工程结构抗震设计基础 Prat1 工程结构的隔震与消能减震
结构隔震与消能减震设计的基础知识PPT文档61页
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——
建筑结构在地震中的动力响应与减震设计
建筑结构在地震中的动力响应与减震设计地震是自然界的一种常见现象，其破坏力不容小觑。
建筑物作为人类生活和工作的场所，必须能够承受地震带来的冲击，确保人身和财产的安全。
因此，建筑结构的地震设计显得尤为重要。
本文将探讨建筑结构在地震中的动力响应和减震设计两个方面。
一、建筑结构在地震中的动力响应地震是由地震波引起的，地震波的传播速度很快，当地震波通过建筑物时，它会对建筑结构造成一定的振动。
建筑结构的动力响应是指建筑结构在地震中产生的振动响应。
1. 自振频率建筑结构具有自振频率，当地震波的频率与建筑结构的自振频率相近时，会发生共振现象，从而增大结构的响应。
因此，设计中需要合理选择材料和结构形式，以控制自振频率。
2. 动力放大系数建筑结构在地震中的振动会引起动力放大效应，即地震波对结构的影响程度会因结构的特性而不同。
在设计中，需要根据地震活动区域的特点和建筑结构的特性，选择适当的动力放大系数。
3. 换能特性地震波会将地震能量转化为建筑结构的振动能量，这种能量转换称为换能。
换能特性的研究有助于了解地震波的传播规律和对建筑结构的影响程度，从而指导减震设计的实施。
二、减震设计减震设计是通过采取一系列措施，减小地震对建筑结构的影响，从而提高建筑物在地震中的抗震能力。
1. 基础设计建筑物的基础是抗震设计的基础，合理的基础设计可以提高结构的稳定性和抗震能力。
选择合适的基础类型、合理布置和加固基础等措施，能有效降低地震对建筑结构的影响。
2. 结构设计在结构设计中，需要根据地震波的特点和建筑物的用途，选择合适的结构形式和材料。
常见的减震设计方法包括增大横向刚度、采用减震层、设置阻尼器等，这些措施能够有效减少地震对建筑结构的破坏。
3. 非结构性措施除了结构设计外，还可以采取一些非结构性措施来减小地震对建筑物的影响。
如设置减震垫、加固设备和家具等，这些措施能够降低地震波对建筑内部的影响，保护人身安全。
结尾：建筑结构在地震中的动力响应和减震设计是保障人身安全和财产安全的重要环节。
工程结构抗震与防灾_东南大学_4 第四章建筑结构基础隔震和消能减震设计_1 第1讲建筑结构基础隔震与消能减
4.2
建筑结构消能减震设计
南加州大学医院医院(隔震)
Olive View医院(不隔震)
4隔.2震与非建筑隔结构震消结能减构震设地计 震反应对 比
隔震建筑室内家具完好
非隔震建筑室内家具翻倒
国家精品课程《工程结构抗震与防灾》课件
4.2
建筑结构消能减震设计
一、结构消能减震概述
■ 传统抗震设计方法以概率理论为基础，提出三水准的设防要 求，并通过两个阶段设计来实现 。
东南大学土木工程学院
国家精品课程《工程结构抗震与防灾》课件
4.2
建筑结构消能减震设计
(六)结构消能减震技术的优越性
1. 安全性 消能器在强震中能率先消耗地震能量，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。
2. 经济性 消能减震结构是通过“柔性消能”的途径减少结构的
地震反应，因而可以减少剪力墙的设置，减少结构断面和 配筋，并提高结构的抗震性能。
风或可 能施加的其它外力）列向量；
x(t) x (t) x(t) ——分别为结构在外部作用（或荷载）下的加速度、
速度和位移反应列向量；
xg
——是地面的地震加速度反应;
I
——为单位列向量。
结构控制就是通过调整结构的自振频率ω或自振周期T（通
过改变K，M）或增大阻尼C，或施加控制力F(t)，以大大减少
结构在地震（或风）作用下的反应。
东南大学土木工程学院
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4.2
建筑结构消能减震设计
(二)结构消能减震设计的概念
指在房屋结构中设置消能装置，通过其局部变形提供附加 阻尼，以消耗输入上部结构的地震能量，达到预期设防要求。
地震时结构的能量转换过程：
