建筑消能减震设计技术及工程实例讲解
建筑结构消能减震的控制方法
建筑结构消能减震的控制方法汇报人：日期:•引言•建筑结构消能减震的基本原理•建筑结构消能减震的控制方法•建筑结构消能减震的优化设计目•工程实例分析•研究展望与未来发展趋势录引言01CATALOGUE地震是一种常见的自然灾害，对人类社会和自然环境造成极大的破坏。
传统的建筑结构抗震设计主要是依靠结构本身的强度来抵抗地震，但这种方法的效果有限，并且难以应对强烈地震。
因此，研究建筑结构的消能减震控制方法，提高建筑结构在地震作用下的安全性，对于保障人类生命财产安全具有重要意义。
研究背景和意义研究现状和发展趋势国内外学者已经开展了大量的研究工作，提出了多种消能减震技术，如阻尼器、隔震支座、调谐质量阻尼器等。
未来，随着材料科学和计算机技术的发展，消能减震技术将更加智能化、高效化，为建筑结构的抗震设计提供更加可靠的技术支持。
建筑结构消能减震的基本原理02CATALOGUE通过在建筑结构中设置消能构件或系统，以减少地震对结构的影响，提高结构的抗震性能。
消能减震技术被动消能减震主动消能减震利用阻尼材料或装置（如橡胶隔震支座、铅阻尼器等）吸收地震能量，以减小结构振动反应。
利用传感器、控制器和作动器组成的系统，实时监测地震动并控制结构反应，以减小结构振动反应。
030201消能减震的概念和分类能量守恒01在地震过程中，建筑结构会受到来自地面的地震能量作用。
消能减震技术通过设置消能构件或系统，吸收或消耗地震能量，降低结构振动反应。
动能定理02建筑结构在地震作用下的动能与地震动输入能量和结构阻尼消耗能量之差成正比。
消能减震技术通过增大结构阻尼，提高结构消耗能量的能力，从而减小结构振动反应。
势能定理03建筑结构在地震作用下的位移与结构势能变化量成正比。
消能减震技术通过改变结构刚度，降低结构势能变化量，从而减小结构振动反应。
优化设计通过对建筑结构进行优化设计，降低结构在地震作用下的响应，提高结构的整体性能。
精细化评估通过对建筑结构的地震响应进行精细化评估，揭示消能减震技术的减震效果和适用范围，为实际工程应用提供指导。
土木工程中的消能减震结构设计研究
土木工程中的消能减震结构设计研究在土木工程领域，保障建筑物在地震等自然灾害中的安全性至关重要。
消能减震结构设计作为一种有效的抗震手段，近年来受到了广泛的关注和研究。
本文将对土木工程中的消能减震结构设计进行深入探讨。
一、消能减震结构的基本原理消能减震结构的核心原理是通过在结构中设置专门的消能部件，如阻尼器，来消耗地震输入结构的能量，从而减轻主体结构的地震响应。
当建筑物受到地震作用时，消能部件能够产生较大的阻尼力，迅速将地震能量转化为热能等其他形式的能量耗散掉，降低结构的振动幅度和变形，保护主体结构的完整性和稳定性。
常见的消能器包括粘滞阻尼器、金属阻尼器、摩擦阻尼器等。
粘滞阻尼器利用液体的粘性阻力来消耗能量；金属阻尼器则依靠金属材料的塑性变形来实现耗能；摩擦阻尼器通过接触面的摩擦力来消耗能量。
二、消能减震结构设计的关键要素1、消能器的选型与布置消能器的类型和性能应根据建筑物的结构特点、地震烈度、使用功能等因素进行选择。
在布置消能器时，需要考虑结构的受力特点和变形模式，使消能器能够在地震作用下充分发挥作用。
一般来说，消能器应布置在结构的变形较大、受力复杂的部位，如框架结构的梁柱节点、剪力墙结构的连梁等。
2、结构分析与计算进行消能减震结构设计时，需要采用合适的分析方法和计算软件，准确模拟消能器的力学性能和结构的地震响应。
常用的分析方法包括时程分析法、振型分解反应谱法等。
时程分析法能够较为真实地反映结构在地震作用下的动态响应，但计算量较大；振型分解反应谱法则相对简单，但对于复杂结构和消能器的模拟可能不够精确。
3、连接构造设计消能器与主体结构之间的连接构造至关重要，它直接影响消能器的工作性能和结构的安全性。
