建筑结构抗震设计(3)(7)

型。当上部结构侧向刚度远大于隔震层的水平刚度时，可以近似认为上部结构是一个刚体，从而将隔震结构简化为单质点模型进行分析。其动力平衡方程形式为： mx+Cx+Kux=-mxf (7.1) 式中m——结构的总质量；

C.K，——分别为隔震层的阻尼系数和水平刚度；

i、*、*——分别为上部简化刚体相对于地面的加速度、速度与位移； ——地面运动加速度。

当要求分析上部结构的细部地震反应时，可以采用多M点模型或空间分析模型。这些模型可视为在常规结构分析模型底部加入隔震层模型的结果。例如，对变形特征为剪切型的结构，可采用多质点模型，隔震层町用一个水平动刚度为尺h、阻尼比为匕的结构层简化（见图7.2)0其中，水平动刚度计算式为：

ffl7.2隔震结构计算简?按基于反应谱理论简化方法计算。

采用隔震装置的隔英结构，可以有效地降低隔震层以上结构的水平地震作用。我国《抗震规范》采用水平向减震系数的概念来反映这一特点，且规定： ①对多层结构，水平地震作用沿髙度可按重力荷载代表值分布。 ②水平向地震影响系数最大值可按式<7.4)计算： (7.4)

式中——隔震后的水平地震影响系数最大值。a?，——非隔震的水平地震影响系数最大值。

0——水平向减震系数，对于多层建筑，为按弹性计?所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最

大比值；对高层建筑结构，还应计算隔震与非隔震各层倾覆力矩的最大比值，并与层间剪力的最大比值相比较，取二者的较大值。

③隔震层以上结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用，并应进行抗震验算；各楼层的水平地震剪力还应符合《抗震规范》对本地区设防烈度的最小地震剪力系数的规定。

④9度和8度且水平向减震系数不大于0.3时，隔震层以上的结构应进行竖向地震作用的计算。 7.1.3常用隔戚装置”橡胶支座隔震

橡胶支座是最常见的隔震装置。常见的橡胶支座分为钢板叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座、石墨橡胶支座、高阻尼叠层橡胶支座等类型。

钢板叠层橡胶支座由橡胶片和薄钢板免合而成，如图7.3所示。由于薄钢板对橡胶片的横向变形有限制作用，因而使支座竖向刚度较纯橡胶支座大大增加。支座的橡胶层总厚度越小，所能承受的竖向荷载越大。为了提高叠层橡胶支座的阻尼，发明了铅芯橡胶支座(见图7.4)，这种隔震支座在叠层橡胶支座中间钻孔灌人铅芯而成，铅芯可以提高支座大变形时的吸能能力。一般来说，普通叠层橡胶支座内阻尼较小，常需配合阻尼器一起使用，而铅芯橡胶支座由于集隔震器与阻尼器于一身，因而可以独立使用。在夭然橡胶中加人石墨，也可以大幅度提高橡胶支座的阻尼，但石墨橡胶支座在实际中应用还不多。髙阻尼叠层橡胶支座采用高阻尼橡胶材料制造，高阻尼橡胶材料可以通过在天然橡胶或髙阻尼合成橡胶（或共混橡胶）中加人石墨制备^这种橡胶支座的阻尼特性可根据石墨加人董来调节，一般阻尼比可达10%~25%，因其兼具隔震器和阻尼器的作用，可在隔震系统中单独使用3

围7.3标准叠层橡胶支座结构示意 围7.4铅芯叠层橡胶支座结构示意

通常使用的橡胶支座，水平刚度是竖向刚度的1%左右，且具有显著的非线性变形特征?当小变形时，其刚度很大，对建筑结构的抗风性能有利；当大变形时，橡胶的剪切刚度可下降至初

始刚度的20%左右，这会进一步降低结构的振动频率，减少结构反应；当橡胶剪应变超过50%以后，刚度又逐渐有所回升，这又起到安全阀的作用，对防止建筑的过量位移有好处。 橡胶支座隔震装置的设计的关键是合理确定隔震支座承受的应力，《抗震规范》规定:橡胶隔震支座在重力荷载代表值作用下，竖向压应力不应超过表7.1的规定；在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下，拉应力不应大于1MPa。 表7.1橡胶H震支座压应力限值

建筑类别 甲类建筑 乙类建筑 丙类建筑 压应力限10 12 15

隔震支座对应于罕遇地震水平剪力的水平位移，应符合下列要求:

