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1、第七章第七章 工程结构的隔震与减震工程结构的隔震与减震第一节第一节 结构控制的基本概念结构控制的基本概念一、抗震理论的发展阶段一、抗震理论的发展阶段 1 1静力理论，即抗侧力系数法静力理论，即抗侧力系数法刚性结构体系，无法真正实现刚性结构体系，无法真正实现2 2弹性地震反应谱分析方法弹性地震反应谱分析方法设计思想：设计思想：“小震不坏，大震不倒小震不坏，大震不倒”延性结构体系，应用日益受到限制延性结构体系，应用日益受到限制3 3结构控制理论：初期发展和初步应用阶段结构控制理论：初期发展和初步应用阶段结结构构控控制制主主要要研研究究结结构构工工程程中中控控制制装装置置的的设设计计理理论论、方法及
2、其实施。方法及其实施。控控制制结结构构是是根根据据给给定定的的控控制制条条件件将将结结构构和和控控制制装装置置作为一个整体进行优化设计。作为一个整体进行优化设计。结构控制可分四类结构控制可分四类（1 1）被动控制：不需要外部提供能源）被动控制：不需要外部提供能源 上部减震：如调频质量阻尼器、耗能装置等上部减震：如调频质量阻尼器、耗能装置等 基础减震：即基础隔震基础减震：即基础隔震（2 2）主动控制：需要外部提供能源）主动控制：需要外部提供能源（3 3）半主动控制：仅需少量外部能源）半主动控制：仅需少量外部能源（4 4）以上几种控制类型的组合）以上几种控制类型的组合二、不同结构二、不同结构 体系
3、地震体系地震 反应比较反应比较二、不同结构二、不同结构 体系地震体系地震 反应比较反应比较第二节第二节 基础隔震基础隔震一、基础隔震模式一、基础隔震模式竖向支承机构竖向支承机构 水平隔震机构水平隔震机构阻尼机构阻尼机构基础基础地基地基上部结构上部结构隔震层隔震层 基础隔震建筑基本模式基础隔震建筑基本模式基础隔震与传统抗震房屋的反应对比基础隔震与传统抗震房屋的反应对比二、隔震机构及隔震原理二、隔震机构及隔震原理1 1 叠层钢板橡胶支座隔震叠层钢板橡胶支座隔震（1 1）普通叠层钢板橡胶支座）普通叠层钢板橡胶支座（3 3）高阻尼叠层钢板橡胶支座）高阻尼叠层钢板橡胶支座（4 4）堆叠型叠层钢板橡胶支座
4、）堆叠型叠层钢板橡胶支座 （2 2）铅芯叠层钢板橡胶支座）铅芯叠层钢板橡胶支座隔震基本原理隔震基本原理（1 1）延延长长结结构构基基本本自自振振周周期期，远远离离场场地地卓卓越越周周期期，使使结结构构基基频频处处于于地地震震能能量量高高的的频频段段之之外外，从从而而有有效地降低建筑物的地震反应。效地降低建筑物的地震反应。（2 2）适适度度增增大大橡橡胶胶支支座座的的阻阻尼尼，以以更更多多地地吸吸收收传传入入结结构构的的地地震震能能量量，抑抑制制地地震震波波中中长长周周期期成成分分可可能能给建筑物带来的大变形。给建筑物带来的大变形。2 2滑动支座隔震滑动支座隔震（1 1）普通滑动支座）普通滑动支
5、座（2 2）双层滑动支座）双层滑动支座（3 3）回弹滑动支座）回弹滑动支座隔隔震震基基本本原原理理：通通过过隔隔震震层层控控制制传传入入上上部部结结构构的的地地震力，地震力不超过隔震层摩擦力震力，地震力不超过隔震层摩擦力2 2滑动支座隔震滑动支座隔震2 2滑动支座隔震滑动支座隔震3 3螺旋弹簧支座隔震螺旋弹簧支座隔震4 4滚动支座隔震滚动支座隔震5 5摆动柱隔震摆动柱隔震6 6曲面减震支座隔震曲面减震支座隔震第三节第三节 结构消能减震结构消能减震一、消能减震原理一、消能减震原理结构在地震中任意时刻能量方程为结构在地震中任意时刻能量方程为 l传统抗震结构传统抗震结构 Ein=EV+ EK + E