连接构造应具有足够的强度、刚度和耐久性，能够可靠地传递消能器产生的力和变形。
同时，还应考虑连接构造的施工可行性和维护便利性。
三、消能减震结构设计的流程1、确定设计目标根据建筑物的重要性、使用功能和所处地区的地震危险性，确定消能减震结构的设计目标，如降低结构的地震响应、保证人员生命安全、减少经济损失等。
建筑消能减震设计技术及工程实例讲解(PPT,40页)
阻尼力（kＮ）
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5 0
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-1
-1.5
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时间（s）
12
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无阻尼器４层
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无阻尼器４层
有阻尼器４层
幅值
幅值
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0
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频率(Hz)
频率(Hz)
振动台试验传递函数曲线特征： 12
无阻尼器３层
8 有阻尼器３层
1.5
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0 0
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80
时 间 （ s）
上海人工波峰值为50gal 时四层加速度响应比较（控制效果62.1%）
加速度（g）
0.25 0.2
0.15 0.1
0.05 0
-0.05 0 -0.1
-0.15 -0.2
无阻尼器
有阻尼器
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80
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时间（s）
上海人工波峰值为 50gal 时四层位移响应比较（控制效果 78.3%）
1. 确定需要阻尼比ζr
max / T / 0.05 (r 0.05)
Δmax为无控原结构在中震工况下所得的层间位移峰值； ΔT为减震结构的层间位移目标值； ζr 为结构减震所需要的附加阻尼比； 0.05为《2010抗规》中5%阻尼比的地震影响系数；
消能减震结构体系及设计方法
消能减震结构体系 及设计方法
消能减震,耗能减震,制震
薛彦涛
中国建筑科学研究院
13501034240
消能减震结构
一、什么是消能减震结构
一、什么是消能减震结构 二、消能器有哪几种 三、消能减震适用什么样的结构 四、消能减震的试验研究 五、消能器与结构如何连接结构 六、消能减震结构如何设计 七、工程介绍
阻尼是靠结构局部损坏产生 的，例如梁、柱的塑性铰。
多遇地震下 多遇地震下： 地震下： 结构处于弹性状态，结构阻尼由组成 的材料决定。 如：钢筋混凝土结构5% 钢结构 2%
1
大震下结构几种塑性铰形式
地震中出现构件损伤
强柱弱梁型
强梁弱柱型
偏心支撑
不同阻尼下的反应谱
框架，框架剪力墙，消能减震框架 在ELCENTRO波输入的反应
。
年的九二一集集大地震，造成許多 人员伤亡，让人印象深刻。台湾地处板块交 界处，每年约有8000多次的地震发生，强度 不一。 当地震來临时高楼大厦搖晃严重，纵使 大樓没有破坏发生，也难以确保居住的安全 性。目前建筑用来抵抗地震的方法，除了建 物结构体外，就是加装隔震、制震装置。
