工程結構消能減震設計簡介

工程結構消能減震設計簡介第一頁，共45頁。6.1概述（2）建筑費用和成本大幅度增加傳統(tǒng)方法是在設計時提高材料強度、加大構件（結構）剛度，其結果是斷面越大，剛度越大，使用面積減少，建筑物自重增大，地震作用亦隨之增大。（3）適用范圍受到限制傳統(tǒng)抗震方法采用的是延性結構體系，允許結構部件在強震時發(fā)生比較大的塑性變形，以消耗地震能量，減輕地震反應，這種方法對于某些不容許在地震中出現(xiàn)破壞的結構、或內部有貴重裝飾、重要設備儀器的結構是不適用的。第二頁，共45頁。6.1概述（4）施工難度大結構構件和節(jié)點的鋼筋配置過密，9度區(qū)甚至無法排布。（5）建筑物的高度受到限制等。為克服傳統(tǒng)抗震方法的缺陷，結構振動控制技術（簡稱“結構控制”）逐漸發(fā)展起來。結構控制的概念：通過對結構施加控制機構，由控制機構與結構共同承受振動作用，以調諧和減輕結構的振動反應，使它在外界干擾作用下的各項反應值被控制在允許范圍內。

第三頁，共45頁。6.1概述結構控制的概念：在工程結構的特定部位裝設某種裝置（如隔震墊等）、或某種機構（如消能支撐、消能剪力墻、消能節(jié)點、消能器等）、或某種子結構（如調頻質量等）、或施加外力（外部能量輸入）、或調整結構的動力特性，使工程結構在地震（或風）的作用下，其結構的動力反應（加速度、速度、位移）得到合理的控制，從而確保結構本身及結構中的人、儀器設備、裝修等的安全或處于正常的使用狀態(tài)。結構控制技術按控制措施實施的方式不同，一般分為被動控制（PassiveControl）、主動控制（ActiveControl）、半主動控制（Semi—ActiveControl）和混合控制（HybridControl）四類。第四頁，共45頁。6.1概述（1）被動控制（PassiveControl）①隔震：在建筑物適當部位設置隔震裝置，切斷或削弱地面運動向上部結構的傳遞，并提供適當?shù)淖枘幔瑥亩股喜拷Y構的地震作用大大降低，耗能能力加強。如疊層橡膠墊支座、高阻尼橡膠墊支座、滑移隔震支座和混合隔震裝置等。第五頁，共45頁。6.1概述②結構自控：通過在結構中優(yōu)選耗能材料和耗能桿件，設置多道抗震防線達到耗能減振的目的。

常見的有：豎向通縫SW（剪力墻）、周邊縫SW、雙功能連梁、帶抗震連梁的SW、頂層為剛性連梁的SW、偏交支撐、梁端設塑性鉸的框架、懸掛式結構、底層設消能縫的磚混結構。第六頁，共45頁。6.1概述③結構附加裝置控制：在結構的適當位置安放耗能減振裝置，以達到耗能減振的目的。

主要有：各種耗能支撐、預應力摩擦墻、金屬阻尼器、摩擦阻尼器、調頻質量阻尼器（TMD）、調頻液體阻尼器（TLD）、粘滯流體阻尼器和粘彈性阻尼器等等。第七頁，共45頁。6.1概述（2）主動控制（ActiveControl）指有外加能源的控制，其工作原理為：第八頁，共45頁。6.1概述

常見的類型有：主動調頻質量阻尼器(ActiveTunedMassDamper,

簡稱AMD)；主動支撐系統(tǒng)（ActiveBrace）；主動拉索控制器（ActiveTendon）；主動空氣擋風板控制器（ActiveAerodynamicAppendayes）等。第九頁，共45頁。6.1概述（3）混合控制（HybridControl）

