被动减震结构设计简述
被动减震结构设计简述
被动减震结构设计简述被动减震结构是指将减震器等能量吸收装置引入建筑结构中，通过设备本身的抗震能力和消耗地震能量的功能，降低地震对建筑结构的破坏程度，保护人员财产安全的一种工程技术措施。
被动减震结构设计旨在提高建筑物的抗震能力，降低地震对结构的影响，保护人员财产安全。
被动减震结构设计的关键是合理选择减震器类型、减震器的位置以及结构的设计方式。
常见的减震器类型有隔震型减震器和阻尼器。
隔震型减震器一般是由橡胶、钢板等材料制成，通过抑制地震激励传递到建筑结构的方式来减少结构的震动。
阻尼器则是通过调节结构的能量耗散来减少结构的振动响应。
减震器的位置一般选择在结构的弱节点或振动响应较大的区域，以最大限度地减少地震对结构的破坏。
结构的设计方式则需要根据减震器的特性和结构的受力状态进行合理分析和确定。
减震器的选取需要考虑减震器的抗震性能、结构的特点以及经济性等因素。
隔震型减震器的选取需要考虑减震器的承载能力、导向性能以及隔震效果等。
阻尼器的选取需要考虑结构的空间限制、能耗性能以及阻尼器的使用寿命等。
被动减震结构设计的优点是能够有效降低结构的振动响应，减少地震对结构的影响，提高建筑物的抗震能力。
同时，被动减震结构设计也能够增加结构的耐久性，延长建筑物的使用寿命。
此外，被动减震结构设计还能够降低结构自重和地震荷载的影响，提高结构的稳定性。
被动减震结构设计的局限性主要体现在减震器的选取和结构的设计方面。
减震器的选取需要综合考虑减震器的性能、成本以及建筑物的特点等因素，往往需要进行复杂的计算和分析。
结构的设计则需要根据减震器的特性和受力状态进行合理分析和确定，对设计师的要求较高。
此外，被动减震结构设计还需要考虑减震器的维护和检测问题，以确保减震器的正常运行和使用寿命。
总之，被动减震结构设计是一种重要的工程技术措施，能够有效提高建筑物的抗震能力，保护人员财产安全。
尽管被动减震结构设计存在一定的局限性，但随着科学技术的不断发展和应用，被动减震结构设计在现代工程建设中的地位将日益重要，对于提高建筑物的抗震性能和保障人员财产安全具有重要的意义。
被动调频阻尼器及其减振设计
10.3 被动调频减振设计
10.4 被动调频减振设计实例
回顾
TLD（TUNED LIQUID DAMPER） 振程利 力中用 产固 生定 的水 动箱 侧中 压的 力液 来体 提晃 供动 减过 •
F
m, c, 1
TMD（TUNED MASS DAMPER）
m3
综合比较后认为，第（3）种方案，即在天桥钢箱梁的内部安装减振装置的方法最 为可行。实际工程中采用了TMD系统，它由主结构（即天桥本身）和附加在结构上 的子结构（固体质量、弹簧减振器和粘滞流体阻尼器等）组成。通过调整子结构的 自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率或激励频率。当主结构受激励而振动时， 子结构就会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在结构上，使主结构的振动 反应衰减并受到控制。根据有效控制的激励频宽，装设一个子结构只能对卓越频率 为主的外部激励进行有效控制。一般行人自振频率1.8~2,5hz，因此采用三种TMD 减振体系，自振频率分别为1.8hz、2.0hz和2.5hz。
1.
2.
仅对安装被动调频装置的水平方向的振动响应具有减振效果，
而在其它方向不会产生不利的影响； 应具有可靠的耗能机制，使结构在遭遇意想不到的或难于判断 的振动作用及其效应影响的时候，不致失效；
3.