1999
台湾许多建筑已经采用消能减震技术，在经 历过无数大小地震的震撼教育后，台湾民众及建 造商对建筑物有了防震的概念。选择信誉卓越及 优良技术的制震技术，來降低地震的损害，确保 生命财产安全，以及维持建筑物的功能。 因应四川震灾，全台在预售豪宅推销宣传 中，又重新标榜各种超规格制震住宅，
优点 ：
屈曲约束支撑的优点
利用各种类型消能器的组合成一个高 效的消能系统
３．支撑构件好比结构体系中可更换的保险丝， 既可保护其他构件免遭破坏，并且大震后， 可以方便地更换损坏的支撑。 ４．由于屈曲约束支撑具有很高的变形能力，因 此框架支撑结构具有较强的抗倒塌能力，在 抗震加固中，屈曲约束支撑比传统的支撑系 统更有优越性。
北京某小学科技楼消能减震分析与设计
北京某小学科技楼消能减震分析与设计北京某小学科技楼消能减震分析与设计近年来，建筑结构的耐震性在各类建筑物中变得越来越重要。
在地震频发的中国地区，建筑物的耐震设计尤为关键。
北京某小学科技楼作为一座关键公共建筑，其耐震性能的优化设计非常重要。
本文将对该科技楼的消能减震分析和设计进行探讨。
科技楼作为一种高层建筑，其耐震性能直接关系到人们的生命安全。
一旦发生地震，科技楼的结构必须能够承受地震产生的力量，保证人们在建筑内的安全。
因此，对科技楼的消能减震设计至关重要。
首先，我们需要对科技楼的结构进行分析。
科技楼一般采用钢筋混凝土框架结构，该结构的耐震性能较好。
然而，为了进一步提高科技楼的耐震性，我们可以在设计中加入一些消能减震装置。
消能减震设计旨在通过改变结构的刚度和耗能能力，将地震能量转化为结构内部的能量耗散，从而减轻地震对建筑物的破坏力。
常见的消能减震装置包括减震支座、阻尼器和隔震系统等。
在科技楼的设计中，我们可以采用减震支座，将其应用于建筑物的底部或者特定位置。
减震支座是一种能够在地震中减轻结构受力的装置，其主要作用是将地震产生的水平力传递到地面上，从而减轻建筑物的承受力。
减震支座通常采用橡胶、钢球或者液压等材料制作，通过其特殊的形状和材质，能够在地震中吸收和耗散大部分的地震能量。
此外，阻尼器也是消能减震设计中常用的一种装置。
阻尼器主要通过阻尼的作用，将地震产生的振动能量转化为热能，降低结构的振动幅度。
阻尼器通常由缓冲包覆材料、温度敏感材料和液体等组成，其优点是结构简单、易于安装和调整。
最后，隔震系统也是一种有效的消能减震设计。
隔震系统可以将建筑物与地面分离，通过与地面的隔离层之间的摩擦和弹性变形，减少地震动对建筑物的传递。
隔震系统主要由隔震层、支座和隔震材料等组成，具有结构简单、节约材料和适应性强的特点。
在北京某小学科技楼的消能减震设计中，我们可以综合采用上述减震支座、阻尼器和隔震系统等装置，对建筑结构进行优化。
消能减震设计讲解
不考虑扭转影响时，消能减震结构在其水平 地震作用下的总应变能，可按下式估算：
Ws＝1 / 2FiUi
Fi——质点i的水平地震作用标准值； Ui——质点i对应于水平地震作用标准值的位 移。
速度相关型消能器在水平地震作用下所消耗 的能量Wc，可按下式估算：
消能减震结构中的消能部件应沿 结构的两个主轴方向分别设置，消能 部件宜设置在层间变形较大的位置， 其数量和分布应通过综合分析合理确 定，并有利于提高整个结构的消能减 震能力，形成均匀合理的受力体系。
消能减震结构计算要点
（1）消能减震结构一般应采用非线性静力分 析法或非线性时程分析法计算。当主体结构 基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分析 方法作近似估算，并根据结构的变形特征和 高度等，采用底部剪力法、振型分解反应谱 法和时程分析法。其地震影响系数可根据消 能减震结构的总阻尼比按《规范》的规定计 算。
