Transcript 第六章工程结构消能减震设计简介

6.结构隔震、消能减震设计
6.1概述
抗震设计：依靠结构的强度、刚度和延性来抵御地震作用
立足于“抗”，是一种消极设计方法
传统抗震方法存在的问题：
（1）结构的安全性难以保证
传统抗震方法以既定的“设防烈度”作为设计依据，由
于地震的随机性，建筑结构的破损程度及倒塌的可能性
难以控制，当发生突发性超烈度地震时，房屋可能会严
重破坏。
6.1概述
（2）建筑费用和成本大幅度增加
传统方法是在设计时提高材料强度、加大构件（结构）
刚度，其结果是断面越大，刚度越大，使用面积减少，
建筑物自重增大，地震作用亦随之增大。
（3）适用范围受到限制
传统抗震方法采用的是延性结构体系，允许结构部件
在强震时发生比较大的塑性变形，以消耗地震能量，
减轻地震反应，这种方法对于某些不容许在地震中出
现破坏的结构、或内部有贵重装饰、重要设备仪器的
结构是不适用的。
6.1概述
（4）施工难度大
结构构件和节点的钢筋配置过密，9度区甚至无法排布。
（5）建筑物的高度受到限制等。
为克服传统抗震方法的缺陷，结构振动控制技术（简
称“结构控制”）逐渐发展起来。
结构控制的概念：通过对结构施加控制机构，由控制
机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的
振动反应，使它在外界干扰作用下的各项反应值被控
制在允许范围内。
6.1概述
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结构控制的概念：在工程结构的特定部位装设某种装
置（如隔震垫等）、或某种机构（如消能支撑、消能
剪力墙、消能节点、消能器等）、或某种子结构（如
调频质量等）、或施加外力（外部能量输入）、或调
整结构的动力特性，使工程结构在地震（或风）的作
用下，其结构的动力反应（加速度、速度、位移）得
到合理的控制，从而确保结构本身及结构中的人、仪
器设备、装修等的安全或处于正常的使用状态。
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结构控制技术按控制措施实施的方式不同，一般分为
被动控制（Passive Control）、主动控制（Active
Control）、半主动控制（Semi—Active Control）
和混合控制（Hybrid Control）四类。
6.1概述
（1）被动控制（Passive Control）
外荷载
结 构
（风、地震等）
反应
被动控制装置
图1-1 被动控制的工作原理
① 隔震：在建筑物适当部位设置隔震装置，切断或削弱
地面运动向上部结构的传递，并提供适当的阻尼，从
而使上部结构的地震作用大大降低，耗能能力加强。
如叠层橡胶垫支座、高阻尼橡胶垫支座、滑移隔震支
座和混合隔震装置等。
6.1概述
② 结构自控：通过在结构中优选耗能材料和耗能杆件，
设置多道抗震防线达到耗能减振的目的。
常见的有：
竖向通缝SW（剪力墙）、周边缝SW、
双功能连梁、带抗震连梁的SW、
顶层为刚性连梁的SW、偏交支撑、
梁端设塑性铰的框架、悬挂式结构、
底层设消能缝的砖混结构。
6.1概述
③ 结构附加装置控制：在结构的适当位置安放耗能减振
装置，以达到耗能减振的目的。
主要有：
各种耗能支撑、预应力摩擦墙、
金属阻尼器、摩擦阻尼器、
调频质量阻尼器（TMD）、
调频液体阻尼器（TLD）、
粘滞流体阻尼器和粘弹性阻尼器等等。
6.1概述
（2）主动控制（Active Control）
指有外加能源的控制，其工作原理为：
外荷载
结 构
（风、地震等）
控制力
控制器
检测元件
图1-2 主动控制的工作原理
反应
6.1概述
常见的类型有：
主动调频质量阻尼器(Active Tuned Mass Damper,
简称AMD)；
主动支撑系统（Active Brace）；
主动拉索控制器（Active Tendon）；
主动空气挡风板控制器（Active Aerodynamic
Appendayes）等。
6.1概述
（3）混合控制（Hybrid Control）
被动控制器
被动控制力
外荷载
反应
结构
（风、地震等）
主动控制力
主动控制器
检测元件
图 1-3 混合控制的工作原理
混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构
上的结构振动控制形式。
从其元素所起作用的相对大小来看，有两种组合方式：
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一种是主从组合方式，即以某一控制为主控制部件，
其他部件通过主要部件实现对结构的控制。
6.1概述
另一种是并列组合方式，即两种控制各自独立工作，
对结构实施校正作用。
目前，较为典型的几种混合控制装置有：
AMD与TMD相组合，
AMD与TLD相组合，
主动控制与基础隔震相组合，
主动控制与耗能减振相组合，
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HMS（液压－质量振动控制系统）与AMD相组合等。