6、C + ES l消能减震结构消能减震结构 Ein=EV+ EK + EC + ES + ED l式中式中 Ein 地震过程中输入结构体系的能量；地震过程中输入结构体系的能量；lEV 结构体系的动能；结构体系的动能；lEK 结构体系的弹性应变能（势能）；结构体系的弹性应变能（势能）；lEC 结构体系本身的阻尼耗能；结构体系本身的阻尼耗能；lES 结构构件的弹塑性变形消耗的能量；结构构件的弹塑性变形消耗的能量；lED 消能装置或消能元件消耗或吸收的能量。消能装置或消能元件消耗或吸收的能量。（a）地震输入）地震输入 （b）传统结构抗震）传统结构抗震 （c）效能减震结构）效能减震结构结构地震能最转换途
7、径对比结构地震能最转换途径对比二、消能减震机构二、消能减震机构消消能能减减震震体体系系：把把结结构构物物的的某某些些非非承承重重构构件件设设计计成成消能杆件，或在结构的某些部位装设消能装置。消能杆件，或在结构的某些部位装设消能装置。消能装置按照其构造形式可以做成消能装置按照其构造形式可以做成（1 1）消能支撑：替代一般的结构支撑）消能支撑：替代一般的结构支撑（2 2）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙（3 3）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置（4 4）消消能能联联结结：在在结结构构的的缝缝隙隙处处或或结结构构构构件件
8、之之间间的联结处设置消能装置的联结处设置消能装置（1 1）消能支撑：替代一般的结构支撑）消能支撑：替代一般的结构支撑（2 2）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙（3 3）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置消消能能装装置置的的功功能能：当当构构件件或或节节点点发发生生相相对对位位移移或或转转动动时，产生较大阻尼，从而发挥消能减震作用。时，产生较大阻尼，从而发挥消能减震作用。消能装置的消能形式消能装置的消能形式（1 1）摩擦消能：摩擦消能支撑，摩擦节点）摩擦消能：摩擦消能支撑，摩擦节点（2 2）钢件（梁、板、棒）非弹性消能
9、装置）钢件（梁、板、棒）非弹性消能装置（3 3）材料塑性变形消能：铅阻尼器）材料塑性变形消能：铅阻尼器（4 4）材料粘弹性消能装置）材料粘弹性消能装置（5 5）液体阻尼消能：液体阻尼缸）液体阻尼消能：液体阻尼缸（6 6）混合式：几种消能形式混合应用。）混合式：几种消能形式混合应用。三、消能减震设计法三、消能减震设计法循循环环设设计计法法：根根据据设设计计目目标标进进行行循循环环多多次次的的设设计计计计算算，不不断断调调整整消消能能构构件件或或消消能能装装置置的的设设计计和和布布置置，直直到到满足设计目标。满足设计目标。第四节第四节 调谐阻尼器减震调谐阻尼器减震一、调谐质量阻尼器一、调谐质量阻尼
10、器(TMD)减震机理减震机理:将结构振动的部将结构振动的部分能量吸收到自己身上，分能量吸收到自己身上，转化成自身的动能和阻转化成自身的动能和阻尼耗能。尼耗能。二、调谐液体阻尼器二、调谐液体阻尼器(TLD、TLCD) 减震机理：结构振动时带动阻尼器中的液体晃动，减震机理：结构振动时带动阻尼器中的液体晃动，通过结构与阻尼器之间的相互作用实现减震。通过结构与阻尼器之间的相互作用实现减震。被动调谐阻尼器一般安装在结构顶层。被动调谐阻尼器一般安装在结构顶层。第五节第五节 主动控制主动控制工作流程工作流程第八章第八章 桥梁结构抗震设计桥梁结构抗震设计 第一节第一节 桥梁结构抗震设计的基本知识桥梁结构抗震设