粘滞阻尼器
一般Kd=0，Cd= C0 ，阻尼力仅与速度有关， 可表示为：
Fd Cd
C0为粘滞阻尼器的阻尼系数，可由阻尼器的 产品型号或由试验确定。
粘弹性阻尼器
刚度Kd和阻尼系数Cd一般由下式确定：
AG( ) Kd
( )AG( )
Cd
η(ω)和 G(ω)分别是粘弹性材料的损失因子
和剪切模量，一般与频率和速度有关，由粘弹 性材料特性实验曲线确定，A和δ 分别是粘弹 性材料层的受剪面积和厚度，ω是结构振动的 频率，对于多自由度结构， ω可取结构弹性
振动的基本固有频率。
（2）滞变型消能器的恢复力模型
软钢类消能器具有类似的 滞回性能，仅其特征参数不同。 通常可采用图(a)所示的折线 形模型来描述。摩擦消能器和 铅消能器的滞回曲线近似为 “矩形”，基本不受荷载大小、 频率、循环次数等影响，故可 采用图（b）所示的刚塑性恢 复力模型。
建筑结构消能减震概述(2020.3.2)
周期。
周期比问题
设计实例-建筑图-支撑布置位置
(
(
设计实例-计算分析
(
(
设计实例-支撑设计
(
(
设计实例-支撑设计图、计算书
设计图：1.设计说明 2.平面布置图 3.立面布置图 4.节点示意图
绘制基础（1.设计院详细结构图纸（较准确）、2初步图纸或模型
（不准确））
计算书：支撑验算、节点验算
(
(
往复加载，每个变形
幅 值 循 环 加 载 3 次 。 -1/100
小吨位屈曲约束支撑：屈服承载力低于200吨、长度小于4m
屈曲约束支撑性能试验
目录
• 消能减震的类型概述 • 屈曲约束支撑 • 剪切阻尼器（屈曲约束支撑型阻尼器） • 屈曲约束耗能墙 • 粘滞阻尼器 • 隔震 • 结束语
剪切阻尼器设计图
普通钢板剪力墙
防屈曲耗能钢板墙
防屈曲耗能钢板墙
➢不会发生面外屈曲的钢板剪力墙，由承受水平荷载的钢 芯板和防止芯板发生面外屈曲的部件组合而成。 ➢主要依靠芯板的面内整体弯剪变形来平衡水平剪力。作 为核心抗侧力构件，芯板以钢板制成， ➢通过剪力键与面外约束部件相连，防止芯板面外屈曲， 使钢板墙的受剪屈曲临界荷载大于其抗剪屈服承载力。 ➢只会发生剪切屈服而不是剪切屈曲，改善耗能能力。 ➢面外约束板件还可以作为钢板墙的防火保护。
支撑的发展
• 普通中心支撑
支撑受压屈曲，结构刚度迅速下降、承载力低，耗能 性能差
• 偏心支撑
偏心支撑通过偏心梁端耗能，耗能性能较好，但震后 修复困难，且支撑刚度不能完全发挥
• 屈曲约束支撑
支撑不会屈曲，且保护梁柱构件不破坏，支撑刚度和 强度完全发挥
普通支撑的破坏
浅述建筑结构减震与消能减震设计
浅述建筑结构减震与消能减震设计建筑结构减震与消能减震设计是目前建筑工程设计领域中重要的技术方向，对于提高建筑结构的抗震能力和保护人员生命财产安全具有至关重要的作用。
本文将从基本概念、设计思路、主要方法和应用案例等方面进行阐述。
一、基本概念建筑结构减震是指通过一系列的减震措施，降低地震对建筑结构的影响，进而保护建筑结构的完整性和稳定性。
而消能减震是指在地震发生时，通过消除地震能量的传递和吸收，使建筑结构免受破坏。
二、设计思路建筑结构减震与消能减震设计的核心思路是通过改变建筑结构的刚度和能量耗散机制，将地震能量转化为非结构能量，减小地震对建筑结构的作用力。
常见的设计思路包括增加耗能装置、减小刚度、提高阻尼等。
三、主要方法1.增加耗能装置：通过在建筑结构中增加耗能装置，如高阻尼橡胶支座、摩擦阻尼器等，将地震能量转化为热能和摩擦能，从而减小建筑结构的震动响应。
2.减小刚度：通过采用灵活的结构系统，如钢结构、框架结构等，减小建筑结构的刚度，从而降低地震作用力。
3.提高阻尼：通过在建筑结构中增加阻尼装置，如粘滞阻尼器、液体阻尼器等，提高结构的阻尼比，减小地震能量的传递效应。