应具有良好的环境适应特性：在使用期限内，应做到耐气候、 耐腐蚀，不需维修和更换等。
4、被动调频减振装置的选择
桥三室封闭钢箱梁截面如图10-38所示
A）沿腹板横向加劲板剖开 图10-38
B）沿横隔板剖开 天桥三室封闭钢箱梁截面示意图
TMD减振方案及设计
行人在桥面通过时会对桥面产生一个随机激励，激励的主要方向垂直于桥面，这个 激励与人的步速、体重有关。统计表明，正常人行走的自振频率为1.8～2.5Hz。通 过动力计算，该天桥的自振频率（第一阶振型自振频率2.436Hz）与行人步行的自 振频率比较接近，行人步行通过天桥桥面时容易引起共振。 改变结构的振动特性可以通过改变 其刚度k、质量m和阻尼系数 c实现，此外
第六章工程结构消能减震设计简介
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第六章工程结构消能减震设计简介
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
这样，总之香港汇丰银行大楼通过炫耀技术的悬
挂结构，代替了鸡腿建筑，实现了柯布的早期理
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想。
第六章工程结构消能减震设计简介
•6.2.3 悬挂隔震实例
• 和田先生则以自己敏锐的抗震思维，通过将 隔震和悬挂合二为一，为底部开敞的悬挂结构赋予 了更充分的结构抗震的合理性，建筑理想的实现多 么依赖于结构工程技术的进步。 • • 在清水建设的支持下，在清水建设技术研究 所的门口按照和田先生的想法建造起来一座四层的 钢筋混凝土悬挂隔震示范建筑，如下页的小图所示。
• 10年后重建，并增加了抗震强度。
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.2.3 悬挂隔震实例
l “鸡腿建筑” 最初的希望将地面空间还给城市，还给市民的 理想也随之被扭曲。即使建筑师自己不去否定鸡腿建筑，它 们也注定要被结构师否定，尤其是在地震危险性较高的地区。 香港人自以为占了块风水宝地，永远不会地震，确实那也真 的没被怎么震过，于是肆无忌惮的在山坡和港湾建造了大量 的鸡腿建筑，而且还相当骨感，真让人替他们担心。建筑的 形式不是由单单由建筑师决定的，也不是单单由结构师决定 的，还有追求经济利益的业主。底部沿街楼层对开敞的大空 间有挥之不去的商业热情，建筑师和结构师的工作就是尽量 满足这种商业需求。
五种被动动力减振器对高层建筑脉动风振反应控制的实用设计方法_瞿伟廉
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被动动力减振器最优参数的设计
无约束条件下被动动力减振器最优参数的统一 为了使动力减振器的控制效果达到最佳，寻找动
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被动减震结构设计简述课件
局限性分析
适用范围有限
被动减震结构通常适用于特定规模和类型的建筑物，对于 大型或特殊结构可能无法提供足够的减震效果。
01
对环境敏感
被动减震结构的性能受到环境因素的影 响，如温度、湿度等，因此在一些极端 环境下可能无法正常工作。
02
03
维护要求高
被动减震结构需要定期检查和维护， 以确保其性能和持久性，这增加了使 用成本和复杂性。
对未来研究的建议
加强基础研究
深入研究被动减震结构的原理和性能 ，为进一步的技术创新和应用提供理
论支持。
跨学科合作
加强土木工程、机械工程、材料科学 等领域的跨学科合作，共同推动被动
减震结构的研发和应用。
建立标准体系
制定和完善被动减震结构的相关标准 和规范，促进该领域的健康发展。
THANKS
感谢观看
优势分析
高效性
被动减震结构主要依靠自身特性来吸收和分散地震能量，不需要外部能源支持，因此在 地震发生时能够快速响应，有效降低地震对结构的破坏。
稳定性
被动减震结构通常采用自然材料制成，如橡胶、混凝土等，这些材料在长期使用过程中 性能稳定，不易发生老化或失效。
经济性
由于被动减震结构简单、成本低，因此在一些预算有限的工程项目中具有较高的应用价 值。
技术发展趋势
智能化