6.1概述
结构消能减震建筑的特点：
1. 消能减震装置可同时减少结构的水平和竖向的地震作
用，适用范围较广，结构类型和高度均不受限制；
2. 消能减震装置应使结构具有足够的附加阻尼，以满足
罕遇地震下预期的结构位移要求；
3. 由于消能减震结构不改变结构的基本型式，除消能部
件和相关部件外，结构设计仍可按照《规范》对相应
结构类型的要求执行。
6.1概述
消能减震技术的优越性：
1、安全性：
消能构件或消能装置在强震中能率先消耗的地震能量，
迅速衰减结构的地震反应并保护主体结构和构件免遭
破坏，确保结构的安全。
消能减震结构的地震反应比传统结构降低40%—60%。
2、 经济性：
消能减震结构可以减少剪力墙的设置，减少结构断面
和配筋，可节约造价5%—10%。若用于旧建筑物的抗
震加固，则可节约造价10%—60%。
3、技术合理性：结构越高、越柔，消能减震效果越显著
6.2结构隔震设计
结构隔震主要有基底隔震和悬挂隔震两种
6.2.1基底隔震原理
在结构物底部与基础
顶面之间设置隔震消
能装置，使之与固结
于地基中的基础顶面
分开，限制地震动向
结构物传递。
6.2.1基底隔震原理
为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四
种特性：
(1)承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结
构的重量；
(2)隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震
作用下，体系能保持在弹性范围内，满足正常使用的
要求，而中强地震时，其水平刚度较小，结构为柔性
隔震结构体系；
(3)复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满
足正常的使用要求。
6.2.1基底隔震原理
(4)耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能
耗散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能
量。
基底隔震的适用范围：
高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高
度分布比较均匀的多层和中高层结构
6.2.2 基础隔震装置
隔震装置由隔震器、阻尼器和复位装置组成
隔震器的作用：支承上部结构全部质量，延长结构自振
周期，同时具有经历较大变形的能力
阻尼器的作用：消耗地震能量，抑制结构可能发生的过
大位移
复位装置的作用：提高隔震系统早期刚度使结构在微震
或风载作用下，能够具有和普通结构相同的安全性
目前应用最多的隔震装置为隔震橡胶支座
6.2.2 基础隔震装置
隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座，
高阻尼橡胶支座等 。
天然夹层隔震橡胶支座
天然夹层橡胶支座具有较大的竖
向刚度，承受建筑物的重量时竖向
变形小，而水平刚度较小，且线性
性能好。
由于天然夹层橡胶支座的阻尼很
小，不具备足够的耗能能力，所以
在结构使用中一般同其它阻尼器或
耗能设备联合使用。
6.2.2 基础隔震装置
铅芯隔震橡胶支座
铅芯隔震橡胶支座由新西兰的
ROBINSON及其公司最早研制开发，
以后在中国、日本、美国、意大利
等国家都得到了较大的发展与应用。
因为铅芯橡胶支座不但具有较理想的竖向刚度，而且本身
具有消耗地震能量的能力，故铅芯橡胶支座在结构使用中受到
广泛欢迎。
6.2.2 基础隔震装置
6.2.2 基础隔震装置
下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建
筑(The William Clayton Building, New Zealand)和世界
上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。
6.2.2 基础隔震装置
• 日本1997年度评定的隔震建筑中，采用铅芯橡胶支座
隔震房屋占总数的40%；
• 美国在1985年以后兴建的隔震房屋中，完全或部分采
用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的60.7%；
• 我国在已建成的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡
胶支座的隔震房屋占总数的60%。
1994年9月16日，台湾海峡发生了7.3级地震，震源距离汕头市约200
公里，汕头市烈度为6度，各类房屋摇晃厉害，居民惊惶失措，
水桶里的水溅出了1/3左右……
而陵海路隔震楼上的人并没有感到晃动，听到毗邻楼房和邻街喧闹声后
下楼才知道发生了地震。
6.2.2 基础隔震装置
1994年1月17日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级