11、计的基本知识 一、梁式桥震害表现及原因一、梁式桥震害表现及原因 1 1上部结构震害上部结构震害(1)(1)由于桥墩倾倒而引起落梁由于桥墩倾倒而引起落梁(2)(2)由于梁柱之间的相对错位而引起的落梁由于梁柱之间的相对错位而引起的落梁(3)(3)由于上部结构横向位移和转动引起落由于上部结构横向位移和转动引起落 2下部结构震害下部结构震害 桥墩、桥台、支座破坏桥墩、桥台、支座破坏二、抗震设计的基本知识二、抗震设计的基本知识 ( (一一) )公路工程重要性分类公路工程重要性分类 第一档次：高速公路和一级公路上的抗震重点工程；第一档次：高速公路和一级公路上的抗震重点工程；第二档次：高速公路、一级公路的一
12、般工程和二级公第二档次：高速公路、一级公路的一般工程和二级公路的抗震重点工程以及二三级公路上桥梁的支座。路的抗震重点工程以及二三级公路上桥梁的支座。第三档次：二级公路上的一般工程和三级公路上的抗第三档次：二级公路上的一般工程和三级公路上的抗震重点工程以及四级公路上的梁端支座、梁端连接、震重点工程以及四级公路上的梁端支座、梁端连接、支档措施；支档措施； 第四档次：三级公路上的一般工程和四级公路上的抗第四档次：三级公路上的一般工程和四级公路上的抗震重点工程；震重点工程；第五档次：四级公路上的一般工程。第五档次：四级公路上的一般工程。 ( (二二) )抗震设防标准抗震设防标准 公路工程的设防依据是基
13、本烈度。公路工程的设防依据是基本烈度。1. 在基本烈度为在基本烈度为7，8，9度地区的抗震设计，根据我度地区的抗震设计，根据我国交通部标准国交通部标准公路工程抗震设计规范公路工程抗震设计规范进行；进行；2. 对于大于对于大于9度的地区，应进行专门研究；度的地区，应进行专门研究；3. 基本烈度为基本烈度为6度的地区，除国家特别规定外，可度的地区，除国家特别规定外，可采用简易设防，或不进行抗震验算。采用简易设防，或不进行抗震验算。 ( (三三) )抗震设防目标抗震设防目标 按规范要求进行抗震设计的公路工程在发生与之相当按规范要求进行抗震设计的公路工程在发生与之相当的基本烈度地震影响时的基本烈度地震
14、影响时1. 位于一般地段的高速公路、一级公路工程，经一般位于一般地段的高速公路、一级公路工程，经一般整修即可正常使用；整修即可正常使用；2. 位于一般地段的二级公路及位于软弱粘性土层或液位于一般地段的二级公路及位于软弱粘性土层或液化土层上的高速公路、二级公路工程，经短期抢修化土层上的高速公路、二级公路工程，经短期抢修即可恢复使用；即可恢复使用；3. 三四级公路工程和位于地震危险地段、软弱粘性土三四级公路工程和位于地震危险地段、软弱粘性土层或液化土层上的二级公路以及位于抗震危险地段层或液化土层上的二级公路以及位于抗震危险地段的高速公路、一级公路工程，保证桥梁、隧道及重的高速公路、一级公路工程，保
15、证桥梁、隧道及重要的构造物不发生严重破坏。要的构造物不发生严重破坏。( (四四) )抗震设计基本要求抗震设计基本要求 1选择对抗震有利地段布设线路和选定桥位；选择对抗震有利地段布设线路和选定桥位； 2避免或减轻在地震影响下因地基变形或地基失效避免或减轻在地震影响下因地基变形或地基失效对公路工程造成的破坏；对公路工程造成的破坏；3本着减轻震害和便于修复本着减轻震害和便于修复 (抢修抢修)的原则，确定合的原则，确定合理的设计方案理的设计方案: (1) 尽量减轻结构的自重和降低其重心，以减小结构尽量减轻结构的自重和降低其重心，以减小结构物内力，提高稳定性。物内力，提高稳定性。 (2) 力力求求使使结
16、结构构物物的的质质量量中中心心与与刚刚度度中中心心重重合合，以以减小在地震中因扭转引起的附加地震力，减小在地震中因扭转引起的附加地震力，(3) 应应协协调调结结构构物物的的长长度度和和高高度度，以以减减少少各各部部分分不不同性质的振动所造成的危害作用。同性质的振动所造成的危害作用。(4) 适适当当降降低低结结构构刚刚度度，使使用用延延性性材材料料提提高高其其变变形形能力，从而减小地震荷载。能力，从而减小地震荷载。(5) 加加强强地地基基的的调调整整和和处处理理，以以减减小小地地基基变变形形和和防防止地基失效。止地基失效。4加强结构物的整体性。加强结构物的整体性。( (四四) )抗震设计一般规定