隔震建筑结构设计与工程减震
隔震建筑结构设计与工程减震隔震是工程减震研究最早、应用最广的技术，主要通过在建筑相应部位设置隔震机构来隔离耗散地震能量，避免减少其向上部结构的传输，来达到减震目的。
隔震技术设防策略主要立足于“隔离避让”、“以柔克刚”。
隔震设计或隔震术有助于降低建筑物，特别是高层建筑在地震中的影响，与传统方法相比，更为合理可靠。
标签：隔震技术工程减震隔震设计地震是一种对建筑物破坏性极强的自然灾害。
有中国特色社会主义社会的迅速发展对现有建筑结构的性能水准和功能提出了更高的要求。
研究更加经济、安全、可靠的结构抗震新体系，修正、补充，完善现有的结构抗震设计理论与方法，己成为工程结构领域的重要课题，对有效地减轻地震灾害有重要的现实意义。
由于传统的技术对结构震后的性能和不可靠程度缺乏准确地了解，故较难达到强度和延性的合理匹配。
采用隔震技术对通过在隔震层设置刚度很小的隔震装置，将地震变形集中到隔震装置上，对提高结构的抗震性能意义重大。
过去，传统抗震结构耗能能力依赖于主体结构的延性，即主要利用构件屈服后的塑性变形和耗能来耗散地震的能量。
这种抗震结构是通过在结构设计中设置多道抗震设防线、选用耗能的构件和对结构的刚度、承载力、延性的合理匹配来提高抗震结构耗能能力。
很难实现既要求主体结构强度高，又要求延性好。
一旦这些区域产生问题，就会严重的影响结构的抗震性能，甚至产生严重破坏。
防止结构倒塌是抗震的目标，传统抗震结构性能在很大程度上依赖于构件自身的延性，但却忽略了对结构损伤程度的控制。
而且由于破坏部位位于结构主要抗震构件，修复是复杂而又难进行的。
基于性能的隔震技术抗震设计方法是抗震设计发展的主流。
隔震技术属近年兴起的新兴学科，即通过隔震吸收地震能量，有效地减少结构的水平地震作用，消除或减轻建筑物的地震损坏，增强其地震安全性，提高抗震能力。
隔震技术不仅在新建工程中获得应用，而且可以用于旧有建筑的抗震加固，改造。
隔震装置可安装在结构的防火层或设备层，隔震层可设置在结构的不同部位，如基础、中间层等，也可设置在房屋的顶层，同时起到结构加层和抗震加固的目的。
工程结构抗震设计基础 Prat1 工程结构的隔震与消能减震
3) 隔震结构减震原理
隔震支座在小变形时刚度较大，可保证结构在风 荷载或小震作用下的正常使用功能。
在遭遇罕遇地震而发生大变形时，其水平刚度下降 较多，约为初始刚度的1／4～1／5(如图4—9所示)，使 结构的自振周期大大延长、远离场地特征周期，有效地 降低上部结构的地震反应(图4—10)。隔震后，结构的地 震作用约可降低为隔震前的l／4—1／12。
虽然隔震装置需要增加造价(约5％)，但建筑总 造价仍可降低，且安全度大大提高。
结构隔震体系特别适用于下述工程：
(a) 地震区二至三十层的民用建筑，如住宅、办公楼、 教学楼、宿舍楼、剧院、旅馆、大商场等。
(b) 地震区的生命线工程，如医院、通信中心、交通 枢纽、机场等。
(c) 地震区的重要建筑结构物，如重要历史性建 筑、博物馆、重要纪念性建筑物、文物或档案馆、 重要图书馆、法院、监狱、危险品仓库、有核辐 射装置等建筑。
2) 隔震层
(1) 多层橡胶支座的构造
多层橡胶隔层支座由薄橡胶片与钢板相互交错叠 置而成，如图4—6所示。
(2) 多层橡胶隔震支座的工作原理
多层橡胶隔震支座的工作原理如图4—7所示。
当橡胶支座承受垂直荷载时，橡胶层的横向变形 受到约束，使隔震支座具有很大的垂直承载力和竖向 刚度。
当橡胶支座承受水平荷载时，橡胶层的相对侧移 大为减少，使隔震支座的整体侧移增加而不致失稳， 并且保持较小的水平刚度。
按结构控制的技术方法进行分类，一般可分为被 动控制、半主动控制、主动控制及混合控制等类型。 如图4—1所示。
1) 被动控制
被动控制是指无外加能源的控制，其控制力是由 于控制装置随结构一起振动变形而被动产生。通常在 结构中安装经调整的控制装置，以隔离或减少结构内 的地震能量，减少主体结构的地震反应。被动控制包 括隔震、耗能减震、吸振减震等方法。 (a) 隔震是指在工程结构中设置某种隔震装置以隔离 地震作用，减少地震反应的方法。是被动控制方法中 应用较早、理论和技术较为成熟的一种。