M=6.7，死亡56人，伤7300人，损失很大。
震中附近有两座医院，一座为隔震结构，另一座为抗震结构。
中南加州大学医院（隔震结构）
橄榄景医院（抗震结构）
6.2.2 基础隔震装置
• 中南加州大学医院是橡胶支座隔震
系统。地下一层，地上7层，建筑
面积：33000平方米；最高高度：
36.0m；铅芯多层橡胶隔震器68个，
多层橡胶隔震器81个。
• 地震时，这栋八层医院基础加速度
为0.49g，而顶层加速度只有0.21g,
加速度折减系数为1.8。
• 在这次地震及其其后的余震中，建筑物内的各种机器均
未损坏，医院功能得到维持，成为防灾中心，起到十分
重要的作用。
6.2.2 基础隔震装置
• 橄榄景医院为抗震结构，其
底层加速度为 0.82g，而顶层加
速度为2.31g, 加速度放大系数
为2.8。
• 在此次地震中，剪力墙产生剪
切裂缝，设备机器、医疗机械及
家具等翻倒，病历等资料掉下、
散乱。而且水管破裂，各层浸水，
建筑物不能使用，完全丧失了医院的功能。
• 10年后重建，并增加了抗震强度。
6.3结构消能减震
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6.3.1结构消能减振体系的分类
结构消能减振体系由主体结构和消能部件（消能装置
和连接件）组成，可以按照消能部件的不同“构件型
式”分为以下类型：
（1）消能支撑：可以代替一般的结构支撑，在抗震和
抗风中发挥支撑的水平刚度和消能减振作用。
消能装置可以做成方框支撑、圆框支撑、交叉支撑、
斜杆支撑、K型支撑等
6.3.1结构消能减振体系的分类
消能方框
(a) 方框支撑
消能圆框
(b) 圆框支撑
消能装置
(c) 交叉支撑
图 X-1 消能支撑
消能装置
(d) 斜杆支撑
消能装置
(e) K 型支撑
6.3.1结构消能减振体系的分类
（2）消能剪力墙：可以代替一般结构的剪力墙，在抗震
和抗风中发挥支撑的水平刚度和消能减震作用。
消能剪力墙的形式主要有：
消能缝
(a) 竖缝剪力墙
消能缝
(b) 横缝剪力墙
消能缝
(c) 斜缝剪力墙
图 X-2 消能剪力墙
消能缝
(d) 周边缝剪力墙
弹塑性材料
(e) 整体剪力墙
6.3.1结构消能减振体系的分类
（3）消能节点：在结构的梁柱节点或梁节点处安装
消能装置。
当结构产生侧向位移、在节点处产生角度变化或
者转动式错动时，消能装置即可以发挥消能减震
作用。
消能装置
消能装置
图 X-3
梁柱消能节点
6.3.1结构消能减振体系的分类
（4）消能联接：在结构的缝隙处或结构构件之间的联
结处设置消能装置。
当结构在缝隙或联结处产生相对变形时，消能装置即
可以发挥消能减震作用
消能装置
消能装置
图 X-4
消能联结
6.3.1结构消能减振体系的分类
（5）消能支承或悬吊构件：对于某些线结构（如管道、
线路，桥梁的悬索、斜拉索的连接处等），设置各种
支承或者悬吊消能装置，当线结构发生振（震）动时，
支承或者悬吊构件即发生消能减震作用。
6.3.1结构消能减振体系的分类
目前最常见的消能器为
粘滞（流体）阻尼器
和粘弹性阻尼器。
粘滞（流体）阻尼器：
基本原理是与结构共同
工作的粘滞流体阻尼器
的导杆受力，推动活塞
运动，活塞两边的高粘
性阻尼介质产生压力差，
使阻尼介质通过阻尼孔，
产生阻尼力。
6.3.1结构消能减振体系的分类
6.3.1结构消能减振体系的分类
阻尼器的构造
6.3.1结构消能减振体系的分类
2
3
1、主缸
1
6
5
2、副缸
3
4
3、导杆
4、活塞
5、阻尼材料（硅油或液压油）
6、阻尼孔
6.3.1结构消能减振体系的分类
阻尼器的试验装置
6.3.1结构消能减振体系的分类
阻尼器的试验装置
6.3.1结构消能减振体系的分类
粘弹性消能器通常由钢板和固体粘弹性材料交替叠
合而成。
其原理是通过粘弹性材料的往复剪切变形来耗散能
量。
4
3
2
1
2
1 — 中间钢板
2 — 两侧钢板
3 — 粘弹性材料
4 — 螺栓孔
6.3.2结构消能减震设计的应用
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西安长庆石油勘探局科研楼主体为一个29层的钢筋混
凝土结构，高度为105.5米。顶部微波发射塔高44.5米，
其中桅杆高17.5米。
微波发射塔塔身为一个四边形空间桁架体系，宽度为2
米。塔柱为Φ140X6钢管，横杆为Φ83X4.5钢管，斜腹
杆为Φ95X5钢管。桅杆为Φ400X16钢管。微波发射塔
与主体采用铰接连接。
考虑到微波发射塔在大风和强震作用下的动力响应较
大，故本工程采用粘滞流体阻尼器对该塔进行振动控
制以减小其动力响应，并满足使用要求。
6.3.2结构消能减震设计的应用
本工程在微波发射塔标高129.5m
和121.5m之间斜向设置了12个
阻尼器；在111.5m平面水平设置
了8个阻尼器。
•设置了粘滞流体阻尼器之后，在
风荷载作用下，塔顶点最大位移
（相对于主楼顶部）下降了53.5%，
在地震作用下，塔顶点最大位移
（相对于主楼顶部）降了62.5%。