隔震減震與結(jié)構(gòu)控制課件

地震工程學(xué)

第十三章

隔震減震與結(jié)構(gòu)控制

翟永梅

同濟大學(xué)土木工程學(xué)院

上海防災(zāi)救災(zāi)研究所

同濟大學(xué)上海防災(zāi)救災(zāi)研究所

TongjiUniversityShanghaiInstituteofDisasterPrevention

第十三章隔震減震與結(jié)構(gòu)控制

&腌

&隔震的原理與方法

&減震的原理與方法

&結(jié)構(gòu)主動控制初步

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13.1概述

震源

］產(chǎn)

U生

地震波

抵

建筑物所在場地

引

耳"I起

結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)

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結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展

地

震

內(nèi)

力

大

地震位移反應(yīng)地震剪力

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結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展

反應(yīng)接近地面地震運動

剛性結(jié)構(gòu)體系工一般不發(fā)生結(jié)構(gòu)強度破壞

導(dǎo)致材料的浪費

減少結(jié)構(gòu)物的剛性:

構(gòu)體系

柔性結(jié)構(gòu)體系避免結(jié)構(gòu)與地面運

動發(fā)生類共振

地震動作用下結(jié)構(gòu)

位移過大,實踐上

.—的困難一減輕地震力

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結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展

適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度與強度

結(jié)構(gòu)構(gòu)件進入非彈性狀態(tài)后仍具有較大的延性“延性結(jié)構(gòu)體系”

"睇巔八

通過塑性變形消耗地震能量

實現(xiàn)延性結(jié)構(gòu)體系

設(shè)計是工程師所追

“壞而不倒”求的抗震基本目標(biāo)

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結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展

延性結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)被動抵御地震作用

裝修與內(nèi)部設(shè)備破壞>巨大經(jīng)濟損失

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13.1概述

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13.1概述

?從控制理論的觀點，上述方法又分為兩大類減震方法：

(1)被動控制方法。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)和被動減震技術(shù)。

(2)主動控制方法。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：

(1)減小地震作用，降低結(jié)構(gòu)造價，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

維修費用，對現(xiàn)代建筑，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的造價占總造價的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

(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

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結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展

隔

辰：隔離裝置

地震動隔開結(jié)構(gòu)7

減小結(jié)構(gòu)振動

其后眄.通過某種裝置，將地震動與結(jié)構(gòu)隔開，

上底附辰減弱或改變地震動對結(jié)構(gòu)作用的強度或

主法

懸掛隔震方式，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動的目的

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結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展

香港匯豐銀行（懸掛隔南加州大學(xué)醫(yī)院（隔震結(jié)

震）構(gòu)）

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結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展

通過采用耗能裝置或附加子結(jié)構(gòu)吸收或消耗地震傳給

MM結(jié)構(gòu)的能量，從而減輕結(jié)構(gòu)的振動

地震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動

耗能裝置或附加子結(jié)構(gòu)

「耗能減震

主要方法一吸振減震

一沖擊減震

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結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展

主動控制（狹義的制震技術(shù)）

震

地

州

勾減小結(jié)構(gòu)振動

A施

加

控

制

力

自動控制系統(tǒng)

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結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的演化與發(fā)展

隔震技術(shù)實用階段

減震

研究、探索并部分應(yīng)

用于工程實踐的時期

制振技術(shù)

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13.2隔震原理與方法

13.2.1隔震原理

結(jié)構(gòu)物地面以上部分

A

廠懸掛隔震

隔震隔震層隔開

限制地震動向結(jié)構(gòu)物的傳遞

基底隔震［---?'

V

固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)

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13.2隔震原理與方法

13.2.1隔震原理

隔震技術(shù)的原理：

(1)隔震系統(tǒng)的

柔性層使結(jié)構(gòu)的振

動周期加大并遠(yuǎn)離

地震動的卓越周

期；

(2)增大了結(jié)構(gòu)

㈤速聶氏史洛體系的阻尼。

圖8-1匡登原理

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13.2隔震原理與方法

13.2.1隔震原理

基底隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意：

(1).在滿足必要的豎向承載力的前提下，隔震裝置的水平

剛度應(yīng)盡可能小，以使結(jié)構(gòu)周期盡可能遠(yuǎn)離地震動的卓越

周期范圍

(2).保證隔震結(jié)構(gòu)在強風(fēng)作用下不致有太大的位移。通常

要求在隔震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)底部安裝風(fēng)穩(wěn)定裝置或用阻尼器與隔

震裝置聯(lián)合構(gòu)成基底隔震系統(tǒng)。

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13.2隔震原理與方法

13.2.2隔震分析模型

單質(zhì)點模型

隔震建筑系統(tǒng)

f多質(zhì)點模型

動力分析模型

空間分析模型

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13.2隔震原理與方法

13.2.2隔震分析模型一單質(zhì)點模型

動力平衡方程

mx&&++h-

7結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量；

mg左一隔震層的阻尼系數(shù)和水平剛度;