随着传感器、控制算法等技 术的进步，被动减震结构将 更加智能化，能够自适应地 调整减震性能，提高结构的
稳定性和安全性。
复合化
将多种被动减震技术进行复 合应用，实现更高效的减震 效果，满足不同类型和规模
的结构需求。
绿色化
采用环保、可持续的材料和 设计，降低被动减震结构的 能耗和资源消耗，符合绿色 建筑的发展趋势。
被动减震结构设计简述
楼层加速度
减震结构楼层加速度
Case Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al
Mod e 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Peri od sec 0.879 0.853 0.632 0.276 0.271 0.207 0.14 0.136 0.106 0.089 0.086 0.068
其他形式：利用总体变形 或设置放大装置将层间变 形放大的装置。
从能量角度分析 单质点体系减震结构力学原理和性能 各阻尼器的特性
传统抗震结构 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh 耗能减震结构 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed
Ein——地震过程中输入结构体系的能量； Ev ——结构体系的动能； Ec——结构体系的粘滞阻尼耗能； Ek——结构体系的弹性应变能； Eh——结构体系的滞回耗能； Ed——耗能（阻尼）装置或耗能元件耗散或吸收的能量。
本建筑物是地下1层、地上24层、塔楼3 层的综合建筑物，最大高度为132.6m， 主要用途为商店、县立学校、办公楼等。 标准层的平面形状为6~8.6m的柱网所构 成的24.6m×42m的矩形，另有1～7层 的低层部分。23层中设置天象仪、由 18m柱距的大空间构成。 基础为桩基础，使用钢管混凝土桩。上 部结构为钢结构（柱为钢管混凝土—— CFT），1～20层为附加阻尼器的框架结 构，21层以上为支撑结构。
给建筑物附加刚度和阻尼，其附加的程度可 用储存刚度和损失刚度来表示 若能评估阻尼器的储存刚度和损失刚度，就 可以评估系统的储存刚度和损失刚度，进而 求得等效自振周期和阻尼比。
隔震与减震技术介绍
隔震与减震一、概述二、基底隔震三、悬挂隔震四、耗能减震五、冲击减震六、吸振减震七、主动控制减震一、概述•地震引起结构振动的全过程是：由震源产生地震动，通过传播途径传递到结构上，从而引起结构的振动反应。
•通过在不同部分采取振动控制措施，就成为不同的积极的抗震方法。
1、消震通过减弱震源振动强度达到减小结构振动的方法。
2、隔震通过某种装置，将地震动与结构隔开，减弱或改变地震动对结构作用的强度或方式，达到减小结构振动的目的。
隔震方法：基底隔震 悬挂隔震3、被动减震通过采用一定的措施或附加子结构，吸收或消耗地震传递给主结构的能量，达到减小结构振动的目的。
被动减震方法： 耗能减震 冲击减震 吸震减震4、主动减震根据结构的地震反应，通过自动控制系统的执行机，主动给结构施加控制力，达到减小结构振动的目的。
• 两大类减震方法：（1）被动控制方法。
这种方法无外部能源供给，也称无源控制技术。
包括隔震技术和被动减震技术。
（2）主动控制方法。
这种方法有外部能源供给，也称有源控制技术。
• 与传统的消极抗震方法相比，减震方法优点：（1）减小地震作用，降低结构造价，提高结构抗震可靠度。
隔震方法能够控制传到结构上的地震力，克服确定荷载的困难。
（2）减小结构在地震作用下的变形，保证非结构构件不破坏，减小震后维修费用，对现代建筑，非结构构件的造价占总造价的80％以上。
（3）隔震、减震装置的更换或维修比更换、维修结构构件方便、经济。
（4）精密加工设备、核工业设备等结构物，只能用隔震、减震的方法满足严格的抗震要求二、基底隔震1、原理• 基底隔震是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，限制地震动向结构物的传递。
• 基底隔震，主要用于隔离水平地震作用。
隔震层的水平刚度显著低于上部结构的侧向刚度。
此时可近似为上部结构是一个刚体，如图8.18所示。
