抗震工程概论(电子教案15)

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1、清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 15 讲 第 14 章 结构减震和结构控制 抗震设计是通过对结构本身的调整， 即对结构的布局、 构件等设计使结构具备抵抗大震 的能力。一个有良好抗震性能的结构需要具有良好的延性，为此目标，可适当控制结构物的 刚度，但使结构部件（如梁、墙或柱等）在强地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性变 形能力和耗能能力，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构裂而不倒。这是目前我国和国 际上普遍采用的传统抗震设计方法， 这种方法在很多情况下是有效的， 但这一抗震设计方法 存在以下问题： (1) 大震下安全性难以保证 当建筑结构遭遇到突发性超烈度地震时， 房屋

2、可能会严重破坏， 并且由于地震的随机性， 结构的破坏程度及倒塌可能性难以控制。 (2) 适应性受到限制 抗震设计方法允许在地震中建筑结构出现一定程度的损（破）坏，这时某些不允许在地 震中出现破坏的结构或内部有贵重装饰的结构是不适应的。 并且这种抗震方法只考虑建筑结 构本身的抗震。未考虑屋内部设备，仪器的抗震，当建筑内部有较重要的设备、仪器、计算 机网络、急救指挥系统、通信系统、医院医疗设备等情况时，是不适用的。例如，1971 年 美国旧金山地震时， 加州西马克电话总机房结构只有轻微破坏， 但内部通信设备毁坏而导致 全地区通信中断，抗灾指挥及抢救无法进行，造成损失难以估计。由此可见，传统的抗震设

3、 计方法固然有效，但对某些特殊情况还是有缺陷的。目前，人们在抗震问题研究中，除按规 范对建筑结构进行抗震设计外，另外一个重要方面就是结构减震和结构控制。 地震作用下结构动力反应的大小与储存于结构中能量的多少有关。 结构体系受地面运动 作用时输入结构的总能量与由结构耗散及储存于结构中的能量平衡，即： EI=ES+ED 其中， EI总输入能量 ES结构储存的能量 ED结构耗散的能量 结构储存的能量包括应变能和动能： ES=EE+EK EE弹性应变能 EK动能 结构耗散的能量包括粘性阻尼耗散的能量和滞回弹塑性变形的耗能： ED=EC+EH EC粘性阻尼耗散的能量 EH滞回弹塑性变形的耗能 在上述各类

4、能量中，储存于结构中的应变能EE和动能EK越大，结构的地震反应越大， 而且这两种能量仅发生能量转换， 不引起总能量的耗散； 粘性阻尼耗能EC和弹塑性变形耗能 EH引起总能量的耗散。EC是由结构的粘性阻尼或阻尼装置引起的。对于传统的抗震结构体 系，结构本身的粘性阻尼不大，大震时能量的耗散主要依靠滞回弹塑性变形耗能，而弹塑性 变形消耗的能量越大，意味着结构的损伤破坏越大。为减轻结构地震反应，可以通过减少输 入的地震能量或增大耗能（增大EC或非结构构件的EH）的途径来实现，由此形成不同的减 震设计概念： 减少输入能量EI基础隔震； 1清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 15 讲 增

5、大耗能能力ED耗能减震，结构控制。 目前在结构减震控制体系的研究和应用上主要有如下几个方面： (1) 结构隔震； (2) 耗能减震； (3) 结构控制。 结构控制又可分为： 混合控制半主动控制等主动控制等被动控制ATMDTLDTMD:,:目前， 世界上许多国家开展了结构减震技术开发与理论研究和工程推广应用工作。 一些 国家，如美国、日本、新西兰等已制定了隔震及耗能减震设计的规范或标准。我国在建筑 抗震设计规范 （GB500112001）中给出了隔震和耗能减震的内容，也制定了建筑隔震 橡胶支座标准和叠层橡胶支座隔震技术规程 。 14.1 结构隔震（基础隔震） 1891 年 Kawai 首先提出；

