工程结构减震控制课件2011.pdf

1 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制( (ⅡⅡⅡⅡ) ) Seismic Isolation and Passive EnergySeismic Isolation and Passive Energy Dissipation of StructuresDissipation of Structures 重庆大学土木工程学院 023- 65121984  yfyang@ 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 =+ 消能支撑框架结构由两部分组成 Device of Energy Dissipation systemDevice of Energy Dissipation system 非承重消能构件率先消能非承重消能构件率先消能,保护主体结构保护主体结构 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 方法方法 耗能减震是通过采用附加子结构或一定措施耗能减震是通过采用附加子结构或一定措施，，消耗地震传递给结消耗地震传递给结 构的能量构的能量。

地震时地震时，，结构在任意时刻的能量方程为结构在任意时刻的能量方程为：：E Et t＝＝E Es s＋＋E Ef f 式中式中，，E Et t为输入结构的能量为输入结构的能量，，E Es s为主体结构的耗能为主体结构的耗能；；E Ef f为附加子结为附加子结 构的耗能构的耗能 主结构耗能组成主结构耗能组成：：EsEs＝＝E Ev v＋＋E Ec c＋＋E Ee e＋＋E Ey y 式中式中，，E Ev v为结构振动动能为结构振动动能；；E Ee e为结构振动势能为结构振动势能；；E Ec c为结构粘滞阻尼为结构粘滞阻尼 耗能耗能；；E Ey y为结构塑性变形为结构塑性变形( (或损坏或损坏) )耗能耗能 耗能减震原理耗能减震原理：： 从能量的观点从能量的观点，，地震输入结构的能量是一定的地震输入结构的能量是一定的，，通过耗能装置消通过耗能装置消 耗掉一部分能量耗掉一部分能量，，则结构本身需消耗掉的能量减小则结构本身需消耗掉的能量减小，，意味着结构反应意味着结构反应 减小减小 从动力学的观点出发从动力学的观点出发，，耗能装置的作用耗能装置的作用，，相当于增大结构阻尼相当于增大结构阻尼，， 从而使结构反应减小从而使结构反应减小。

结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 结构增加阻尼以后， 结构的动力反应谱会有很大的降低从下列标准 动力阻尼反应可以清楚的看出（下图所示）一般地说， 我们很容易通 过阻尼器，使多自由度体系的整体阻尼比增加15%- 30% 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 新新设计设计与与加固加固 建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范 GB50011- 2001 12章章 隔震和隔震和 消能减震设计消能减震设计 2 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 消能减震消能减震消能器分类消能器分类 1.1. 速度相关型速度相关型: : 粘滞阻尼器粘滞阻尼器( (油阻尼器油阻尼器等等) ) 粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器( (胶胶,3M,3M等等) ) 2.2. 位移相关型位移相关型: : 金属屈服金属屈服, ,铅铅阻尼器阻尼器, ,摩擦摩擦等等 3.3. 其它型其它型: : 组合型组合型, ,智能型智能型 SMARTSMART等等 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 1.摩擦阻尼器摩擦阻尼器—— 利用金属（或非金属）之间的摩擦产生阻尼。

加拿大Pall Dynamic公司的摩擦阻尼最有代表性它的构造简单, 造价低缺点是承受力较小，温度的稳定性差 2.粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器—— 利用一些粘弹性材料产生阻尼 美国3M公司的粘弹性阻尼在日本有了很大的应用但它有个初 始刚度，也有温度的稳定性的问题 3.液体粘滞阻尼器液体粘滞阻尼器—— 利用液体在运动中的粘滞特性产生阻尼 这种阻尼器在军事和宇航上已经成功的应用了几十年，精确性 好，稳定性高，缺点是价格较高 4.金属屈服阻尼器金属屈服阻尼器——利用金属的屈服产生阻尼 金属屈服阻尼器通常采用低碳钢或铅作为原料，前者有良好的 塑性变形能力，后者有较强的延展性能这种阻尼器的滞回特性 稳定，低周疲劳性能较好，缺点是屈服后无法恢复 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 液体粘滞阻尼器最适于结构工程应用，这种阻尼器有以下明显的 优点： 1.内置液体，本身没有可计算的刚度，不影响整个结构原有的设计 和计算（如周期，振型等），也就不会产生预想不到的副作用； 2.呈椭圆型的滞迴曲线（图1- 2(1)），保证了安置在结构上的阻尼器 在最大位移的状态下受力为零，最大受力情况下位移为零，这一性 能对减小结构反应十分有利； 3.它既可以降低地震反应中的结构受力也可以降低反应位移。

4.可在地震和大风荷载下重复使用； 5.只要内置液体选用合适，几十年没有老化、变质问题 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 钢筋混凝土筒体钢筋混凝土筒体- -框架结构框架结构，，主楼高主楼高 57.8m57.8m，，抗震设防烈度为抗震设防烈度为9 9度度，，原结构采原结构采 用筒壁厚用筒壁厚450mm450mm，，底层柱截面底层柱截面 800mm800mm××800mm800mm，，框架梁高框架梁高800mm800mm计算计算 表明表明，，原结构不能满足抗震要求原结构不能满足抗震要求，，且配且配 筋率很高筋率很高，，施工困难施工困难 经技术经济比较经技术经济比较，，决定采用兰陵牌决定采用兰陵牌 粘弹性阻尼器的耗能支撑粘弹性阻尼器的耗能支撑，，筒壁减薄为筒壁减薄为 400mm，，底层柱截面减小为底层柱截面减小为 700mm××700mm，，框架梁高减低为框架梁高减低为 700mm结构自振基本频率由原来的结构自振基本频率由原来的 1.16Hz降到降到1.1Hz，，即结构的抗侧刚度比即结构的抗侧刚度比 原来的稍小原来的稍小 计算表明计算表明，，设置耗能支撑后设置耗能支撑后，，上部结上部结 构能按抗震设防烈度为构能按抗震设防烈度为8度来设计度来设计，，这这 样样，，扣除耗能支撑等的支出后扣除耗能支撑等的支出后，，仍可节仍可节 约主体结构造价的约主体结构造价的10%，，约约150多万多万 元元，，并且使用面积有所增加并且使用面积有所增加。