设结构的总质量为m ，绝对水平位移为y ，地震动的水平位移为xg ，隔震层的水平刚度为k ，阻尼系数为c ，则底部隔震系统的运动平衡方程为： •• 上部结构绝对位移（加速度）振幅与地震动位移（加速度）振幅的比值R 为g g kx x c ky y c ym +=++ 2222222max max max max ]4)1[(41βξββξ+-+===g g x y x y R•R称为绝对隔震传递率。
避震器结构和原理
避震器结构和原理避震器是用于降低机械结构和部件造成的振动的一种装置，它能够减少机械结构和部件的振动，使结构处于良好的运行状态。
避震器的特点是结构简单，安装方便，便于维护，成本低廉，占地面积小，安全性高等优点。
避震器通常由弹簧、器件、阻尼器等主要组成部件组成，它可以有效地减少振动幅度并缓解振动对结构的影响。
避震器的主要原理分为三种：弹簧原理、隔振原理、液压原理和气压原理。
弹簧原理是最常用的避震器的原理。
它的结构非常简单，主要由弹簧、刚接头等组成，它的作用是利用弹簧的弹性反作用和将机械振动的冲击力转换为弹簧的弹性力，从而实现其消谐或阻尼的作用。
隔振原理利用塑料或橡胶在振动发生时，它们的弹性能耗散振动能量，从而达到抑制振动的目的。
由于这种结构的受力是直接的，所以它的消谐性能更好，它的结构也更简单，但其使用寿命受到材料的影响，所以它的使用寿命比较短。
液压原理主要是利用油的流动和流量的变化来消除振动，是利用液体的动态特性和流量的变化来阻止振动的一种原理。
它的反应速度快，消谐振动效果明显，但它的结构相对复杂，价格较贵，适用于需要精确控制振动的场合。
气压原理是利用空气压缩和膨胀的原理来发挥减振作用，它主要由气体控制器、气缸和气封组成，可以根据振动频率和加速度范围调节气体控制器，来实现对振动的有效控制。
它的结构简单，反映速度快，可以精确控制振动，维护方便，但它的费用较高，适用振动范围较宽的场合。
避震器具有结构简单、安装方便、便于维护、成本低廉、占地面积小、安全性高等优点，是发生振动的机械结构和部件降低振动的有效装置。
它的主要特点是：主要是采用弹簧、器件、阻尼器等组件来缓解振动，同时还有液压原理和气压原理，从而达到抑制振动的作用。
根据不同的原理，避震器的类型多种多样，可用于不同的机械振动结构中，其在工程中的应用可以极大地提高机械结构的安全性、稳定性和寿命。
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减震结构的楼层刚度
Acceleration X Acceleration Y Acceleration Z
Story5 Story4 Story3 Story2 Story1
6674 5458 4866 4196 3581
6854 5461 4857 4231 3556
327 1525 1513 1647 1900
摩擦耗能器是根据摩擦做功而耗散能量的原理设计的。 金属阻尼器工作特点：结构处在正常使用状态时，消能
支撑充当结构构件，为结构提供初始刚度；结构在大震
或强风作下，消能支撑率先进入屈服耗能阶段，抗疲劳 性能好，滞回环饱满，增强了耗能能约束钢板所组成。 粘弹性阻尼器的典型滞回曲线呈椭圆形，具有很好的耗能性能，
Model File: 粘弹性阻尼 2015/5/12
1 模型简化 本次设计采用有限元分析软件Etabs建模，模型中各个构 件的截面尺寸、材料属性以及物理性能是从盲分析资料 中提取的。其中做了几点简化或变化：1 各种钢材均采用 了其平均弹性模量；2 次梁与主梁的连接采用刚接，主梁 沿全长采用等截面；3楼面及楼层附重在其对应空间内采 用均布荷载的形式；4一、二层外墙采用均布线载施加在 对应主梁上；5楼梯采用质量等效的方式换算成厚度均匀 的钢板，没考虑其横向刚度对楼层刚度的影响； 6 通过 调整附重使得模型楼层重量与资料中提供的楼层质量基 本一致 2 承重结构截面尺寸及材料详见盲分析资料
被动减震结构的基本概述 减震原理 耗能减震装置 盲分析简介 ETABS模型的建立和分析 Excel设计分析 有关的学术期刊和论文
根据减震构件的种类分类
1 3
油阻尼器
2
粘滞阻尼器
3
粘弹性阻尼器
4
摩擦阻尼器
直接型：直接将变形传给 减震构件。
间接型：将层间变形通过 梁或短柱传给减震构件。
模型