X&&X&X一上部簡化剛體相對于地面的加速度、速8與位移;

XOLOL-地面加速度過程。

上部結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度遠(yuǎn)上部結(jié)構(gòu)近似

大于隔震層的水平剛度?=>為一個剛體單質(zhì)點模型

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13.2隔震原理與方法

13.2.2隔震分析模型一多質(zhì)點模型

隔震層水平動剛度計算式為

:悶L隔震支座數(shù)量

1

簡A

化印=匯K,

修L第i個隔震支座

水平剛度為/?的水平動剛度

阻尼系數(shù)為C等效粘滯阻尼

結(jié)構(gòu)層比計算式為：第i個隔震支座的

N\等效粘滯阻尼比

ZK0

圖3-2隔震結(jié)構(gòu)計算慟因

勺

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13.2隔震原理與方法

13.2.2隔震分析模型

隔震層以上結(jié)構(gòu)

隔震裝置的水平地震作用贏平向

有效降低

震系數(shù)的概念

層間剪力最大比值與水平向減震系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系反映這一特點、

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)防時的總水平地震作用

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13.2隔震原理與方法

13.2.3隔震系統(tǒng)回顧

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“地震時不受大震動的結(jié)構(gòu)”

右圖是1891年河合浩藏的“地震時

不受大震動的結(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，從而地震時可對上部建

筑起到隔震作用

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J.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)招dbuilding）方案

O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，地震時建筑物可以滑

動。

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

耗散地震動的能量，并且在該建筑地下層柱

的上下端采用較接構(gòu)造，建筑物可以水平自

由移動。

H1尼奈祖尼家

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柔性層隔震結(jié)構(gòu)（13rl~q[a）fIs?~s?olAQn[[p[uZ）

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，柔性層進入塑性，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。

1層部

分裸柱

1層平面圖

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滾動支撐類隔震系統(tǒng)(Rollerbearingsysteni)

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。

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13.2.4常用隔震技術(shù)

令隔震橡膠支座(窗elaminatedrubberbearing)

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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,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)。

南力口州大學(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(T&eOliveView

Hosp袱Z)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。

同濟大學(xué)上海防災(zāi)救災(zāi)研究所?(S

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o

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一oo

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Jo

Doooooo

二)

Jo

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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：36o0m；鉛芯多層橡膠隔震器68個，多層橡膠隔震器81個。

Rooflevel

MV^VV^^vv*******

Flooraboveisolators

場即狽groundsite____

010SECONDS

I」

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

等沒有一個掉下來，建筑物內(nèi)的各種機器等均未損壞，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。

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橄欖景醫(yī)院在1971年圣費爾

南多地震中受到較大損害，10年

后重建，并增加了抗震強度。

在此次地震中，剪力墻產(chǎn)生

剪切裂縫，設(shè)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。橄欖景醫(yī)院（抗震結(jié)構(gòu)）

一九九四年九月十六日，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。

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日本阪神大地震

一九九五年一月十七日發(fā)生了日本阪神大地震。震級7?2級.

在這次地震中，有二幢隔震結(jié)構(gòu)建筑得到了地震觀測記錄。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)、1層和6層進行了地

震記錄觀測。

地震觀測方向

位置東西南北上下

6層10375377

1層10657193

基礎(chǔ)300263213

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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I短■為核T族物交檢舒幽朦舲編喻媯微影評楞能■笫

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(yīng)用。

鉛芯橡膠支座構(gòu)造如圖所示。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(jié)構(gòu)使用

中受到廣泛歡迎。

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下圖分別是世界上第一棟采用鉛芯橡膠支座隔震的建筑（T&e

WilliamClaytonBuilding,New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%。

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TongjiUniversityShanghaiInstituteofDisasterPrevention'T

13.2隔震原理與方法

橡膠支座隔震

r鋼板疊層橡膠支座

橡膠支座1鉛芯橡膠支座

L石墨橡膠支座

在天然橡膠中加入

T石墨大幅度提高橡

膠支座的阻尼實際

中應(yīng)用還不多

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13.2隔震原理與方法

橡膠支座隔震

鋼板：

限制橡膠片的橫向變形使支座

豎向剛度較純橡膠支座大大增加

膠片：

總厚度越小所能承

受的豎向荷載越大

鋼板疊層橡膠支座

支座內(nèi)阻尼較小，常

需配合阻尼器一起使

用

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13.2隔震原理與方法

橡膠支座隔震

鉛芯橡膠支座

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13.2隔震原理與方法

橡膠支座隔震:

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

力有顯著的非線性

變形特征大變形，橡膠剪切剛

度下降，結(jié)構(gòu)頻率降

低，結(jié)構(gòu)反應(yīng)減少

橡膠剪應(yīng)變超過50%.

位移以后，剛度又逐漸有

所回升，起到安全閥

的作用，有利于防止

、建筑的過量位移.