混合控制是將主動控制與被動控制同時施加在同一結構上的結構振動控制形式。從其元素所起作用的相對大小來看，有兩種組合方式：

一種是主從組合方式，即以某一控制為主控制部件，其他部件通過主要部件實現(xiàn)對結構的控制。第十頁，共45頁。6.1概述

另一種是并列組合方式，即兩種控制各自獨立工作，對結構實施校正作用。目前，較為典型的幾種混合控制裝置有：

AMD與TMD相組合，

AMD與TLD相組合，主動控制與基礎隔震相組合，主動控制與耗能減振相組合，

HMS（液壓－質量振動控制系統(tǒng)）與AMD相組合等。第十一頁，共45頁。6.1概述

結構消能減震建筑的特點：1.消能減震裝置可同時減少結構的水平和豎向的地震作用，適用范圍較廣，結構類型和高度均不受限制；2.消能減震裝置應使結構具有足夠的附加阻尼，以滿足罕遇地震下預期的結構位移要求；3.由于消能減震結構不改變結構的基本型式，除消能部件和相關部件外，結構設計仍可按照《規(guī)范》對相應結構類型的要求執(zhí)行。第十二頁，共45頁。6.1概述消能減震技術的優(yōu)越性：1、安全性：消能構件或消能裝置在強震中能率先消耗的地震能量，迅速衰減結構的地震反應并保護主體結構和構件免遭破壞，確保結構的安全。消能減震結構的地震反應比傳統(tǒng)結構降低40%—60%。2、經濟性：消能減震結構可以減少剪力墻的設置，減少結構斷面和配筋，可節(jié)約造價5%—10%。若用于舊建筑物的抗震加固，則可節(jié)約造價10%—60%。3、技術合理性：結構越高、越柔，消能減震效果越顯著第十三頁，共45頁。6.2結構隔震設計結構隔震主要有基底隔震和懸掛隔震兩種6.2.1基底隔震原理在結構物底部與基礎頂面之間設置隔震消能裝置，使之與固結于地基中的基礎頂面分開，限制地震動向結構物傳遞。第十四頁，共45頁。6.2.1基底隔震原理為達到明顯減震效果，通?；A隔震系統(tǒng)需具備以下四種特性：(1)承載特性：具有足夠的豎向強度和剛度以支撐上部結構的重量；(2)隔震特性：具有足夠的水平初始剛度，在風載和小震作用下，體系能保持在彈性范圍內，滿足正常使用的要求，而中強地震時，其水平剛度較小，結構為柔性隔震結構體系；(3)復位特性：地震后，上部結構能回復到初始狀態(tài)，滿足正常的使用要求。第十五頁，共45頁。6.2.1基底隔震原理(4)耗能特性：隔震系統(tǒng)本身具有較大的阻尼，地震時能耗散足夠的能量，從而降低上部結構所吸收的地震能量。

基底隔震的適用范圍：高度不超過40m，以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的多層和中高層結構第十六頁，共45頁。6.2.2基礎隔震裝置隔震裝置由隔震器、阻尼器和復位裝置組成隔震器的作用：支承上部結構全部質量，延長結構自振周期，同時具有經歷較大變形的能力阻尼器的作用：消耗地震能量，抑制結構可能發(fā)生的過大位移復位裝置的作用：提高隔震系統(tǒng)早期剛度使結構在微震或風載作用下，能夠具有和普通結構相同的安全性目前應用最多的隔震裝置為隔震橡膠支座第十七頁，共45頁。6.2.2基礎隔震裝置

隔震橡膠支座包括天然夾層橡膠支座、鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座等。天然夾層隔震橡膠支座

天然夾層橡膠支座具有較大的豎向剛度，承受建筑物的重量時豎向變形小，而水平剛度較小，且線性性能好。由于天然夾層橡膠支座的阻尼很小，不具備足夠的耗能能力，所以在結構使用中一般同其它阻尼器或耗能設備聯(lián)合使用。第十八頁，共45頁。6.2.2基礎隔震裝置

鉛芯隔震橡膠支座鉛芯隔震橡膠支座由新西蘭的ROBINSON及其公司最早研制開發(fā)，以后在中國、日本、美國、意大利等國家都得到了較大的發(fā)展與應用。

因為鉛芯橡膠支座不但具有較理想的豎向剛度，而且本身具有消耗地震能量的能力，故鉛芯橡膠支座在結構使用中受到廣泛歡迎。

第十九頁，共45頁。6.2.2基礎隔震裝置第二十頁，共45頁。6.2.2基礎隔震裝置

下圖分別是世界上第一棟采用鉛芯橡膠支座隔震的建筑(TheWilliamClaytonBuilding,NewZealand)和世界上使用鉛芯橡膠支座中基底面積最大的建筑(日本)。

第二十一頁，共45頁。6.2.2基礎隔震裝置日本1997年度評定的隔震建筑中，采用鉛芯橡膠支座隔震房屋占總數(shù)的40%；美國在1985年以后興建的隔震房屋中，完全或部分采用鉛芯橡膠支座的隔震房屋占總數(shù)的60.7%；我國在已建成的隔震房屋中，完全或部分采用鉛芯橡膠支座的隔震房屋占總數(shù)的60%。1994年9月16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。第二十二頁，共45頁。6.2.2基礎隔震裝置

1994年1月17日，美國圣菲爾南多發(fā)生洛杉磯地震，震級M=6.7，死亡56人，傷7300人，損失很大。震中附近有兩座醫(yī)院，一座為隔震結構，另一座為抗震結構。中南加州大學醫(yī)院（隔震結構）橄欖景醫(yī)院（抗震結構）第二十三頁，共45頁。6.2.2基礎隔震裝置

