第4章结构隔震、消能和减震 控制 广东工业大学建设学院韦爱凤
1 第4章 结构隔震、消能和减震 控制 广东工业大学建设学院 韦爱凤
传统的抗震设计方法 传纷的抗震设计方法:“小震不坏,中震可修, 大震不倒”结构进入弹塑性状态 常规做迭加大构件截面,提高结构刚度 存在问题 安全性问题发生突发性的超过设防烈度地 震 ●适应性问题建筑物内部重要的设备、仪器 计算机网络、急救指挥系统、通讯系统、医院 医疗设备对建筑物的抗震性能有更高要求 ●经济性问题以“抗”为主,构件断面越大 结构刚度越大,地震作用也越大 建筑技术的发展要求高强轻质材料的应用
2 传统的抗震设计方法 ⚫ 传统的抗震设计方法：“小震不坏，中震可修， 大震不倒” 结构进入弹塑性状态 ⚫ 常规做法 加大构件截面，提高结构刚度 ⚫ 存在问题： ⚫ 安全性问题 发生突发性的超过设防烈度地 震 ⚫ 适应性问题 建筑物内部重要的设备、仪器、 计算机网络、急救指挥系统、通讯系统、医院 医疗设备对建筑物的抗震性能有更高要求 ⚫ 经济性问题 以“抗”为主，构件断面越大， 结构刚度越大，地震作用也越大…. ⚫ 建筑技术的发展要求 高强轻质材料的应用
4.1结构隔震、消能和减震控制总论 411结构控制的减震机理 ●结构减震控制—通过改变或调整结构的动力特性 或动力作用 在建筑结构的特定部位 装设某种装置(如隔震支座) 装设某种机构(如消能支撑、消能剪力墙、消能节点, 消能器等) 装设某种子结构(如调频质量等) 施加外力(外部能量输入) 使结构的动力反应(加速度、速度、位移)明显减 少,并得到合理的控制 ●确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装潢等 的安全和处于正常的使用环境状态
3 4.1结构隔震、消能和减震控制总论 ⚫ 4.1.1 结构控制的减震机理 ⚫ 结构减震控制——通过改变或调整结构的动力特性 或动力作用 ⚫ 在建筑结构的特定部位 – 装设某种装置（如隔震支座）， – 装设某种机构（如消能支撑、消能剪力墙、消能节点， 消能器等） – 装设某种子结构（如调频质量等） – 施加外力（外部能量输入） ⚫ 使结构的动力反应（加速度、速度、位移）明显减 少，并得到合理的控制 ⚫ 确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装潢等 的安全和处于正常的使用环境状态
般结构的动力方程式: mxs+cxs+ Kxs =F(t)-mxg (4.1) ≤[斗(4 x。≤x
4 ⚫ 一般结构的动力方程式： ( ) (4.1) s s s g m x + cx + K x = F t − m x (4.2) x x x x x x s s s
4.1.2结构控制度内容及分类 ●第一种分类按技术方法分 ●第二种分类按是否有外部能源输入分 ●第三种分类按与结构频率相关性分
5 4.1.2 结构控制度内容及分类 ⚫ 第一种分类 按技术方法分 ⚫ 第二种分类 按是否有外部能源输入分 ⚫ 第三种分类 按与结构频率相关性分
图4.1结构减震控制按技术方法分类 结构隔震 Seismic solation 消能减震 Energy Dissipation 结构减震控制 质量调谐减震 TMD,TLD等 主动、半主动控制 AMD,AVS,AVSD等 混合控制 Hybrid Control
6 图4.1 结构减震控制按技术方法分类 结构减震控制 结构隔震 Seismic Isolation 消能减震 Energy Dissipation 质量调谐减震 TMD,TLD等 主动、半主动控制 AMD,AVS,AVSD等 混合控制 Hybrid Control
图42结构减震控制按是否有外部能源输入分类 结构隔震 被动控制 消能减震 (无外部能源输入) 司谐 质量调 主动质量阻尼器 结构减震控制 主动拉索或支撑 主动、半主动控制 (有外部能源输入) 主动变刚度,变阻尼 主动变刚度一阻尼 智能材料自控 混合控制 (部分能源 输入) 混合主动、被动控制
7 图4.2 结构减震控制按是否有外部能源输入分类 结构隔震 消能减震 质量调谐 主动质量阻尼器 主动拉索或支撑 主动变刚度，变阻尼 主动变刚度－阻尼 混合控制 （部分能源 输入） 混合主动、被动控制 智能材料自控 主动、半主动控制 （有外部能源输入） 被动控制 （无外部能源输入） 结 构 减 震 控 制
图4.3结构减震控制按结构频率相关性分类 隔震 频「避开共振频率 率 主动变刚度 相 被动质量调谐 结川关 质量调谐 混合质量调谐 消能支撑 控 构减震控制 制 消能剪力墙 消能减震 消能节点 频率无关控制 各种消能 主动质量阻尼器 主动质量驱动装置 避开主动拉索系统 主动外加控制「主动支撑系统 主动变刚度,变阻尼 智能材料自控
9 图4.3结构减震控制按结构频率相关性分类 结 构 减 震 控 制 频 率 相 关 控 制 频 率 无 关 控 制 避开共振频率 消能减震 质量调谐 主动外加控制 隔震 主动变刚度 被动质量调谐 混合质量调谐 主动质量阻尼器 主动质量驱动装置 避开主动拉索系统 主动变刚度，变阻尼 主动支撑系统 智能材料自控 消能支撑 消能剪力墙 消能节点 各种消能
4.1.3结构控制的特点和优越性 ●减震控制结构的地震反应与传统抗震结 构的地震反应的比值大约为: 隔震结构 8%~50% 消能结构 40%~60% ●TMD被动控制结构40%~60% ●主动或半主动控制结构10%~50%
10 4.1.3 结构控制的特点和优越性 ⚫ 减震控制结构的地震反应与传统抗震结 构的地震反应的比值大约为： ⚫ 隔震结构 8％～50％ ⚫ 消能结构 40％～60％ ⚫ TMD被动控制结构 40％～60％ ⚫ 主动或半主动控制结构 10％～50％
表4.1结构控制的特点及优越性 新旧抗震抗风体系相对比 结构控制体系优越性 传统体系 结构控制体系 “以柔克刚”新概 抗震概念及“硬抗”地震或风:加念:调整结构动力有效减震;经济;建 途径 强结构;加粗断面特性;隔震、消能 筑设计不受太多限制; 或控制 检测修复方便 设计依据 按预定设防烈度 考虑突发性超烈度 大地震 确保安全 既保护结构,也保 保护对象 只保护结构本身护结构内部设备、满足现代社会要求 仪器、装修等 新结构物、旧结构 适用范围 新设计的结构物物的耐震改良 般建筑、重要建筑、 适用范围广 仪器设备
11 表4.1 结构控制的特点及优越性 新旧抗震抗风体系相对比 结构控制体系优越性 传统体系 结构控制体系 抗震概念及 途径 “硬抗”地震或风；加 强结构；加粗断面 “以柔克刚”新概 念；调整结构动力 特性；隔震、消能 或控制 有效减震；经济；建 筑设计不受太多限制； 检测修复方便 设计依据 按预定设防烈度 考虑突发性超烈度 大地震 确保安全 保护对象 只保护结构本身 既保护结构，也保 护结构内部设备、 仪器、装修等 满足现代社会要求 适用范围 新设计的结构物 新结构物、旧结构 物的耐震改良；一 般建筑、重要建筑、 仪器设备 适用范围广