《抗震结构设计》多媒体课件第9章

武汉理工大学出版社9隔震与耗能减震房屋设计9.隔震与耗能减震房屋设计9.1概述抗震设计：依靠结构的强度、刚度和延性来抵御地震作用立足于“抗”，是一种消极设计方法传统抗震方法存在的问题。（1）结构的安全性难以保证传统抗震方法以既定的“设防烈度”作为设计依据，由于地震的随机性，建筑结构的破损程度及倒塌的可能性难以控制，当发生突发性超烈度地震时，房屋可能会严重破坏。9.1概述（2）建筑费用和成本大幅度增加传统方法是在设计时提高材料强度、加大构件（结构）刚度，其结果是断面越大，刚度越大，使用面积减少，建筑物自重增大，地震作用亦随之增大。（3）适用范围受到限制传统抗震方法采用的是延性结构体系，允许结构部件在强震时发生比较大的塑性变形，以消耗地震能量，减轻地震反应，这种方法对于某些不容许在地震中出现破坏的结构、或内部有贵重装饰、重要设备仪器的结构是不适用的。9.1概述（4）施工难度大结构构件和节点的钢筋配置过密，9度区甚至无法排布。（5）建筑物的高度受到限制等。为克服传统抗震方法的缺陷，结构振动控制技术（简称“结构控制”）逐渐发展起来。结构控制的概念：通过对结构施加控制机构，由控制机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的振动反应，使它在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。9.1概述结构控制的概念：在工程结构的特定部位装设某种装置（如隔震垫等）、或某种机构（如耗能支撑、耗能剪力墙、耗能节点、耗能器等）、或某种子结构（如调频质量等）、或施加外力（外部能量输入）、或调整结构的动力特性，使工程结构在地震（或风）的作用下，其结构的动力反应（加速度、速度、位移）得到合理的控制，从而确保结构本身及结构中的人、仪器设备、装修等的安全或处于正常的使用状态。结构控制技术按控制措施实施的方式不同，一般分为被动控制（PassiveControl）、主动控制（ActiveControl）、半主动控制（Semi—ActiveControl）和混合控制（HybridControl）四类。9.1概述（1）被动控制（PassiveControl）:隔震、结构自控和结构附加装置控制。①隔震：在建筑物适当部位设置隔震装置，切断或削弱地面运动向上部结构的传递，并提供适当的阻尼，从而使上部结构的地震作用大大降低，耗能能力加强。如叠层橡胶垫支座、高阻尼橡胶垫支座、滑移隔震支座和混合隔震装置等。外荷载结构反应（风、地震等）被动控制装置图1-1被动控制的工作原理9.1概述②结构自控(耗能减震）：通过在结构中优选耗能材料和耗能杆件，设置多道抗震防线达到耗能减震的目的。常见的有：竖向通缝SW（剪力墙）、周边缝SW、双功能连梁、带抗震连梁的SW、顶层为刚性连梁的SW、偏交支撑、梁端设塑性铰的框架、悬挂式结构、底层设耗能缝的砖混结构。9.1概述③结构附加装置控制：在结构的适当位置安放耗能减震装置，以达到耗能减震的目的。主要有：各种耗能支撑、预应力摩擦墙、金属阻尼器、摩擦阻尼器、调频质量阻尼器（TMD）、调频液体阻尼器（TLD）、粘滞流体阻尼器和粘弹性阻尼器等等。9.1概述（2）主动控制（ActiveControl）指有外加能源的控制，其控制力是按最优控制的规律，由外加能源驱动控制装置主动施加的。其工作原理为：外荷载结构反应（风、地震等）控制力控制器检测元件图1-2主动控制的工作原理9.1概述常见的类型有：主动调频质量阻尼器(ActiveTunedMassDamper,简称AMD)；主动支撑系统（ActiveBrace）；主动拉索控制器（ActiveTendon）；主动空气挡风板控制器（ActiveAerodynamicAppendayes）等。9.1概述（3）混合控制（HybridControl）混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构上的结构振动控制形式。被动控制器外荷载被动控制力结构反应（风、地震等）主动控制力主动控制器检测元件图1-3混合控制的工作原理9.1概述组合方式：一种是主从组合方式，即以某一控制为主控制部件，其他部件通过主要部件实现对结构的控制。另一种是并列组合方式，即两种控制各自独立工作，对结构实施校正作用。