四、应用案例1.台北101大楼：台北101大楼是世界上首座采用金属球阻尼器的大楼，通过在楼顶设置800吨的金属球阻尼器，将地震能量转化为球体的动能和热能，有效减小了地震对大楼的影响。
2.八达岭长城高速公路桥：该桥采用了摩擦阻尼器作为剪力连接件，通过摩擦力将地震能量转化为热能和摩擦力，使桥梁在地震作用下能够有一定的位移和变形，保证桥梁结构的完好性。
3.日本东京迪士尼乐园：该乐园采用了高阻尼橡胶支座作为支撑装置，通过橡胶材料的阻尼特性，将地震能量转化为热能和弹性变形，保护了乐园内的建筑结构和设施。
综上所述，建筑结构减震与消能减震设计是提高建筑结构抗震性能的重要手段，通过增加耗能装置、减小刚度、提高阻尼等方法，能够有效降低地震对建筑结构的破坏作用。
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0.4 0.3 0.2 0.1
0 -0.1 0 -0.2 -0.3 -0.4
无阻尼器
有阻尼器
20
40
60
80
100
时间（s）
上海人工波峰值为0.2g时四层位移响应比较（控
位 移 （ mm）
150 100
50 0 0
-50
-100 -150
无阻尼器
有阻尼器
20
40
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80
100
时间（s）
上海人工波峰值为0.2g时二层阻尼力变化图
-0.05 0
-0.1 -0.15
-0.2
无阻尼器
有阻尼器
20
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时间（s）
上海人工波峰值为50gal时四层位移
位 移 （ mm）
100
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无阻尼器
有阻尼器
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80
100
时间（s）
上海人工波峰值为50gal时二层阻尼力
阻尼力（kN）
1.5
1
0.5
0
0
20
阻尼力（kＮ）
2.5 2
1.5 1
0.5 0
-0.5 0
-1 -1.5
-2 -2.5
20
40
60
80
100
时间（s）
12
8
无阻尼器４层
有阻尼器４层
9
6
6
4
无阻尼器４层
有阻尼器４层
幅值
幅值
3
2
0
0
0
3
6
9
12
15
0
3
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9
12
15
频率(Hz)
频率(Hz)
振动台试验传递函数曲线特征： 12
无阻尼器３层
8 有阻尼器３层
0
0
3
8
6 4
0
6
9
12
15
0
3
频率(Hz)
无阻尼器１层
8 有阻尼器１层
6
4
6
9
频率(Hz)
无阻尼器１层
12
15
有阻尼器１层
幅值
幅值
2
2
0
0
3
6
9
12
15
频率(Hz)
图4.41a Wn-1输入下结构各层传递函 数
0
0
3
6
9
12
15
频率(Hz)
图4.41b Wn-12输入下结构各层传递 函数
试验结束后无阻尼器模型顶层的传递函数
2. 消能减震结构的工程抗震力学意义
A. 消能结构减小地震作用的力学意义
B. 消能减小结构位移的力学意义
A. 消能结构减小地震作用的力学意义
2.5
= 2
ma
x
2
1.5
1
0.5
0 0 0.2 0.4 0.6 0.8
=(
Sa /amax
阻尼 .05 比0
阻尼 0.2
比 2
10
0.0 5 .06
1.
7
0. 0.
9 05
度)
0. 5
5
2
25 .16
cm
0 (8
m ax
a
/s 70 2 98 cm
2.