中南加州大學醫(yī)院是橡膠支座隔震系統(tǒng)。地下一層，地上7層，建筑面積：33000平方米；最高高度：36.0m；鉛芯多層橡膠隔震器68個，多層橡膠隔震器81個。地震時，這棟八層醫(yī)院基礎加速度為0.49g，而頂層加速度只有0.21g,加速度折減系數(shù)為1.8。在這次地震及其其后的余震中，建筑物內的各種機器均未損壞，醫(yī)院功能得到維持，成為防災中心，起到十分重要的作用。第二十四頁，共45頁。6.2.2基礎隔震裝置橄欖景醫(yī)院為抗震結構，其底層加速度為0.82g，而頂層加速度為2.31g,加速度放大系數(shù)為2.8。在此次地震中，剪力墻產生剪切裂縫，設備機器、醫(yī)療機械及家具等翻倒，病歷等資料掉下、散亂。而且水管破裂，各層浸水，建筑物不能使用，完全喪失了醫(yī)院的功能。10年后重建，并增加了抗震強度。第二十五頁，共45頁。6.2.3懸掛隔震實例

“雞腿建筑”最初的希望將地面空間還給城市，還給市民的理想也隨之被扭曲。即使建筑師自己不去否定雞腿建筑，它們也注定要被結構師否定，尤其是在地震危險性較高的地區(qū)。香港人自以為占了塊風水寶地，永遠不會地震，確實那也真的沒被怎么震過，于是肆無忌憚的在山坡和港灣建造了大量的雞腿建筑，而且還相當骨感，真讓人替他們擔心。建筑的形式不是由單單由建筑師決定的，也不是單單由結構師決定的，還有追求經濟利益的業(yè)主。底部沿街樓層對開敞的大空間有揮之不去的商業(yè)熱情，建筑師和結構師的工作就是盡量滿足這種商業(yè)需求。

第二十六頁，共45頁。

在香港擁擠的高樓大廈中，NormanFoster設計的懸掛式的匯豐銀行大樓是為數(shù)不多的既獲得了底部大空間又不采用雞腿結構的高樓，更可貴的是它的底部大空間真的還給了城市和市民，而沒有做成商場或氣派的大堂。不管是Foster本人的理想使然，還是業(yè)主或市政府要求這樣，總之香港匯豐銀行大樓通過炫耀技術的懸掛結構，代替了雞腿建筑，實現(xiàn)了柯布的早期理想。6.2.3懸掛隔震實例第二十七頁，共45頁。

和田先生則以自己敏銳的抗震思維，通過將隔震和懸掛合二為一，為底部開敞的懸掛結構賦予了更充分的結構抗震的合理性，建筑理想的實現(xiàn)多么依賴于結構工程技術的進步。

在清水建設的支持下，在清水建設技術研究所的門口按照和田先生的想法建造起來一座四層的鋼筋混凝土懸掛隔震示范建筑，如下頁的小圖所示。6.2.3懸掛隔震實例第二十八頁，共45頁。6.2.3懸掛隔震實例第二十九頁，共45頁。

底層只有一個核心筒，三層的使用空間通過高強鋼索懸掛在核心筒上。四周不再需要一根立柱，而核心筒頂上的隔震構造成為它的一大亮點。它的結構體系非常明確。另外在核心筒和樓板之間留有變形縫，縫里面還設置有阻尼器，將二者在地震中出現(xiàn)相對變形時，阻尼器將發(fā)揮其耗能能力，降低結構的地震響應。這樣的結構體系與和田先生的抗震思想一脈相承，有專門用來耗能的可更換部件，有控制結構變形模式的整體型關鍵構件，以柔克剛，以不變應萬變。6.2.3懸掛隔震實例第三十頁，共45頁。6.3結構消能減震6.3.1結構消能減振體系的分類結構消能減振體系由主體結構和消能部件（消能裝置和連接件）組成，可以按照消能部件的不同“構件型式”分為以下類型：（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振作用。消能裝置可以做成方框支撐、圓框支撐、交叉支撐、斜桿支撐、K型支撐等第三十一頁，共45頁。6.3.1結構消能減振體系的分類第三十二頁，共45頁。6.3.1結構消能減振體系的分類（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。

消能剪力墻的形式主要有：第三十三頁，共45頁。6.3.1結構消能減振體系的分類（3）消能節(jié)點：在結構的梁柱節(jié)點或梁節(jié)點處安裝消能裝置。當結構產生側向位移、在節(jié)點處產生角度變化或者轉動式錯動時，消能裝置即可以發(fā)揮消能減震作用。第三十四頁，共45頁。6.3.1結構消能減振體系的分類（4）消能聯(lián)接：在結構的縫隙處或結構構件之間的聯(lián)結處設置消能裝置。當結構在縫隙或聯(lián)結處產生相對變形時，消能裝置即可以發(fā)揮消能減震作用第三十五頁，共45頁。6.3.1結構消能減振體系的分類（5）消能支承或懸吊構件：對于某些線結構（如管道、線路，橋梁的懸索、斜拉索的連接處等），設置各種支承或者懸吊消能裝置，當線結構發(fā)生振（震）動時，支承或者懸吊構件即發(fā)生消能減震作用。第三十六頁，共45頁。6.3.1結構消能減振體系的分類目前最常見的消能器為粘滯（流體）阻尼器和粘彈性阻尼器。粘滯（流體）阻尼器：基本原理是與結構共同工作的粘滯流體阻尼器的導桿受力，推動活塞運動