隔震減震與結(jié)構(gòu)控制課件

ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention第十三章隔震減震與結(jié)構(gòu)控制上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPreventionongjiUniversity產(chǎn)生傳遞引起ongjiUniversity結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention大大小大ongjiUniversity結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention實(shí)踐上ongjiUniversity結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度與強(qiáng)度結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入非彈性狀態(tài)后仍具有較大的延性通過塑性變形消耗地震能量“壞而不倒”“延性結(jié)構(gòu)體系”ongjiUniversity結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention當(dāng)?shù)鼗玖叶鹊卣鹱饔媒ㄖ锟赡苓M(jìn)入非彈性破壞狀態(tài)導(dǎo)致隔震、減震、制振技術(shù)裝修與內(nèi)部設(shè)備破壞巨大經(jīng)濟(jì)損失 被動(dòng)減震ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention傳播途徑結(jié)構(gòu)ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention?從控制理論的觀點(diǎn)，上述方法又分為兩大類減震方法：(1)被動(dòng)控制方法。這種方法無外部能源供給，也稱無源控制技術(shù)。包括隔震技術(shù)和被動(dòng)減震技術(shù)。(2)主動(dòng)控制方法。這種方法有外部能源供給，也稱有源控制技術(shù)。?與傳統(tǒng)的消極抗震方法相比，減震方法優(yōu)點(diǎn)：(1)減小地震作用，降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，提高結(jié)構(gòu)抗震可靠度。隔震方法能夠控制傳到結(jié)構(gòu)上的地震力，克服確定荷載的困難。(2)減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不破壞，減小震后維修費(fèi)用，對(duì)現(xiàn)代建筑，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的造價(jià)占總造價(jià)的80％以上。(3)隔震、減震裝置的更換或維修比更換、維修結(jié)構(gòu)構(gòu)件方便、經(jīng)濟(jì)(4)精密加工設(shè)備、核工業(yè)設(shè)備等結(jié)構(gòu)物，只能用隔震、減震的方法滿足嚴(yán)格的抗震要求ongjiUniversity結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention基底隔震懸掛隔震減弱或改變地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用的強(qiáng)度或方式，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的ongjiUniversity結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention香港匯豐銀行(懸掛隔南加州大學(xué)醫(yī)院(隔震結(jié)ongjiUniversity結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention地震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)能耗能耗能減震吸振減震沖擊減震ongjiUniversity結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention地震結(jié)構(gòu)減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)地震ongjiUniversity結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想的演化與發(fā)展上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention隔震技術(shù)實(shí)用階段研究、探索并部分應(yīng)用于工程實(shí)踐的時(shí)期基底隔震基底隔震ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention懸掛隔震隔震層隔開限制地震動(dòng)向結(jié)構(gòu)物的傳遞ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention (1)隔震系統(tǒng)的的振遠(yuǎn)離 (2)增大了結(jié)構(gòu)ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention平常尼器與隔ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPreventionongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention.2隔震分析模型--單質(zhì)點(diǎn)模型上部結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度遠(yuǎn)大于隔震層的水平剛度上部結(jié)構(gòu)近似為一個(gè)剛體單質(zhì)點(diǎn)模型簡化簡化ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention2.2隔震分析模型—多質(zhì)點(diǎn)模型::水平剛度為k阻尼系數(shù)為c結(jié)構(gòu)層N阻尼系數(shù)為c結(jié)構(gòu)層NongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention隔震裝置隔震層以上結(jié)構(gòu)采用水平向減震系數(shù)的概念采用水平向減震系數(shù)的概念反映這一特點(diǎn)層間剪力最大比值與水平向減震系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系層間剪力最大比值0.530.350.260.18水平向減震系數(shù)0.750.500.380.25水平向減震系數(shù)不宜低于0.25，且隔震結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時(shí)的總水平地震作用ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention基礎(chǔ)隔震的概念早在19世紀(jì)已有人提過，廣義的隔震方案則更是源淵流長，如北京故宮就設(shè)有糯米加石灰的柔性減震支座層；現(xiàn)代的基礎(chǔ)隔震理論和實(shí)踐開始于上世紀(jì)70年代，基礎(chǔ)隔震方案很多，下面作簡單介紹1.早期隔震技術(shù)河合浩藏的“地震時(shí)不受大震動(dòng)的結(jié)構(gòu)”右圖是1891年河合浩藏的“地震時(shí)不受大震動(dòng)的結(jié)構(gòu)”。