江苏宿迁市交通大厦江苏宿迁市交通大厦 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 (M) 油阻尼器油阻尼器(中国造中国造) Horizontal load200 ton Horizontal disp.±± 300mm Cycle Freq.0.1-2.0 HZ 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 3 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 由图可由图可 知知，，粘滞粘滞 阻尼器没阻尼器没 有初始刚有初始刚 度度，，滞回滞回 曲线呈椭曲线呈椭 圆形圆形，，且且 在小震作在小震作 用下表现用下表现 出良好的出良好的 耗能能耗能能 力力 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 消能支撑消能支撑（（软钢屈服软钢屈服）） 河南洛阳河南洛阳厂房厂房（（19791979））中国第一中国第一栋栋 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 消能消能支撑支撑（（软钢屈服软钢屈服）） 金属阻尼器工作特点金属阻尼器工作特点：：结构结构 处在正常使用状态处在正常使用状态 时时，，消能支消能支 撑充当结构构件撑充当结构构件，，为结构提供初为结构提供初 始刚度始刚度；；结构在大震或强风作用结构在大震或强风作用 下下，，消能支撑率先进入屈服耗能消能支撑率先进入屈服耗能 阶段阶段，，抗疲劳性能好抗疲劳性能好，，滞回环饱滞回环饱 满满，，增强了耗能能力增强了耗能能力，，从而提高从而提高 了结构的抗震性能了结构的抗震性能。

目前目前，，国内外很多学者针对国内外很多学者针对 各种阻尼器本构模型的试验验证各种阻尼器本构模型的试验验证 等问题进行研究等问题进行研究，，通过制造更低通过制造更低 屈服点的软钢屈服点的软钢、、利用金属铅利用金属铅、、钢钢 材与其它材料复合等方法发展新材与其它材料复合等方法发展新 的金属阻尼器的金属阻尼器 4 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 摩擦阻尼器摩擦阻尼器 Energy Dissipation 广州广州 1995 Energy dissipation bracings in Guangzhou 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 EnergyDissipation Application in China(2) 28 stories high rise building in southern China 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 加拿大加拿大 PallPall 摩擦支撑摩擦支撑 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 摩擦阻尼器主要通过界面摩擦生热耗散振动能量摩擦阻尼器主要通过界面摩擦生热耗散振动能量，，其效果的好坏关键取其效果的好坏关键取 决于接触面的粗糙程度和法向力装置的好坏决于接触面的粗糙程度和法向力装置的好坏。

通常设计成风振和小震作用下通常设计成风振和小震作用下 阻尼器不耗能阻尼器不耗能，，仅仅在静摩擦阶段工作仅仅在静摩擦阶段工作；；在中震和大震作用下处于滑动摩擦在中震和大震作用下处于滑动摩擦 阶段阶段，，在此阶段内在此阶段内，，摩擦阻尼器的受力往往是小于或等于最大静摩擦力的恒摩擦阻尼器的受力往往是小于或等于最大静摩擦力的恒 定值定值 目前有很多摩擦界面的做法目前有很多摩擦界面的做法，，比如界面喷砂比如界面喷砂、、涂无机富锌漆涂无机富锌漆、、生赤锈生赤锈、、 放置刹车片放置刹车片 界面正压力通常用高强螺栓施加预应力来实现界面正压力通常用高强螺栓施加预应力来实现 在每次大震过后应对摩擦阻尼器进行检修和更换在每次大震过后应对摩擦阻尼器进行检修和更换 每种摩擦阻尼器基本上都有自己独特的本构关系每种摩擦阻尼器基本上都有自己独特的本构关系，，应对每一种阻尼器都进应对每一种阻尼器都进 行试验分析确定其本构关系行试验分析确定其本构关系 摩擦阻尼器适用频带较宽摩擦阻尼器适用频带较宽，，对频率敏感性较低的情况对频率敏感性较低的情况 为克服摩擦阻尼器自复位能力较差的缺陷为克服摩擦阻尼器自复位能力较差的缺陷，，现提出了一些改进的装置现提出了一些改进的装置，，比比 如压电如压电- 摩擦复合阻尼器等摩擦复合阻尼器等。

结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 加拿大加拿大 PallPall 摩擦支撑摩擦支撑— 图书馆大楼图书馆大楼 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 山西神头火电厂阻尼器加固山西神头火电厂阻尼器加固 5 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011- 07- 21 粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器(3M)(3M) 美国世贸双塔楼美国世贸双塔楼 19691969 World Trade Center TowerWorld Trade Center Tower 结构隔震与减震控制结构隔震与减震控制 2011 - 07- 21 3M3M 阻尼器阻尼器美国世贸双塔楼房美国世贸双塔楼房 196。