6、 1909 年旧金山地震后，英国医生提出基础与上部结构间用滑石粉隔震； 1921 年 Tokyo Imperial Hotel 首先采用基础隔震。 近年来，结构隔震技术的研究和应用在国内外发展很快，建筑、桥梁用的很多。目前， 结构隔震技术已比较成熟，达到实用阶段。 1、基本概念 结构隔震是通过在结构底部和基础之间设置某些隔震耗能装置，如图 14.1 所示，来阻 止（和消耗）地震能量进入结构，从而降低结构的动力反应。 2、隔震体系（装置） (1) 铅芯钢板夹层橡胶垫隔震装置，水平刚度/竖直刚度1/100，如图 14.2 所示。 (2) 滚珠（或滚轴）加刚板隔震装置，如图 14.3 所示。 (3)

7、 粉粒垫层隔震：用圆形砂粒、滑石、石墨或沙浆形成隔震层。 软钢片滚珠基础钢板图 14.1 隔震体系模型 图 14.2 铅芯钢板夹层橡胶垫隔震器 图 14.3 滚珠刚板隔震装置 2清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 15 讲 3、隔震体系的特点 (1) 能使结构在基础上柔性滑动，使结构自振周期大大加长，远离地震动的卓越周期。 (2) 具有足够的初始刚度。 (3) 可提供较大的阻尼，具有较大的耗能能力。 由于隔震结构具有以上特点， 在正常使用时， 结构具有足够的刚度保证在风荷载和微小 震作用下结构能正常工作；在中、强地震作用时，结构隔震体系开始工作，隔震结构的自振 周期变长、阻尼

8、变大，由图 14.4 给出的不同阻尼的加速度反应谱和位移反应谱曲线可以判 断，与普通结构相比，隔震结构的中、强地震反应将降低。 图 14.4 结构隔震体系工作原理 4、隔震体系的优点 (1) 可明显有效地减轻结构的地震反应，可使结构的加速度反应降低至 1/31/10，传统抗震 结构很难达到。 (2) 确保安全，由于第(1)条原因，结构处于弹性工作状态，可以保证强震中结构安全。 (3) 降低结构造价（通过降低设防烈度来实现） 。 (4) 抗震措施简单明了。 (5) 震后修复方便。 但目前对第(3)点有争论，反对意见中主要的两条是：一、目前还不存在有百分之百把 握的技术，施工、环境等多种条件对隔震

9、体系都将产生影响；二、在建筑的总建设费用中， 结构的造价已是很低， 通过降低结构的设防烈度来降低造价不合适。 增加隔震装置必然增加 成本，而对于 7 和 8 度烈度区，可降烈度值很小，但对高烈度区可以考虑。一般的看法是， 由进行隔震而增加的成本最终带来了结构安全保障，这是为获得安全性而应该付出的代价。 按建筑抗震设计规范的规定，采用基础隔震后，地震作用可以根据情况降低 1 至 2 度。 5、隔震技术的应用 隔震技术适用于中低层建筑、桥梁结构。目前在日，美，新西兰、中国都得到很多的 应用，目前铅芯钢板夹层橡胶垫隔震装置在我国已工厂化生产。在我国，一个遭遇了地震的 例子是汕头建造的隔震房屋。 汕头

10、市于 1993 年建成我国首幢铅芯钢板夹层橡胶垫隔震房屋。 为进行技术、 经济和地 震考验对比，在同一场地相距 16m 处，同时建造了另一幢结构完全相同的传统抗震房屋。 两幢房屋均为八层钢筋混凝土结构，隔震房屋的剖面图见图 6.5。1994 年 9 月 16 日发生了 台湾海峡地震，震级 7.3 级，汕头市距震中 240km，地震烈度近 6 度。地震时，传统抗震房3清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 15 讲 屋产生振动、摇晃，部分房屋出现裂纹或不同程度的损坏，人们感到房屋剧烈晃动、站立不 稳，部分人惊慌出逃，造成伤亡百多人，而隔震房屋中的人基本无震感，证明了隔震技术的 有效