其隔震思路是在地基上并排鋪設(shè)了數(shù)層圓木，并且把建筑物周圍挖空，從而地震時(shí)可對(duì)上部建筑起到隔震作用ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPreventionJ.A.Calantarients提出的隔震結(jié)構(gòu)右圖是J.A.Calantarients于1909年提出的隔震結(jié)構(gòu)(Base-isolatedbuilding)方案。這種隔震結(jié)構(gòu)在建筑物結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間用滑石層隔開，地震時(shí)建筑物可以滑中村太郎的隔震結(jié)構(gòu)右圖是中村太郎于1927年提出的隔震結(jié)構(gòu)方案。在這種隔震系統(tǒng)中已使用阻尼泵來耗散地震動(dòng)的能量，并且在該建筑地下層柱的上下端采用鉸接構(gòu)造，建筑物可以水平自ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention柔性層結(jié)構(gòu)隔震概念由Martel在1929年提出，由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)進(jìn)一步加以研究與完善；下圖是真島健三郎于1934年的柔性層結(jié)構(gòu)。地震時(shí)，柔性層進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)的剛度變小，結(jié)構(gòu)的基本周期延長，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)所受的地震作用減小。ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention滾動(dòng)支撐類隔震系統(tǒng)(Rollerbearingsystem)為克服柔性層結(jié)構(gòu)所帶來的缺陷，科學(xué)家們相繼提出了多種滾動(dòng)支撐類隔震系統(tǒng)，工作元件有球形和橢圓形等多種，但由于其隔震是有向性的，而地震是具有無向性，這些類型的隔震系統(tǒng)均未能推廣應(yīng)用。ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPreventionongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention1994年1月17日，美國圣菲爾南多發(fā)生洛杉磯地震，震級(jí)M=6.7，直下型地震，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(jié)構(gòu)，另一座為抗震結(jié)構(gòu)。南加州大學(xué)醫(yī)院(TheUniversityofSouthernCaliforniaTeachingHospital)是橡膠支座隔震系統(tǒng)，這棟八層醫(yī)院基礎(chǔ)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。而抗震結(jié)構(gòu)橄欖景醫(yī)院(TheOliveViewHospital)的底層加速度為0.82g，而頂層加速度為2.31g,加速度放大系數(shù)為2.8，由此可見橡膠支座隔震系統(tǒng)的優(yōu)越性。中中南加州大學(xué)醫(yī)院(隔震結(jié)構(gòu))橄欖景醫(yī)院(抗震結(jié)構(gòu))ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention中南加州大學(xué)醫(yī)院地下一層，地上7層，建筑面積：33000平方米；占地：4100平米；最高高度：36。0m；鉛芯多層橡膠隔震器68個(gè)，多層橡膠隔震器81個(gè)。ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention中南加州大學(xué)醫(yī)院在這次地震及其其后的余震中，6-8英尺高的花瓶等沒有一個(gè)掉下來，建筑物內(nèi)的各種機(jī)器等均未損壞，醫(yī)院功能得到維持，成為防災(zāi)中心，起到十分重要的作用。ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention橄欖景醫(yī)院在1971年圣費(fèi)爾南多地震中受到較大損害，10年后重建，并增加了抗震強(qiáng)度。在此次地震中，剪力墻產(chǎn)生剪切裂縫，設(shè)備機(jī)器、醫(yī)療機(jī)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。橄欖景醫(yī)院(抗震結(jié)構(gòu))一九九四年九月十六日，臺(tái)灣海峽發(fā)生了7.3級(jí)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(dòng)，聽到毗鄰樓房和鄰街喧鬧聲后下樓才知道發(fā)生了地ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention一九九五年一月十七日發(fā)生了日本阪神大地震。震級(jí)7.2級(jí).在這次地震中，有二幢隔震結(jié)構(gòu)建筑得到了地震觀測(cè)記錄。從這些記錄可以看到隔震房屋在大地震中發(fā)揮了隔震效果，證實(shí)了隔震結(jié)構(gòu)的有效性。WEST大廈(西部郵政大樓)建筑面積46000m2，6層，是日本最大的隔震建筑。該建筑距震源東北35公里，在基礎(chǔ)、l層和6層進(jìn)行了地地震觀測(cè)位置ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention隔震橡膠支座包括天然夾層橡膠支座、鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠天然夾層隔震橡膠支座天然夾層橡膠支座構(gòu)造如圖所示。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(shí)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(jié)構(gòu)使用中一般同其它阻尼器或耗能設(shè)備聯(lián)合使用。鉛芯隔震橡膠支座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(yīng)用。鉛芯橡膠支座構(gòu)造如圖所示。因?yàn)殂U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(jié)構(gòu)使用ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention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)。日本1997年度評(píng)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%。ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention隔震ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention隔震總厚度越小所能承受的豎向荷載越大用ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention隔震疊層橡膠支座中間鉆孔灌入鉛芯提高支座大變形時(shí)的吸能能力集集隔震器與阻尼器于一身，因而可以獨(dú)立使用y位移y位移ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention小變形，剛度大，抗風(fēng)有利水平剛度是豎向剛度的1%左右具有顯著的非線性變形特征 有顯著的非線性變形特征 kpk度下降，結(jié)構(gòu)頻率降低，結(jié)構(gòu)反應(yīng)減少euongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention的豎橡膠隔震支座平均壓應(yīng)力限值建筑類別乙類建筑丙類建筑平均壓應(yīng)力(Mpa)10ui=βiuui=βiuc第i個(gè)隔震支座的扭轉(zhuǎn)影響系ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention隔震支座對(duì)應(yīng)于罕遇地震水平剪力的水平位移，應(yīng)符合下列要求：該支座各橡較小值ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention令常用隔震裝置--其它隔震裝置：滾珠隔震裝置已用于墨西哥城內(nèi)一座五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的學(xué)校建筑中，安放在房屋底層柱腳和地下室柱頂之間。為保證不在風(fēng)載下產(chǎn)生過大的水平位移，在地下室采用了交叉鋼拉桿風(fēng)穩(wěn)定裝置ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention其它隔震裝置：搖擺式隔震支座是一種搖擺隔震支座。在杯形基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)一個(gè)上下兩端有豎孔的雙圓筒搖擺體。豎孔內(nèi)穿預(yù)應(yīng)力鋼絲束并錨固在基礎(chǔ)和上部蓋板上，起到壓緊搖擺體和提供復(fù)位力的作用。在搖擺體和基礎(chǔ)壁之間填以瀝青或散粒物，可為振動(dòng)時(shí)提供阻尼。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)：當(dāng)?shù)孛婕铀俣确颠_(dá)330cm/s2時(shí)，被隔震房屋的加速度反應(yīng)被降低到無隔震反應(yīng)的1/3左右。我國山西省的懸空寺，歷史上經(jīng)歷多次大地震而仍完整無損。分析認(rèn)為是其特有的支撐木柱起到了搖擺支座隔震的作用ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention其它隔震裝置：不倒翁式隔震ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention地震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)能耗能t能量觀點(diǎn)：Et一定EfEsongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention風(fēng)和小震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)耗能保證應(yīng)具有耗能裝置保證應(yīng)具有耗能裝置結(jié)構(gòu)的使用性能強(qiáng)烈地震作用結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)耗能耗能裝置應(yīng)率先非彈性狀態(tài)大量消耗地震能量進(jìn)入有試驗(yàn)表明，耗能裝置可做到消耗地震總輸入能量的90%以上。ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention地震反應(yīng)分析非線性時(shí)程反應(yīng)分析方法ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention置ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention13.3.2耗能減震裝置--阻尼器支撐處梁柱連接處框梁柱連接處框架與剪力墻的連接處上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接處對(duì)位移的地方與速度相關(guān)的粘彈型阻尼器以摩擦或金屬屈服為特征的位移相關(guān)型阻尼器ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPreventionmmmm，沖程320mm粘彈型阻尼器12.52512.52512.5ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention13.3.2耗能減震裝置--阻尼器摩擦阻尼器ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention13.3.2耗能減震裝置--阻尼器各種形狀的軟鋼阻尼器(彈塑性阻尼器)ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention耗能減震裝置--耗能支撐塑性耗能支撐塑性耗能支撐ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention支支撐交叉處通過鋼框或鋼環(huán)的塑性變形消耗地震ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention在支撐桿或節(jié)點(diǎn)板上開長圓孔o(hù)ngjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention偏心支撐框架ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention鵝撐框架ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention屈曲約束支撐的基本部件屈曲約束支撐的軸力－位移關(guān)系ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention屈曲約束支撐的一些典型截面形狀ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention減震裝置--耗能墻能量移能量移ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPreventionongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPreventionm0xm0--主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量c0--阻尼系數(shù)k0--剛度m1c1k1--附加子結(jié)構(gòu)質(zhì)量、實(shí)際情況實(shí)際情況ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention子結(jié)構(gòu)的頻率等于地面運(yùn)動(dòng)輸入頻率考考慮無阻尼體系的反應(yīng)特征系統(tǒng)振動(dòng)能量集中于子結(jié)構(gòu)而主體結(jié)系統(tǒng)振動(dòng)能量集中于子結(jié)構(gòu)而主體結(jié)構(gòu)得到了保護(hù)子結(jié)構(gòu)頻率接近或等于主結(jié)構(gòu)頻率時(shí)地震動(dòng)含有多種頻率分量結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也必然是有阻尼系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)總是可以得到一定程度的降低ongjiUniversity上海防災(zāi)救災(zāi)研究所ShanghaiInstituteofDisasterPreven