新《减震抗震设计规范》中的隔震与消能减震资料
新《减震抗震设计规范》中的隔震与消能减震资料3、隔震和消能减震设计的主要优点隔震体系能够减小结构的水平地震作用，已被理论和国外强震记录所证实。
国内外的大量试验和工程经验表明：“隔震”一般可使结构的水平地震作用降低60％左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施、人员在地震时的安全性，增加震后建筑物继续使用的能力。
采用消能方案可以减少结构在风作用下的位移已是公认的事实，对减少结构水平和竖向地震反应也是有效的。
4、隔震和消能减震设计的适用范围1)、隔震设计的适用范围规范12.1.3条对隔震结构提出了一些使用要求。
根据研究：隔震结构主要用于体型基本规则的低层和多层建筑结构。
日本和美国的经验表明，不隔震时基本周期小于1.0秒的建筑结构减震效果与经济性均最好，对于高层建筑效果较差。
国外对隔震建筑工程的较多考察资料表明：硬土场地较适合于隔震建筑；软弱场地滤掉了地震波的中高频分量，延长结构的周期有可能增大而不是减小其地震反应。
墨西哥地震就是一个典型的例子。
日本“隔震结构设计技术标准”（草案）规定，隔震建筑适用于一、二类场地。
我国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的反应谱周期均较小，故都可建造隔震建筑。
隔震设计中对风荷载和其他非地震作用的水平荷载给予一些限制（规范12.1.3条3款）是为了保证隔震结构具有可靠的抗倾覆能力。
就使用功能而论，隔震结构可用于：医院、银行、保险、通讯、警察、消防、电力等重要建筑；首脑机关、指挥中心以及放置贵重设备、物品的房屋；图书馆和纪念性建筑；一般工业与民用建筑；建筑物的抗震加固。
2)、消能设计的适用范围消能部件的置入，不改变主体承载结构的体系，又可减少结构的水平和竖向地震作用，不受结构类型和高度的限制，在新建和建筑抗震加固中均可采用。
二、隔震与消能减震设计要求1、设计方案建筑结构的隔震和消能减震设计，应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，与建筑抗震设计的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析后，确定其设计方案。
工程结构抗震与防灾_东南大学_4 第四章建筑结构基础隔震和消能减震设计_2 第2讲建筑结构隔震设计
图 隔震结构计算简图
分析对比结构隔震与非隔震两种情况下各层最大层 间剪力，宜采用多遇地震下的时程分析。
弹性计算时，简化计算和反应谱分析时宜按隔震支 座水平剪切应变为100%时的性能参数进行计算；当采 用时程分析法时按设计基本地震加速度输入进行计算。
4.2
建筑结构消能减震设计
(3)上部结构水平地震作用计算－水平向减震系数应用
c.当橡胶支座的第二形状系数小于5.0时，应降低平均压应力限值；小于5不 小于4时，降低20%；小于4但不小于3时，降低40%；
d.外径小于300mm的橡胶支座，丙类建筑的平均压应力限值为10MPa。
4.2
建筑结构消能减震设计
(3)隔震支座水平剪力计算
隔震支座的水平剪力应根据隔震层在罕遇地震下的水平剪力按各隔
② 隔震层以上结构的抗震措施
当水平向减震系数为大于0.40时（设置阻尼器为0.38）不应
降低非隔震时的要求;水平向减震系数不大于0.40 （设置阻尼器 为0.38）时，可适当降低抗震规范对非隔震建筑的要求，但烈度 降低不得超过1度，与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不 应降低。
4.2
建筑结构消能减震设计
隔震层在罕遇地震下应保持稳定，不宜出现不可恢复变形。 隔震层橡胶支座在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下，拉应力
不应大于1Mpa。 隔震层的平面布置应力求具有良好的对称性。
4.2
建筑结构消能减震设计
(2) 隔震支座竖向承载力验算
抗震规范规定：隔震支座在重力荷载代表值作用下的竖向压应力 设计值不应超过下表列出的限值。
