抗震工程概論(電子教案15)

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1、清華大學土木工程系研究生課講義抗震工程概論教案第15講第14章結(jié)構(gòu)減震和結(jié)構(gòu)控制抗震設計是通過對結(jié)構(gòu)本身的調(diào)整，即對結(jié)構(gòu)的布局、構(gòu)件等設計使結(jié)構(gòu)具備抵抗大震的能力。一個有良好抗震性能的結(jié)構(gòu)需要具有良好的延性，為此目標，可適當控制結(jié)構(gòu)物的剛度，但使結(jié)構(gòu)部件（如梁、墻或柱等）在強地震時進入非彈性狀態(tài)，并具有較大的延性變形能力和耗能能力，以消耗地震能量，減輕地震反應，使結(jié)構(gòu)裂而不倒。這是目前我國和國際上普遍采用的傳統(tǒng)抗震設計方法，這種方法在很多情況下是有效的，但這一抗震設計方法存在以下問題：(1)大震下安全性難以保證當建筑結(jié)

2、構(gòu)遭遇到突發(fā)性超烈度地震時，房屋可能會嚴重破壞，并且由于地震的隨機性，結(jié)構(gòu)的破壞程度及倒塌可能性難以控制。(2)適應性受到限制抗震設計方法允許在地震中建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的損（破）壞，這時某些不允許在地震中出現(xiàn)破壞的結(jié)構(gòu)或內(nèi)部有貴重裝飾的結(jié)構(gòu)是不適應的。并且這種抗震方法只考慮建筑結(jié)構(gòu)本身的抗震。未考慮屋內(nèi)部設備，儀器的抗震，當建筑內(nèi)部有較重要的設備、儀器、計算機網(wǎng)絡、急救指揮系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、醫(yī)院醫(yī)療設備等情況時，是不適用的。例如，1971年美國舊金山地震時，加州西馬克電話總機房結(jié)構(gòu)只有輕微破壞，但內(nèi)部通信設備毀壞而導致

3、全地區(qū)通信中斷，抗災指揮及搶救無法進行，造成損失難以估計。由此可見，傳統(tǒng)的抗震設計方法固然有效，但對某些特殊情況還是有缺陷的。目前，人們在抗震問題研究中，除按規(guī)范對建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設計外，另外一個重要方面就是結(jié)構(gòu)減震和結(jié)構(gòu)控制。地震作用下結(jié)構(gòu)動力反應的大小與儲存于結(jié)構(gòu)中能量的多少有關(guān)。結(jié)構(gòu)體系受地面運動作用時輸入結(jié)構(gòu)的總能量與由結(jié)構(gòu)耗散及儲存于結(jié)構(gòu)中的能量平衡，即：EI=ES+ED其中，EI—總輸入能量ES—結(jié)構(gòu)儲存的能量ED—結(jié)構(gòu)耗散的能量結(jié)構(gòu)儲存的能量包括應變能和動能：ES=EE+EKEE—彈性應變能EK—動能結(jié)構(gòu)

4、耗散的能量包括粘性阻尼耗散的能量和滯回彈塑性變形的耗能：ED=EC+EHEC—粘性阻尼耗散的能量EH—滯回彈塑性變形的耗能在上述各類能量中，儲存于結(jié)構(gòu)中的應變能EE和動能EK越大，結(jié)構(gòu)的地震反應越大，而且這兩種能量僅發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，不引起總能量的耗散；粘性阻尼耗能EC和彈塑性變形耗能EH引起總能量的耗散。EC是由結(jié)構(gòu)的粘性阻尼或阻尼裝置引起的。對于傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)本身的粘性阻尼不大，大震時能量的耗散主要依靠滯回彈塑性變形耗能，而彈塑性變形消耗的能量越大，意味著結(jié)構(gòu)的損傷破壞越大。為減輕結(jié)構(gòu)地震反應，可以通過減少輸

5、入的地震能量或增大耗能（增大EC或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的EH）的途徑來實現(xiàn)，由此形成不同的減震設計概念：減少輸入能量EI——基礎隔震；1清華大學土木工程系研究生課講義抗震工程概論教案第15講增大耗能能力ED——耗能減震，結(jié)構(gòu)控制。目前在結(jié)構(gòu)減震控制體系的研究和應用上主要有如下幾個方面：(1)結(jié)構(gòu)隔震；(2)耗能減震；(3)結(jié)構(gòu)控制。結(jié)構(gòu)控制又可分為：?被動控制:TMD,TLD等??主動控制:ATMD等??半主動控制?混合控制?目前，世界上許多國家開展了結(jié)構(gòu)減震技術(shù)開發(fā)與理論研究和工程推廣應用工作。一些國家，如美國、日本、新西蘭等

6、已制定了隔震及耗能減震設計的規(guī)范或標準。我國在《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011—2001）中給出了隔震和耗能減震的內(nèi)容，也制定了《建筑隔震橡膠支座標準》和《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》。14.1結(jié)構(gòu)隔震（基礎隔震）1891年Kawai首先提出；1909年舊金山地震后，英國醫(yī)生提出基礎與上部結(jié)構(gòu)間用滑石粉隔震；1921年TokyoImperialHotel首先采用基礎隔震。近年來，結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)的研究和應用在國內(nèi)外發(fā)展很快，建筑、橋梁用的很多。目前，結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)已比較成熟，達到實用階段。1、基本概念結(jié)構(gòu)隔震是通過在結(jié)構(gòu)底

7、部和基礎之間設置某些隔震耗能裝置，如圖14.1所示，來阻止（和消耗）地震能量進入結(jié)構(gòu)，從而降低結(jié)構(gòu)的動力反應。2、隔震體系（裝置）(1)鉛芯鋼板夾層橡膠墊隔震裝置，水平剛度/豎直剛度≈1/100，如圖14.2所示。(2)滾珠（或滾軸）加剛板隔震裝置，如圖14.3所示。(3)粉粒墊層隔震：用圓形砂粒、滑石、石墨或沙漿形成隔震層。軟鋼片鋼板滾珠基礎圖14.1隔震體系模型圖14.2鉛芯鋼板夾層橡膠墊隔震器圖14.3滾珠剛板隔震裝置2清華大學土木工程系研究生課講義抗震工程概論教案第15講3、隔震體系的特點(1)能使結(jié)構(gòu)在基礎上

8、柔性滑動，使結(jié)構(gòu)自振周期大大加長，遠離地震動的卓越周期。(2)具有足夠的初始剛度。(3)可提供較大的阻尼，具有較大的耗能能力。由于隔震結(jié)構(gòu)具有以上特點，在正常使用時，結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度保證在風荷載和微小震作用下結(jié)構(gòu)能正常工作；在中、強地震作用時，結(jié)構(gòu)隔震體系開始工作，隔震結(jié)構(gòu)的自振周期變長、阻尼變大，由圖14.4給出的不同阻尼的加