11、性。 图 6.5 汕头的夹层橡胶垫隔震房屋 隔震体系中除基础隔震外，还有悬挂隔震。悬挂结构在桥梁、房屋建筑等方面有大量应 用，著名的 43 层香港汇丰银行新大楼就采用悬挂结构形式。 图 6.6 多层悬挂隔震结构和香港汇丰银行新大楼 4清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 15 讲 与基础隔震相比，悬挂隔震结构可以建得更高。 隔震装置虽然有明显的隔震消能效果， 但目前的隔震技术还仅仅是用于隔离或耗散水平 地震作用，对竖向地震的隔震效果不明显，虽然已进行了竖向地震隔震问题的研究工作，与 水平隔震技术相比， 无论是理论研究还是技术方法都还存在大量的工作要做。 基础隔震适合 于低层和多

12、层结构，比如，低于 10 层的结构效果较好。对于高层和高耸结构的隔震效果降 低， 而且对于高层建筑结构， 抗风问题突出， 隔震装置的使用也不利于解决结构的抗风问题， 对高层结构可以利用耗能减震等方法。 14.2 耗能减震 耗能减震措施是把结构的某些非承重构件（如斜支撑构件等） ，设计成耗能构件，或在 某些部位装置阻尼器。在强震作用下，这些耗能构件率先进入非弹性变形状态，产生较大的 阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，减轻主结构的地震反应。 1、耗能减震体系 按其耗能装置的不同，可分成两类：耗能构件和耗能阻尼器。 (1) 耗能构件减震体系 耗能构件减震体系利用结构的非承重构件作为耗能装置。例如：

13、耗能支撑； 耗能剪力墙，包括双功能剪力墙（竖缝中添加具有一定刚度的充填物） 。 图 6.7 耗能支撑 图 6.8 耗能剪力墙 (2) 阻尼器减震 在结构的某些部位（如支撑杆件，梁柱节点处等）装设阻尼器，强震时，这些部位发生 较大变形，从而使装设在该部位的阻尼器发生作用。常见的阻尼器有： 5清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 15 讲 铅挤压阻尼器； 摩擦阻尼器； 油阻尼器。 还有把整体剪力墙作成一个阻尼器（油阻尼器） ，即阻尼器剪力墙。 另外利用地震时屋盖和结构之间的滑动摩擦， 设计屋盖摩擦耗能系统， 达到消能减震的 目的。 图 6.9 铅挤压阻尼器 图 6.10 摩擦阻尼器

14、 图 6.11 油阻尼器及滞回曲线 2、耗能减震体系的特点 (1) 以非承重构件作为耗能构件，可以保护主结构，而传统结构设计是以主要承重构件（梁、 柱、节点）作为耗能构件； 6清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 15 讲 (2) 震后易于修复或更换； (3) 可以利用结构的抗侧力构件作为耗能构件，无须专设； (4) 可有效衰减结构的地震反应。 目前我国已有一栋 28 层的高层建筑使用支撑构件（方框耗能） 。 耗能减震的特点是结构的变形要足够大才起作用，其缺点也于在此。 图 6.12 采用方框耗能的高层建筑 14.3 结构被动控制减震 1、调频质量阻尼器 TMD（Tuned M

15、ass Damper） 在结构的某些部位（一般在结构的屋顶）设置一个子结构（具有质量ms，刚度ks，阻尼 cs）使结构动力性质发生变化。1947 年最早提出此概念。 图 6.13 调频质量阻尼器 TMD 体系 7清华大学土木工程系研究生课讲义 抗震工程概论教案 第 15 讲 子结构提供与频率有关的滞回性能，增大结构体系的阻尼。 子结构与主结构的质量比msM =(15)%，ms太小效果不好，太大又过分增加主结构的 重力荷载。 增加子结构后将调整结构基本自振频率。 按子结构的不同构成，TMD 可以分成三种： (1) 支承式 (2) 悬挂式 (3) 碰击式 （1） （2） （3） 图 6.14 调频质量阻尼器体系类型 最近又发展了多重调频质量阻尼器MTMD，即同时采多个 TMD（可具有不同自振 频率）以实现对主结构不同自振频率进行调整。多重调频