经历相应设计基准期的耐久试验后，刚度、阻尼特性变化不超过初期 值的±20%;徐变量不超过支座橡胶总厚度的0.05倍;
隔震和消能减震设计
隔震和消能减震设计12.1一般规定12.1.1本章适用于在建筑上部结构与基础之间设置隔震层以隔离地震能量的房屋隔震设计，以及在抗侧力结构中设置消能器吸收与消耗地震能量的房屋消能减震设计。
采用隔震和消能减震设计的建筑结构，应符合本规范第3.8.1条的规定，其抗震设防目标应符合本规范第3.8.2条的规定。
注：1本章隔震设计指在房屋底部设置的由橡胶隔震支座和阻尼器等部件组成的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期、增大阻尼，减少输入上部结构的地震能量,达到预期防震要求。
2消能减震设计指在房屋结构中设置消能装置，通过其局部变形提供附加阻尼，以消耗输入上部结构的地震能量,达到预期防震要求。
12.1.2建筑结构的隔震设计和消能减震设计，应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求,与采用抗震设计的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析，后确定其设计方案。
12.1.33需要减少地震作用的多层砌体和钢筋混凝土框架等结构类型的房屋，采用隔震设计时应符合下列各项要求：1结构体型基本规则,不隔震时可在两个主轴方向分别采用本规范第5.1.2条规定的底部剪力法进行计算且结构基本周期小于1.0s；体型复杂结构采用隔震设计，宜通过模型试验后确定。
2建筑场地宜为I、II、In类，并应选用稳定性较好的基础类型。
3风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%o4隔震层应提供必要的竖向承载力、侧向刚度和阻尼；穿过隔震层的设备配管、配线，应采用柔性连接或其他有效措施适应隔震层的罕遇地震水平位移。
12.1.4需要减少地震水平位移的钢和钢筋混凝土等结构类型的房屋宜采用消能减震设计。
消能部件应对结构提供足够的附加阻尼尚应根据其结构类型分别符合本规范相应章节的设计要求。
12.1.55隔震和消能减震设计时，隔震部件和消能减震部件应符合下列要求：1隔震部件和消能减震部件的耐久性和设计参数应由试验确定。
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(b) 耗能减震技术是把结构物中的某些构件(如支撑、 剪力墙等)设计成耗能部件或在结构物的某些部位装设 阻尼器以耗散罕遇地震作用下的地震能量，保护主体 结构在罕遇地震作用下的安全的方法。
2) 隔震层
(1) 多层橡胶支座的构造
多层橡胶隔层支座由薄橡胶片与钢板相互交错叠 置而成，如图4—6所示。
(2) 多层橡胶隔震支座的工作原理
多层橡胶隔震支座的工作原理如图4—7所示。
当橡胶支座承受垂直荷载时，橡胶层的横向变形 受到约束，使隔震支座具有很大的垂直承载力和竖向 刚度。
2 ) 主动控制
主动控制是有外加能源的控制，其控制力是由控制装置按某种控 制规律，由外加能源主动施加的。
由于主动控制的减震效果基本上不依赖于外部扰动，其控 制效果明显优于被动控制。
常用的主动控制装置有：主动控制调谐质量控制系统(AMD)、 主动TMD、主动锚索控制系统等。
主动控制特别适用于对抗震(抗风)要求较高的重要建筑、高层建筑、 重要桥梁、特种建筑等，但费用较高。 大型柔性空间结构，如大型空 间天线、太阳能帆板等，具有低频率、低阻尼、轻质量和大跨度的特 点，任何外界干扰都可能引起这些结构持续大幅的振功，严重时将影 响航大器工作甚至导致航大任务的失败。因此，必须采取措施对其有 害振动进行抑制。主动振动控制技术被认为是解决大型柔性结构振动 控制问题的一种有效的方法
1 结构控制方法概述
传统的结构抗震设计是通过加强结构自身的抗震 能力以抵抗地震作用，如加大构件尺寸、提高材料强 度等，使结构满足小震不坏、中震可修、大震不倒的 抗震设防目标。
然而，传统方法不仅使结构造价大大增加，而且， 由于地震作用的不确定性而难以达到预期效果。