盲分析比赛采用了一个5层的钢框架模型，没有加阻尼器的钢 框架模型见图2-1。此模型长度方向定义为Y向，宽度方向定义 为X向，长度方向为双跨共12米，宽度方向为双跨共10米。此 五层楼钢结构的一楼层高为3.85m，二到四层层高为3m，五 楼层高为2.985m。二到五层混凝土楼板厚度均为165mm，顶 楼的为150mm。模型的重量由钢梁、钢柱、钢承板、混凝土 楼板、内外墙、楼梯、测量仪器等组成。从二楼到顶楼，分配 到每层楼的重量为867、842、835、790、1451kN。钢材部分， 梁的材质为SN490B，冷弯箱型柱材质为BCR295，构件的主梁、 柱尺寸详见表2-1、表2-2，梁截面为宽翼断面，柱截面为中空 方管。阻尼器在一楼到四楼X2、Y1和Y3轴线上布置，如图2-2 所示，共12个阻尼器。
2009年，日本E-Ddfense研究中心用世界上最大的振动 台进行了5层楼足尺寸带减震斜撑的钢框架振动台试验， 并举行了盲分析大赛。试验用同一个钢框架结构，分别 加装不同的阻尼器进行测试，包含了金属阻尼器、油阻 尼器、粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器，最后再测试了不加 阻尼器的钢框架[7]。在试验进行前，主办单位举办了一个 结构反应预测的国际竞赛，参与此竞赛的学者专家针对 五层钢框架分别加装金属阻尼器和粘性阻尼器的地震反 应进行了预测。需要提交的预测结果包括每一层相对于 基础的位移绝对值的最大值、每一层的绝对加速的的最 大值、每一层的层间剪力和层间位移的最大值、第1层柱 以及第2层梁跨中的最大应变、第1层和第4层阻尼器轴向 力的最大值和最小值、
减震结构是依靠与主结构连接的阻尼器的附加刚 度和粘滞特性，对建筑物在地震作用下产生的位 移、速度、加速度反应进行控制。
附加刚度——系统周期缩短 粘滞特性——吸收能量，导致增加阻尼
Sd、Spv、Spa的分别表 示位移反应谱、拟速 度反应谱、拟加速度 反应谱
自振周期Tf——有阻尼 器是等效周期Teq 初始阻尼比h0——等效 阻尼比heq
第1层和第4层阻尼器轴向位移的最大值和最小值。各 参赛队提供的以上各项指标与实验结果之间误差的均方 根作为评定名次的指标。 盲分析比赛分两步进行。第一步是前分析，参赛队 输入的地震波是振动台预计输入到结构上的地地震波， 而确切的振动台运动要需在实验过程中通过加速度传感 器测量后后才知道，所以盲分析比赛的第二步——后分 析也是必要的，在后分析中，参赛队使用振动台真实的 运动情况评估结构的地震响应。比赛的评估参数主要集 中在15% Takatori记录和100% Takatori记录作用下的地 震响应。
在一楼到四楼X2、Y1和Y3轴线上布置，如图2-2所示，共12个阻尼器。
ETABS 是有美国CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设 计软件。ETABS已有近30年的历史，是美国乃至全球公认 的高层结构计算程序，在世界范围内广泛应用，是房屋 建筑结构分析与设计软件的业界标准。是一个完善且易 于使用的建筑结构专用分析与设计程序，具有直观、强 大的图形界面和建模、分析、设计、详图功能。
本建筑物是地下1层、地上24层、塔楼3 层的综合建筑物，最大高度为132.6m， 主要用途为商店、县立学校、办公楼等。 标准层的平面形状为6~8.6m的柱网所构 成的24.6m×42m的矩形，另有1～7层 的低层部分。23层中设置天象仪、由 18m柱距的大空间构成。 基础为桩基础，使用钢管混凝土桩。上 部结构为钢结构（柱为钢管混凝土—— CFT），1～20层为附加阻尼器的框架结 构，21层以上为支撑结构。
3 减震前结构楼层数据
没设置阻尼器的结构模型形式如下：设置阻尼器的结构概图如下：
2 表六 表十四 表七 楼层刚度 模态周期、频率 减震结构楼层刚度 mm Sce Sec
数据对比