Ui?[uj (7.5) =ViK (7.6)

式中u，——罕遇地震作用下，第；个隔震支座考虑扭转的水平位移。

[?]——第〖个隔震支座的水平位移限值。对橡胶隔震支座，不应超过该支座有效直径的

0.55倍和支座各橡胶层总厚度3.0倍，取二者的较小值。 ——罕遇地震下隔震层质心处或不考虑扭转的水平位移。

Vi——第i个隔震支座的扭转影响系数，应取考虑扭转和不考虑扭转时i支座计算位移的比值。当隔震层以上结构的质心与隔震层刚度中心在两个主轴方向均无偏心时，边支座的扭转影响系数不应小于1.15。 2 m他隔震装置

除了比较成熟的橡胶支座隔震装置，国内外还研究、探索了其他各类隔震装置，以适应多种建筑结构的要求u (1)滚动隔震

在基础与上部结构间铺设一层钢滚轴(见图7.5〉或滚珠(见图7.6)，当有地震作用时，滚轴或滚珠可以产生滚动，使基础与上部结构间产生相对位移，以此减轻1：部结构振动。目前已经开发的双层双向的滚轴隔震器，可以达到水平双向隔震的目的。但这类装置也存在以下缺点： ①由于滚轴或滚珠在常年压力作用下会产生变形，这可能导致地液来临时它并不能产生理想的滚动，使隔震效果下降； ②不能隔离竖向地震作用；

③复位能力有限，需配合限位、复位装置共同使用。 (2) 摇摆支座隔震

我国山西省的悬空寺，历史上经历多次大地震仍完整无损，分析认为是其特有的支掙木柱起到了摇摆支座隔震的作用。图7.7是一种摇摆隔震支座，在杯形基础内设一个上下两端有竖孔的双圆筒摇摆体。竖孔内穿预应力钢丝束并锚固在基础和上部盖板上，起到压紧摇摆体和提供复位力的作用。在摇摆体和基础壁之间填以沥青或散粒物，可为振动时提供阻尼。经试验证

2

实：当地面加速度幅值达330cm/s时，被隔震房屋的加速度反应可降低到无隔震房屋加速度反应的1/3左右。 (3) 摩擦滑移隔震

摩擦滑移隔震是在基础与上部结构间铺设一层低摩擦材料，如石墨、砂、滑石粉或特制金属板等。由于基础和上部结构的断开以及摩擦材料摩擦系数很小，基础和上部结构可以产生较大的相对滑动，消耗地震能量，降低地震作用对上部结构的破坏。但是，这种隔震结构在地震过程中使上部结构和基础间产生很大位移，只有配合简易的复位装置，才有很好的应用前景。 I7.2减震原理与方法

隔震系统通过降低结构系统的固有频率、提高系统的阻尼来降低结构的加速度反应，从而大幅度降低结构的地震内力；但这种设计方式也存在一些局限性，主要表现为隔震系统不宜用于软弱场地土和高层建筑结构。为此，人们进一步研究、开发了各类减震装置，用于控制结构地震反应。下面，主要介绍耗能减震与吸振减震的基本原理和方法。

7.2.1耗能减震原理

耗能减震是通过采用耗能构件以消耗地震传递给结构的能地震时，结构在任意时刻的能量方程为： ￡，=￡.+Et (7.7)

式中E、——地震过程中输入结构的总能量；

E，——结构主体的耗能； E，——附加耗能构件的耗能。

从能量的观点看，地震输入结构的能量是一定的，因此，耗能装置耗散的能量越多，则 结构本身需要消耗的能量就越小，这意味着结构地震反应的降低；另一方面，从动力学的观点看，耗能装置的作用，相当于增大了结构的阻尼，而结构阻尼的增大，必将使结构地震反应 减小。

在风和小震作用下，耗能装置应具有较大的刚度，以保证结构的使用性能；在强烈地震作用时，耗能装置应率先进人非弹性状态，并大量消耗地震能量。有试验表明:耗能装置可做到消耗地震总输入能量的90%以上。

耗能减震结构的地震反应分析，原则上可以利用非线性时程反应分析方法。此时，通常需要耗能元件的拭验数据，以确立结构动力方程中的阻尼矩阵。一般情况下，耗能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算： C.=『/(40 (7.8)