为了使重要建筑物(如纪念性建筑、博物馆、核电 站、通讯枢纽、大型桥梁等)在强震时能保证正常运行 功能，可以运用结构控制理论进行工程结构抗震设计。
较为成熟，设计计算较成熟
主振型较为明显稳定的多高层、超 技术基本成熟，设计计算需进一
高层建筑、塔架、大跨度桥梁等
步研究主动控制对抗风求较高的建筑物技术尚待完善，运行费用较高
混合控制及 半主动控制
各种不同类型、不同要求的建筑物
组合合理可以达到较好效果
2 工程结构隔震
1 ) 概述
图4-2为英国医生J.A. Calantarients在1909年发明的 隔震方案。
(c) 吸振减震技术是在主体结构中附加子结构、使结 构的振动发生转移的方法。即：使结构的振动能量在 原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小结构振 动的目的。
主要的吸振减震装置有：①调谐质量阻尼系统
(TMD)；②调谐阻尼系统(TLD)；③调谐液柱式阻尼系 统(TLCD)；④质量泵；⑤液压一控制系统(HMS)；⑥ 空气阻尼器；⑦油阻尼器等。
按结构控制的技术方法进行分类，一般可分为被 动控制、半主动控制、主动控制及混合控制等类型。 如图4—1所示。
1) 被动控制
被动控制是指无外加能源的控制，其控制力是由 于控制装置随结构一起振动变形而被动产生。通常在 结构中安装经调整的控制装置，以隔离或减少结构内 的地震能量，减少主体结构的地震反应。被动控制包 括隔震、耗能减震、吸振减震等方法。 (a) 隔震是指在工程结构中设置某种隔震装置以隔离 地震作用，减少地震反应的方法。是被动控制方法中 应用较早、理论和技术较为成熟的一种。
隔震结构体系一般由上部结构、隔震层、下部结 构三部分组成。由隔震装置组成的隔震层可根据需要 设置在结构的不同部位，如图4—4所示。隔震层也可 由隔震装置和限制结构位移的阻尼器组成。将隔震层 设置在结构物底部与基础或地下结构柱顶之间的结构 体系称为基础隔震体系[图4—4(a)]。
隔震装置有多层橡胶支座、滚动支座、滑动式支 座、摆动式支座等各种不同形式，如图4—5所示。
电梯是高层建筑的重要运输上具。随着城市的扩张和
高层建筑的发展，电梯的速度不断提高。速度的提高使 得电梯振动加剧，影响了乘坐舒适性以及电梯的使用寿命。 因此，振动控制是高速电梯需要解决的重要课题。电梯的 振动包括垂直振动和水平振动两方而，目前国内对电梯振 动的研究主要集中于垂直振动方面。
瞿伟廉 MR半主动阻尼器
目前，结构控制理论已从工程结构基础隔震发展 到主动控制地震反应(或工程结构的减震控制)。
工程结构的减震控制：指通过在工程结构的特定 部位，设置某种装置或某种机构，如隔震支座、消能 支撑、消能剪力墙、消能器等，或某种子结构或施加 外力等方法，调整或改变结构的动力参数或动力作用。
这种使工程结构在地震(或风)作用下的动力反应 (加速度、速度、位移)得到合理控制，确保结构本身及 结构中人、仪器、设备、装潢等的安全和处于正常使 用状态的结构体系，称为工程结构减震控制体系，其 相关的理论、技术和方法，统称为工程结构减震控制。
3) 混合控制及半主动控制
结构的混合控制系统是将主动控制系统和被动控 制系统同时施加在一个结构，或同时应用若干种控制 方法的结构控制系统。它可以充分发挥各种控制方法 及控制装置的优点，控制效果更好。同时系统的稳定 性和可靠度有所增强。
4 ) 各种控制技术的比较
各种控制技术的对比见表4-1。
表4-1 各种控制技术的比较
控制技术 隔震
消能减震 质量调谐等
应用范围
特点及存在主要问题
一至三十层，或高宽比不大于4的建 筑物，要求确保地震中绝对安全的 结构物、桥梁、设备、仪器等
安全可靠，减震效果明显，技术 较为成熟，产品耐久性、稳定性 能较好，设计计算方法成熟
水平刚度较小的多高层建筑、塔架、 安全可靠，减震效果明显，技术
大跨度桥梁、管线等
该方案建议在建筑结构与基础之间用滑石层隔开， 地震时建筑物可以产生滑动，避免建筑物产生破坏。
设计中还针对地震引起建筑物与基础之间的相对 位移，对煤气管和排水管采用了可变形的连接装置。
1924年，日本的鬼头健三郎申请的建筑物抗震装 置专利，是在柱脚处设置盘状凹面，其间放入球体来 支承建筑物(如图4—3)。