g
0 /s
1 1.2 1.4 1.6 1.8
2
2.2 2.4 2.6 2.8
3
B. 消能减小结构位移的力学意义
0.12
低阻尼位移谱
高阻尼位移谱
0.10
0.08
普通结构
0.06
位移减小
0.04
消能结构位移减小量
0.02
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
单质点体系模型表述减震机理
Ka 1/(1/kb 1/ kd)
阻尼器装置与连接构件的串联组合体
储存刚度=最大变形时的力/最大位移 损失刚度=零变形时的力/最大位移
10 20 30 40 50 60 70 80 时间（s）
El-Centro波峰值为50gal时二层阻尼力变
阻尼力（kN）
1.5
1
0.5
0
0 -0.5
204060
80
-1
-1.5 时间（s）
上海人工波峰值为50gal时四层加速度响应比较（控制效
加速度（g）
0.25 0.2
0.15 0.1
0.05 0
40
60
80
100
-0.5-1Fra bibliotek-1.5 时间（s）
El-Centro波峰值为0.2g时四层加速度响应比较（控制
加速度（g）
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
-0.1 0
-0.2 -0.3 -0.4
无阻尼器
有阻尼器
20
40
60
80
时间（s）
El-Centro波峰值为0.2g时四层位
位移（mm）
0
-9
-6
-3
0
3
6
9
-1
-2 二层层间位移(mm)
一层阻尼力(kN)
三层阻尼力(kN)
无阻尼器３层
有阻尼器３层
9
6
幅值
幅值
1、无阻结构响应曲线峰点明显，阻 6
4
尼小;
3
2
0
0
0
3
6
9
12
15
0
3
6
9
12
15
2、有阻结构响应曲线无明显峰点， 8
频率(Hz) 无阻尼器２层
8 有阻尼器２层
频率(Hz) 无阻尼器２层
有阻尼器２层
阻尼大;
6
6
幅值
幅值
4
4
说明: 有阻传递函数曲线被放大4倍。
2
2
消能结构的试验验证－振动台试验(1)
阻尼器及支撑示意图(2)
消能结构的试验验证－振动台试验(1)
70
3 3
700
700
3200
阻尼器及支撑示意图(1)
梁
阻尼器
斜撑
柱
加速度（g）
3. 模型的动力响应与分析
0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
0
-0.02 0
-0.04 -0.06 -0.08
0.42
0 0
0.42
1
2
3
周期(s)
0
4
0
无阻尼器2层
有阻尼器2层
0.84
反应谱(g)
1
2
3
周期(s)
0.42
0
4
0
无阻尼器3层
有阻尼器3层
1
2
3
4
周期(s)
无阻尼器1层
有阻尼器1层
1
2
3
4
周期(s)
二层阻尼力(kN)
四层阻尼力(kN)
2
1
0
-9
-6
-3
0
3
6
9
-1
-2 四层层间位移(mm)
2
1
80 60 40 20
0 -20 0 -40 -60 -80
无阻尼器
有阻尼器
20
40
60
80
时间（s）
El-Centro波峰值为0.2g时二层阻尼力变
阻尼力（kＮ）
2.5 2
1.5 1
0.5 0
-0.5 0
-1 -1.5
-2
20
40
60
80
时间（s）
上海人工波峰值为0.2g时四层加速度响应
加速度（g）
使用各种阻尼器的减震结构中的 能量吸收部分、附加体系、系统的稳态反应
软钢·摩擦阻尼器系统的(a)组成构件的定义 (b)荷载-变形曲线
装有软钢阻尼器的单自由度系统减震性能曲线
Rd u有阻 /u无阻
Ra R有阻 / R无阻
具有粘滞阻尼器的系统 (a)组成构件的定义 (b)荷载-变形曲线
粘滞系统的减震性能曲线
无阻尼器 有阻尼器
10 20 30 40 50 60 70 80 时间（s）
El-Centro波峰值为50gal时四层加速度响应比较（控制效果17.7%）
El-Centro波峰值为50gal时四层位移响应比较
位移（mm）
40 30 20 10 0 -10 0 -20 -30 -40
无阻尼器
有阻尼器
ＡＭＰＬＩＴＵＤＥ
7 6 5 4 3 2 1 0
0
5
10
15
ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ
试验结束前有阻尼器模型顶层的传递函数
ＡＭＰＬＩＴＵＤＥ
7 6 5 4 3 2 1 0
0
5
10
15
ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ
反应谱(g)
反应谱(g)
模型反应谱比较
无阻尼器4层
有阻尼器4层
0.84
0.84
反应谱(g)
0.42
0 0
0.84