17、抗震设计一般规定 1下下列列构构造造物物可可不不进进行行抗抗震震强强度度和和稳稳定定性性验验算算，但但应采取抗震措施应采取抗震措施（1）简支梁的上部构造；）简支梁的上部构造；（2）基基本本烈烈度度低低于于9度度，基基础础位位于于I、II类类场场地地上上的的跨跨径不大于径不大于30m的单孔板拱拱圈；的单孔板拱拱圈；（3）基基本本烈烈度度低低于于8度度，二二、三三、四四级级公公路路上上位位于于非非液化土和非软弱粘性土地基上的实体墩台。液化土和非软弱粘性土地基上的实体墩台。2验验算算桥桥梁梁的的抗抗震震强强度度和和稳稳定定性性时时，地地震震荷荷载载应应与与结结构构重重力力、土土的的重重力力和和水水的
18、的浮浮力力相相组组合合，其其它它荷荷载载可不考虑。可不考虑。 3计计算算桥桥梁梁地地震震荷荷载载时时，应应分分别别考考虑虑顺顺桥桥和和横横桥桥两两个个方方向向的的水水平平地地震震荷荷载载。对对于于位位于于基基本本烈烈度度为为9度度区区的的大大跨跨径径悬悬臂臂梁梁桥桥，还还应应考考虑虑上上、下下两两个个方方向向竖向地震荷载和水平地震荷载的不利组合。竖向地震荷载和水平地震荷载的不利组合。4立立体体交交叉叉的的跨跨线线工工程程，其其抗抗震震设设计计不不应应低低于于下下线线工程的要求。工程的要求。5季季节节性性河河流流上上的的桥桥梁梁，可可不不考考虑虑水水流流影影响响；常常年年有有水水的的河河流流上上
19、的的桥桥梁梁，应应按按常常水水位位计计算算水水的的浮浮力力；位位于于常常水水位位水水深深超超过过5m的的实实体体桥桥墩墩、空空心心桥桥墩墩的的抗震设计，应计入地震动水压力。抗震设计，应计入地震动水压力。6梁梁桥桥下下部部结结构构的的抗抗震震设设计计，应应考考虑虑上上部部结结构构的的地地震震荷荷载载。其其作作用用点点的的位位置置，顺顺桥桥向向为为支支座座顶顶面面；横桥向为上部结构质量重心。横桥向为上部结构质量重心。7位位于于非非岩岩石石地地基基上上的的梁梁桥桥桥桥墩墩抗抗震震设设计计，应应计计入入地基变形的影响。地基变形的影响。8地地震震荷荷载载的的计计算算法法，一一般般情情况况下下桥桥墩墩应应
20、采采用用反反应应谱谱理理论论计计算算，桥桥台台采采用用静静力力法法。对对于于结结构构特特别别复复杂杂、桥桥墩墩高高度度超超过过30m的的特特大大桥桥梁梁，可可采采用用时时程程分分析法。析法。 第二节第二节 桥梁结构地震反应分析方法桥梁结构地震反应分析方法 一、静力法一、静力法 假设结构为一刚体，把惯性力作为静力作用在结假设结构为一刚体，把惯性力作为静力作用在结构上。计算公式构上。计算公式F=kW 式中式中W为结构总重量或结构中某一部分的重量；为结构总重量或结构中某一部分的重量； k水水平平地地震震系系数数，即即地地面面运运动动加加速速度度峰峰值值与与重力加速度的比值。重力加速度的比值。 二、反
21、应谱法二、反应谱法 把建筑设计反应谱中的地震影响系数把建筑设计反应谱中的地震影响系数 分为两项：分为两项： 1. 地震系数地震系数K：根据基本烈度确定。：根据基本烈度确定。 2. 动力放大系数动力放大系数 ：根据场地类别、结构自振周期确定：根据场地类别、结构自振周期确定 (1)当结构自振周期当结构自振周期T=0时，时， =l ； (2)当当0 T 0.1s时，时， 在在1与与2.25之间按线性规律变化。之间按线性规律变化。 (3)当当0.1s T Tg时，时， 取最大值取最大值2.25。 (4)当当Tg T时，时， 分别以不同的指数函数衰减；分别以不同的指数函数衰减； (5)当当T较长时，为了安全，反应谱给出了较长时，为了安全，反应谱给出了 的下限的下限0.3。四条四条 曲线下降到曲线下降到0.3时的周期分别为时的周期分别为1.5s，2.35s，3.8s和和6.5s左右。左右。动力放大系数动力放大系数