式中L——耗能减震结构的附加有效阻尼比；

W，——所有耗能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量； W，—设置耗能部件的结构在预期位移下的总应变能。 《抗震规范》规定:耗能部件附加给结构的有效阻尼比超过25%时，宜按25%计算。这一规定，主要是考虑在阻尼比超过20%时采用常规地震反应分析方法会引起较大误差。耗能减震结构的刚度可以取结构刚度和耗能部件刚度之和。 7.2.2耗能减震装置

1) 阻尼器

阻尼器通常安装在支撑处、框架与剪力墙的连接处，梁柱连接处以及上部结构与基础连接处等有相对变形或相对位移的地方。近30年来，国内外相继开发了大量的阻尼器，主要有金属阻尼器、摩擦阻尼器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器。前两种阻尼器的耗能特性主要与阻尼器两端的相对位移有关，称为位移相关型阻尼器；后两种阻尼器的耗能特性主要与阻尼器两端的相对速度有关，称为速度相关型阻尼器。此外，还结合以上各类耗能器的耗能机制和特性，开发了具有多种耗能机制的复合型阻尼器。 ⑴金属阻尼器

金属阻尼器主要是由各种不同的金属材料（如软钢、低屈服点钢和铅等）制成，它是利用金属材料屈服时产生的塑性滞回变形来耗散能量的减震装置。图1.8为各种软钢阻尼器c图7.9为加劲阻尼器，它由多块低屈服点钢板组成，依靠钢片屈服后塑性变形来耗散地震输入能

17.9加劲咀尼器及布置示意S (2) 摩擦阻尼器

将几块钢板用髙强蜾栓连在一起，可做成摩擦阻尼器，如图7.10所示。通过调节高强螺栓

的预应力，可调整钢板间摩擦力的大小。通过对钢板表面进行处理或加垫特殊摩擦材料，可以改善阻尼器的动摩擦性能。 (3) 黏弹性阻尼器

黏弹性阻尼器主要由具有弹性和黏性双重特性高分子聚合物制成的黏弹性材料和约束钢板所组成，依靠黏弹性材料产生的剪切变形或拉压变形来耗能，如图7.11所示。在我国，北京饭店和北京火车站的抗震加固中就采用了黏弹性阻尼器。

4

()黏滞阻尼器

黏滞阻尼器一般是由缸筒、活塞、阻尼孔、黏滞流体材料和导杆等部分组成，利用活塞与缸筒之间相对运动时所产生的压力差挤压，迫使黏滞流体材料从阻尼孔中通过，从而产生阻尼力并耗散能量。常见的黏滞阻尼器有：黏滞流体阻尼器（见图7.12)和黏滞阻尼墙（见图7.13)0 2)耗能支撑

耗能支撑实质上是将各式阻尼器用在支撑系统上的耗能构件c (1)耗能交叉支掙

在交叉支撑处利用金属阻尼器的原理，可做成耗能交叉支撑，如图7.14所示。在支撑交叉处，通过钢框的塑性变形消耗地震能量。

图7.12黏滞流休阻尼器 图7.13黏滞阻尼墙

(2)摩擦耗能支撑

将摩擦阻尼器用于支撑构件，可做成摩擦耗能支撑。图1.15是在支撑杆或节点板上开长圆孔做成的简单摩擦耗能支撑节点。摩擦耗能支撑在风载或小震下不滑动，能像一般支撑一样提供很大的刚度；而在大震下支撑滑动，降低结构刚度，减小地寓作用，同时通过支撑滑动摩擦消耗地震能量。

mi.14耗能交叉支撑

S7.is摩擦耗能支揀节点

⑶耗能偏心支撑

偏心支撑的工作原理是通过支撑与梁段的塑性变形消耗地震能量。在风载或小震作用下，支撑不屈服，偏心支撑能提供很大的侧向刚度；在大震下，支撑及部分梁段屈服耗能，衰减地震反应。各类偏心支撑结构如图7.16所示。

(4)

耗能隅撑

耗能隅撑是在耗能偏心支撑的基础上发展出来的，如图7.17所示。隅掙两端刚接在梁、柱或基础上，普通支撑简支在隅撑的中部。与耗能偏心支撑相比，耗能隅撑有两个优点：其—，隅撑截面小，不是结构的主要结构，破坏后更换方便；其二，隅撑框架不限于梁柱刚接，梁柱可以铰接或半铰接D(5>屈曲约束支撑