目前，较为典型的几种混合控制装置有：AMD与TMD相组合、AMD与TLD相组合、主动控制与基础隔震相组合、主动控制与耗能减震相组合、HMS（液压－质量振动控制系统)与AMD相组合等。9.1概述（4）半主动控制（Semi-activeControl）以参数控制为主，只需少量能源即可实现其控制过程。主要类型有：半主动变刚度装置，半主动变阻尼装置，半主动耗能装置，半主动TMD，半主动TLD，变摩擦阻尼，磁流变阻尼器，可控流体阻尼器和可控摩擦隔震支撑等。9.1概述结构耗能减震建筑的特点：1.耗能减震装置可同时减少结构的水平和竖向的地震作用，适用范围较广，结构类型和高度均不受限制；2.耗能减震装置应使结构具有足够的附加阻尼，以满足罕遇地震下预期的结构位移要求；3.由于耗能减震结构不改变结构的基本型式，除耗能部件和相关部件外，结构设计仍可按照《规范》对相应结构类型的要求执行。9.1概述耗能减震技术的优越性：1.安全性：耗能构件或耗能装置在强震中能率先消耗的地震能量，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，确保结构的安全。耗能减震结构的地震反应比传统结构降低40%—60%。2.经济性：耗能减震结构可以减少剪力墙的设置，减少结构断面和配筋，可节约造价5%—10%。若用于旧建筑物的抗震加固，则可节约造价10%—60%。3.技术合理性：结构越高、越柔，耗能减震效果越显著。9.2结构隔震设计结构隔震主要有基底隔震和悬挂隔震两种。9.2.1结构隔震原理在结构物底部与基础顶面之间设置隔震消能装置，使之与固结于地基中的基础顶面分开，限制地震动向结构物传递。9.2.1结构隔震原理9.2.1结构隔震原理为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四种特性：(1)承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量；(2)隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平刚度较小，结构为柔性隔震结构体系；(3)复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正常的使用要求。9.2.1结构隔震原理(4)耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能量。基底隔震的适用范围：高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的多层和中高层结构。9.2.2隔震系统的组成与类型（1）隔震系统的组成隔震装置由隔震器、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，同时在地震终了时帮助隔震器迅速复位。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。9.2.2隔震系统的组成与类型常用的隔震器：叠层橡胶支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。常用的阻尼器：弹塑性阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等。常用的隔震系统：叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑移加阻尼器隔震系统、摩擦滑移摆隔震系统。目前应用最广泛的隔震装置为叠层橡胶支座隔震系统。9.2.2隔震系统的组成与类型（2）叠层橡胶支座的构造与性能叠层橡胶支座一般由薄橡胶板与薄钢板分层交替叠合，经高温高压硫化粘结而成。具有很大的竖向承载力和竖向刚度(竖向荷载作用下，橡胶板的横向变形受到刚板的约束，处于三向压力状态）。水平刚度较小，水平变形能力大（水平刚度一般为竖向刚度的1%，具有明显的非线性特性）。小变形时，其水平刚度能保证建筑物在风载下的使用功能；大变形时橡胶剪切刚度下降较多，约为初始刚度的20%，可以大幅度降低结构振动频率，减小地震反应。9.2.2隔震系统的组成与类型叠层隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座等。