Story Stiffness X kN/m Story5 Story4 Story3 Story2 Story1 53066.036 60916.767 70279.217 74799.259 85164.625 Stiffness Y kN/m 54661.104 56747.471 64474.798 69559.841 77350.461 Story5 Story4 Story3 Story2 Story1 Story Stiffness X kN/m 68915.073 86390.501 103539.804 110577.868 110178.128 Stiffness Y kN/m 64341.547 76354.647 91813.894 98473.7 93691.58
效应1（附加刚度）： 周期上升，位移减小加速度上升 效应2（增加阻尼）： 阻尼增加，位移、速度、加速度均减小
在减震结构的地震反应简易预测及设计中，必须考虑减震构件 的滞回特性及其与其他构件的平衡关系、地震动的输入特性、 减震构件与主结构的制约条件，对减震构件附加给主结构的刚 度与粘滞特性所产生的效应做出适当的评估。
a）地震输人
b）传统抗震结构
c）消能减震结构
传统结构抗震分析
Ev、Ek不耗能，只做能量的转换 Ec占比很小 主要靠Eh（结构体系滞回耗能），弹塑性变形耗能，构 件会损失甚至破坏。
耗能减震结构
耗能阻尼装置在结构主体进入弹塑性变形前发挥作用，进 入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结 构体系的地震能量，则结构本身需消耗的能量很少，这 意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结 构，使其不再受到损伤或破坏。
Freque ncy cyc/sec 1.138 1.172 1.583 3.629 3.687 4.833 7.14 7.334 9.403 11.25 11.693 14.789
楼层刚度
Story Acceleration X 18407 15974 13868 11760 8221 Acceleration Y 17036 12233 10675 11669 7764 Acceleration Z 1548 4134 4079 3766 4328 Story Story5 Story4 Story3 Story2 Story1
减震性能曲线的绘制步骤如下：
利用单质点体系进行初步设计
设计步骤
设计流程：
试件形状：
使用粘弹性阻尼器的钢结构24层办公楼
本实例是将大地震下能量吸收能力优良的软 钢阻尼器设置在低层，将强风时或大地震时 均可获得附加阻尼效应的粘弹性阻尼器设置 在高层，构成对地震和风振均有效的减震体 系。
其他形式：利用总体变形 或设置放大装置将层间变 形放大的装置。
从能量角度分析 单质点体系减震结构力学原理和性能 各阻尼器的特性
传统抗震结构 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh 耗能减震结构 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed
Ein——地震过程中输入结构体系的能量； Ev ——结构体系的动能； Ec——结构体系的粘滞阻尼耗能； Ek——结构体系的弹性应变能； Eh——结构体系的滞回耗能； Ed——耗能（阻尼）装置或耗能元件耗散或吸收的能量。
给建筑物附加刚度和阻尼，其附加的程度可 用储存刚度和损失刚度来表示 若能评估阻尼器的储存刚度和损失刚度，就 可以评估系统的储存刚度和损失刚度，进而 求得等效自振周期和阻尼比。
粘滞阻尼器
粘滞阻尼器主要有筒式粘滞阻尼器、粘滞阻 尼墙系统等。 筒式粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘滞流 体组成。活塞上开有小孔，并可以在充有硅 油或其他粘性流体的缸内作往复运动。当活 塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞的 小孔内通过，对两者的相对运动产生阻尼， 从而耗散能量。
功能：建模功能 分析功能：反应谱分析 线性时程分析 非线性时程分析 静力非线性分析（push-over方 法）
ETABS建模主要步骤
（1）新建轴网 （2）定义材料、框架截面、板截面 （3）绘制结构构件 （4）指定约束 （5）定义荷载模式、质量源、时程函数、反应谱函数 （6）定义荷载工况 （7）运行分析、查看分析结果