近年来，国外学者提出了一种新颖的耗能支撑体系——无黏结支撑，如图7.18所示。它在内核钢支撑和外包钢管混凝土之间涂无黏结漆形成滑移界面，而且只有内核钢支撑与框架结构连接，以保证压力和拉力都只由内核钢支撑承受。

图7.17隅撺结构

滑移界面允许内核钢和外包层之间相对滑动，同时约束内核钢支撑的横向变形，防止内核钢支撑在压力作用下发生整体鹿曲和局部屈曲。该支撑在拉压作用下可以达到充分屈服，滞回曲线稳定饱满，在地震反复荷载作用下具有良好的滞回耗能性能。 3>耗能埔

耗能墙实质上是将阻尼器或耗能材料用于墙体所形成的耗能构件或耗能子结构。

周边耗能墙

在墙与框架的周边填充黏性材料，强烈地震时，墙周边出现非弹性缝并错动，以消耗地震能量。 (2) 摩擦耗能墙

在竖缝剪力墙的竖缝中填充摩擦材料，可形成摩擦耗能墙体。在地震作用时，通过摩擦缝的反复错动，可以达到消耗地震能量的目的。以竖向预应力为手段，在墙顶面与梁底部接缝处做一条摩擦缝，也可以形成预应力摩擦剪力墙。 7.2.3吸振减震原理

(1)

吸振减震主要通过在主体结构上附加吸振子结构，使主体结构的能量向子结构转移，以减小主结构的振动。吸振子 结构是包括质量系和弹簧系的小型振动系统，以质量系产生的惯性力作为控制力，通过弹簧系作用于主结构。吸振减震系统常与黏滞阻尼器联合使用，并以阻尼器命名。吸振减震系统的原理可用两自由度的、底层横梁上受简谐荷载作用的JlX剪切型框架体系的受迫振动来说明，如图7.19所示。体系稳态振动响应(振幅>为：

田7.19吸财财理 (k1-62m1)P _k￡ l_2(79)D0 \D0.

2

式中，D。=(*，+Aj -^Wj)-A2。

2

由式(7.9)可知，当=0时，下层（主结构)质量m，的位移为零，上层（吸振器）质量%的位移幅值为：Y2=-P/、。这说明:合理设计(在主结构上安装吸振子结构，使其频率接近输入频率)可以消除(或减小）主结构叫的振动，从而保证主结构的安全。大量理论分析结果还表明:主结构的阻尼比越小，吸振装置的减震作用越大；质鬚:比增加，减震作用增大。 7.2.4吸减震装置

各种吸振减震装置可根据吸振子结构质童系的不同进行分类。

质量系为固体的吸振减震装置有:调频质童阻尼器(TMD)、摆式质量阻尼器等。

TMD在高层建筑和桥梁上已有广泛应用，如高度278m的美国纽约C.C.中心大厦采用的TMD重达370U波士顿的J.Hancock大楼采用了两个300t的TMD，我国台北的101大厦采用了重达660t的TMD，九江长江大桥使用TMD来减少吊杆的风致振动。

摆式质量阻尼器主要有摆锤式、环状式和倒置环状式等几种类型，适用于控制高耸结构的振动。

质量系为液体的吸振减震装置有:调频液体阻尼器(TLD>、液压咀尼系统（HDS)、油阻尼器、质量泵等。质量泵利用液体震荡改变结构质量分布=TLD则通过浅水层的波浪效应或动水压力控制结构振动，我国南京电视塔就使用了TLD。研究表明:TLD能有30%的减震效果，而且仅用TLD的一阶晃动等效力学模型就能满足工程需要。

质量系同时包括固体和液体的装置，如液压质量控制系统(HMS)，多安装于结构底层，可以降低50%-70%的结构振动，增加3-4倍的结构阻尼。

各种高效的被动阻尼控制装置正通过建立运动方程(状态方程），并进行仿真分析和振动台实验已陆续研制出来。质量系为气体的空气阻尼器，也有吸振减震的效果。 7.3结构主动控制初步

7.3.1基本概念

主动控制是借鉴现代控制论思想而提出的一类振动控制方法，它是根据外界激励和结构响应预估所需的控制力来输入能量，驱使作动器施加控制力或调节控制器性能参数，达到减震效果。

主动控制体系一般由三部分组成： 传感器。用于测量结构所受地震激励及结构反应，并将测得的信息传送给控制系统中的控制器。

②控制器。一般为计算机，用于依据给定的控制算法，计算结构所需的控制力，并将控制信息传送递给控制系统中的作动器。

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