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13.2隔震原理與方法

橡膠支座隔震：

設(shè)計的關(guān)鍵一合理確定隔震支座承受的應(yīng)力

我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定：

隔震層各橡膠隔震支座，考慮永久荷載和可變荷載組合的豎

向平均壓應(yīng)力設(shè)計值不應(yīng)超下表的規(guī)定。

橡膠隔震支座平均壓應(yīng)力限值

建筑類別甲類建筑乙類建筑丙類建筑

平均壓應(yīng)力(Mpa

)101215

注：1.對需驗算傾覆的結(jié)構(gòu)，平均壓應(yīng)力設(shè)計值應(yīng)包括水平地震作用效應(yīng);

2.對需進行豎向地震作用計算的結(jié)構(gòu)，平均壓應(yīng)力設(shè)計值應(yīng)包括豎向

地震作用效應(yīng)；

在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力

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13.2隔震原理與方法

橡膠支座隔震：

隔震支座對應(yīng)于罕遇地震水平剪力的水平位移，應(yīng)符合下列要求:

罕遇地震作用下，第^第i個隔震支座的水平位移限值；

，個隔震支座考慮扭'I>對橡膠隔震支座，不應(yīng)超過該支

轉(zhuǎn)的水平位移「-I座有效直徑的0.55倍和支座各橡

<\u\膠層總厚度3.0倍二者的較小值

w.

第i個隔震支座的扭轉(zhuǎn)影響系

罕遇地震下隔震層質(zhì)心處

數(shù)，應(yīng)取考慮扭轉(zhuǎn)和不考慮扭

或不考慮扭轉(zhuǎn)的水平位移

轉(zhuǎn)時支座計算位移的比值；當(dāng)

隔震層以上結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與隔震

層剛度中心在兩個主軸方向均

無偏心時，邊支座的扭轉(zhuǎn)影響

系數(shù)不應(yīng)小于1.15

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13.2隔震原理與方法

令常用隔震裝置一其它隔震裝置:

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

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13.2隔震原理與方法

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，可為振動時提供阻尼。經(jīng)試

驗證實：當(dāng)?shù)孛婕铀俣确颠_(dá)

330cni/s2時，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

山西懸空寺

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13.2隔震原理與方法

其它隔震裝置：不倒翁式隔震

伊朗人設(shè)計的不倒翁式隔

震房屋。該房屋頂面半徑

顯著大于底面半徑，能起

提供復(fù)位力的作用。

圖8-8不倒翁式隔震房屋

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13.3減震原理與方法

13.3.1耗能減震原理

地震結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動

U2

耗能構(gòu)件

地震時，結(jié)構(gòu)在任意時刻的能量方程為:

結(jié)構(gòu)主體自能量觀點:E,一定E/E\

身的耗能.

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的降低

」E，二E’+E"f%

地震過程中輸入

給結(jié)構(gòu)的能量動力學(xué)觀點:耗能裝置的作用,

附加耗能構(gòu)件的

耗能相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的阻尼

必使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)\

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13.3減震原理與方法

13.3.1耗能減震原理

風(fēng)和小震=>結(jié)構(gòu)?~~>減輕結(jié)構(gòu)振動

［耗能

耗能裝置豈占較大的剛度港上結(jié)構(gòu)的使用性能

強烈地震作用結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)振動

0耗能

耗能裝置反受非彈性狀態(tài)大量消耗地震能量

進入

有試驗表明，耗能裝置可做到消耗地震總輸入能量的90%以上。

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13.3減震原理與方法

13.3.1耗能減震原理：

耍髓鬻T非線性時

程反應(yīng)分析方法

;式估'通常需要耗能信心

耗能元件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按丁

的試驗數(shù)據(jù)，以確

算：〈立結(jié)構(gòu)動力方程中

設(shè)置耗能

結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移

r下的總應(yīng)變能

￡=%/(4"WJ

耗能減震結(jié)構(gòu)的..所有耗能部件在結(jié)

附加有效阻尼比構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)

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13.3減震原理與方法

13.3.2耗能減震裝置

阻尼器

耗能交叉支撐

耗能墻

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13.3減震原理與方法

13.3.2耗能減震裝置一阻尼器

支撐處

安裝于梁柱連接處

有相對變形或相

阻尼器

對位移的地方框架與剪力墻的連接處

上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接處

r與速度相關(guān)的粘彈型阻尼器

阻尼器f

以摩擦或金屬屈服為特征的位移相關(guān)型阻尼器

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13.3減震原理與方法

13.3.2耗能減震裝

最大長度915mm,最小長度595mm,沖程320mm

粘彈型阻尼器

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13.3減震原理與方法

13.3.2耗能減震裝置一阻尼器

摩擦阻尼器

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13.3減震原理與方法

13.3.2耗能減震裝置一阻尼器

各種形狀的軟鋼阻尼器（彈塑性阻尼器）

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13.3減震原理與方法

13.3.2耗能減震裝置一耗能支撐

□耗能交叉支撐

□摩擦耗能支撐

□耗能偏心支撐

□耗能耦撐

□屈服約束支撐

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