天然夹层隔震橡胶支座特点：高弹性、低阻尼。竖向刚度较大，承受建筑物的重量时竖向变形小。水平刚度较小，且线性性能好。阻尼很小，不具备足够的耗能能力。在结构使用中一般同其它阻尼器或耗能设备联合使用。9.2.2隔震系统的组成与类型铅芯叠层橡胶支座铅芯隔震橡胶支座是在叠层橡胶支座的圆形孔中压入铅而成。铅芯的作用：提高支座的吸能能力；确保支座有适度的阻尼；增加支座的初始刚度；控制风反应和抵抗微震的作用。铅芯橡胶支座不但具有较理想的竖向刚度，而且本身具有消耗地震能量的能力，可单独使用，故铅芯橡胶支座在结构使用中受到广泛欢迎。9.2.2隔震系统的组成与类型高阻尼叠层橡胶支座采用了高阻尼橡胶，同时兼有隔震器和阻尼器的作用，目前在我国尚无使用。铅芯叠层橡胶支座9.2.3隔震系统的应用下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑(TheWilliamClaytonBuilding,NewZealand)和世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。9.2.3隔震系统的应用•日本1997年度评定的隔震建筑中，采用铅芯橡胶支座隔震房屋占总数的40%；•美国在1985年以后兴建的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的60.7%；•我国在已建成的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的60%。1994年9月16日，台湾海峡发生了7.3级地震，震源距离汕头市约200公里，汕头市烈度为6度，各类房屋摇晃厉害，居民惊惶失措，水桶里的水溅出了1/3左右……而陵海路隔震楼上的人并没有感到晃动，听到毗邻楼房和邻街喧闹声后下楼才知道发生了地震。9.2.3隔震系统的应用1994年1月17日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级M=6.7，死亡56人，伤7300人，损失很大。震中附近有两座医院，一座为隔震结构，另一座为抗震结构。中南加州大学医院（隔震结构）橄榄景医院（抗震结构）9.2.3隔震系统的应用•中南加州大学医院是橡胶支座隔震系统。地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；最高高度：36.0m；铅芯多层橡胶隔震器68个，多层橡胶隔震器81个。•地震时，这栋八层医院基础加速度为0.49g，而顶层加速度只有0.21g,加速度折减系数为1.8。•在这次地震及其其后的余震中，建筑物内的各种机器均未损坏，医院功能得到维持，成为防灾中心，起到十分重要的作用。9.2.3隔震系统的应用•橄榄景医院为抗震结构，其底层加速度为0.82g，而顶层加速度为2.31g,加速度放大系数为2.8。•在此次地震中，剪力墙产生剪切裂缝，设备机器、医疗机械及家具等翻倒，病历等资料掉下、散乱。而且水管破裂，各层浸水，建筑物不能使用，完全丧失了医院的功能。•10年后重建，并增加了抗震强度。9.3耗能减震结构设计9.3.1结构耗能减震体系的分类结构耗能减震体系由主体结构和耗能部件（耗能装置和连接件）组成，可以按照耗能部件的不同“构件型式”分为以下类型：（1）耗能支撑可以代替一般的结构支撑，在抗震和抗风中发挥支撑的水平刚度和耗能减震作用。耗能装置可以做成方框支撑、圆框支撑、交叉支撑、斜杆支撑、K型支撑等9.3.1结构耗能减震体系的分类消能方框消能圆框消能装置消能装置消能装置(a)方框支撑(b)圆框支撑(c)交叉支撑(d)斜杆支撑(e)K型支撑图X-1消能支撑耗能支撑9.3.1结构耗能减震体系的分类9.3.1结构耗能减震体系的分类（2）耗能剪力墙可以代替一般结构的剪力墙，在抗震和抗风中发挥支撑的水平刚度和耗能减震作用。耗能剪力墙的形式主要有：消能缝消能缝消能缝消能缝弹塑性材料(a)竖缝剪力墙(b)横缝剪力墙(c)斜缝剪力墙(d)周边缝剪力墙(e)整体剪力墙图X-2消能剪力墙9.3.1结构耗能减震体系的分类（3）耗能节点在结构的梁柱节点或梁节点处安装耗能装置。当结构产生侧向位移、在节点处产生角度变化或者转动式错动时，耗能装置即可以发挥耗能减震作用。消能装置消能装置图X-3梁柱消能节点9.3.1结构耗能减震体系的分类（4）耗能联