，4>S2>=3,降低40％1234.2.7隔震層計算要點（1）隔震支座的受壓承載力設計值46（2）隔震層的連接部位按罕遇地震作用進行強度驗算（3）抗風裝置驗算VRw－抗風裝置的水平承載力設計值Vwk－風荷載作用下隔震層的水平剪力標準值rw=1.4124（2）隔震層的連接部位按罕遇地震作用進行強度驗算47(4)隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移應滿足：Umax－罕遇地震作用扭轉影響隔震支座最大位移d－隔震支座直徑tr—隔震支座橡膠層總厚度125(4)隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移應滿足：48隔震支座的構造要求（1）與上部結構、下部結構可靠連接（2）與上部結構、下部結構之間的連接螺栓和錨固鋼筋驗算考慮：罕遇地震作用水平剪力、豎向力、偏心距錨固鋼筋的錨固長度>20d>=250mm126隔震支座的構造要求（1）與上部結構、下部結構可靠連接4912750(3)形狀系數(shù)的要求一般S1>=15S2>=5d－橡膠的有效直徑；d0—橡膠支座中間開孔的直徑；a－矩形截面橡膠支座的長邊尺寸；b—矩形截面橡膠支座的短邊尺寸；tr!－每一橡膠層的厚度；tr－橡膠層的總厚度；128(3)形狀系數(shù)的要求514.3結構消能減震4.3.1結構消能減震體系的基本特征設置消能器控制預期的結構變形，在罕遇地震下不發(fā)生嚴重破壞1294.3結構消能減震4.3.1結構消能減震體系的基本特征5減震特性消耗能量傳統(tǒng)體系構件破壞消能體系消能構件（非承重構件）ER結構物地震反應的能量；ED結構阻尼消耗的能量(5%)；ES構件損壞消耗的能量；

EA消能裝置消耗的能量；130減震特性消耗能量53消能減震體系減震原理示意圖131消能減震體系減震原理示意圖54消能減震體系的基本特點（1）同時減少水平和豎向地震作用，適應范圍廣，結構類型和高度不受限制（2）消能裝置應使結構具有足夠的附加阻尼（3）消能裝置不改變結構的基本形式，增加了消能部件和相關部件結構設計要求不變132消能減震體系的基本特點（1）同時減少水平和豎向地震作用，適應4.3.2結構消能減震的減震機理消能裝置提供阻尼消耗能量減小地震反應1334.3.2結構消能減震的減震機理消能裝置提供阻尼4.3.3結構消能減震的優(yōu)越性及應用范圍優(yōu)越性：（1）安全性結構地震反應減少40％～60％，主體結構及構件免遭破壞（2）經濟性傳統(tǒng)抗震結構硬抗消能減震結構“柔性消能”減少剪力墻的設置，減小構造斷面，減少配筋，安全性反而提高（3）技術合理性剛度大地震作用大結構剛度大1344.3.3結構消能減震的優(yōu)越性及應用范圍優(yōu)越性：57應用范圍：層數(shù)越多，跨度越大，變形越大，消能減震效果越明顯（1）高層、超高層建筑（2）高柔結構，高聳塔架