建筑消能减震设计技术及工程实例讲解(PPT,40页)

阻尼力（kＮ）
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5 0
20
40
60
80
100
-1
-1.5
-2
-2.5
时间（s）
12
8
无阻尼器４层
有阻尼器４层
9
6
无阻尼器４层
有阻尼器４层
幅值
幅值
6
4
3
2
0
0
0
3
6
9
12
15
0
3
6
9
12
15
频率(Hz)
频率(Hz)
振动台试验传递函数曲线特征： 12
无阻尼器３层
8 有阻尼器３层
1.5
1
0.5
0 0
-0.5
-1
-1.5
20
40
60
80
时 间 （ s）
上海人工波峰值为50gal 时四层加速度响应比较（控制效果62.1%）
加速度（g）
0.25 0.2
0.15 0.1
0.05 0
-0.05 0 -0.1
-0.15 -0.2
无阻尼器
有阻尼器
20
40
60
80
100
时间（s）
上海人工波峰值为 50gal 时四层位移响应比较（控制效果 78.3%）
1. 确定需要阻尼比ζr
max / T / 0.05 (r 0.05)
Δmax为无控原结构在中震工况下所得的层间位移峰值； ΔT为减震结构的层间位移目标值； ζr 为结构减震所需要的附加阻尼比； 0.05为《2010抗规》中5%阻尼比的地震影响系数；
(r 0.05) 为《2010抗规》中ζr+0.05阻尼比的地震影响系数；
Sa / amax
B. 消能减小结构位移的力学意义
0.12
低阻尼位移谱
高阻尼位移谱
0.10
0.08
普通结构
0.06
位移减小
0.04
0.02
消能结构位移减小量
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
单质点体系模型表述减震机理
Ka 1/ (1/ kb 1/ kd )
阻尼器装置与连接构件的串联组合体
储存刚度=最大变形时的力/最大位移 损失刚度=零变形时的力/最大位移
使用各种阻尼器的减震结构中的 能量吸收部分、附加体系、系统的稳态反应
软钢·摩擦阻尼器系统的(a)组成构件的定义 (b)荷载-变形曲线
装有软钢阻尼器的单自由度系统减震性能曲线
位 移 （ mm）
100
50
0 0
-50
-100
无阻尼器
有阻尼器
20
40
60
80
100
时 间 （ s）
上海人工波峰值为 50gal 时二层阻尼力变化图
阻尼力（kN）
1.5
1
0.5
0 0
-0.5
-1
-1.5
20
40
60
80
100
时间（s）
El-Centro 波峰值为0.2g 时四层加速度响应比较（控制效果43.9%）
无阻尼器
有阻尼器
20
40
60
80
时 间 （ s）
El-Centro 波峰值为 0.2g 时二层阻尼力变化图
阻尼力（kＮ）
2.5 2
1.5 1
0.5 0
-0.5 0 -1
-1.5 -2
20
40
60
80
时间（s）
上海人工波峰值为 0.2g 时四层加速度响应比较（控制效果 15.6%）
加速度（g）
0.4 0.3 0.2 0.1
1000
1
500
0
21
0
-1
-500 0
20
40
60
80
-2
-1000
-3
-1500
3
时间(s)
2
阻尼力(kN),位移(cm)
图4.42a El-6工况下底层柱应变比较
1
0 21
-1
1500
无阻尼器
有阻尼器
-2
1000
-3
500
3
阻尼力(kN),位移(cm)
0 -500 0
20
40
60
2
80
100
1
无阻尼器３层
有阻尼器３层
9
6
1、无阻结构响应曲线峰点明显，阻 6
幅值
幅值
4
尼小;
3
2
0
0
0
3
6
9
12
15
0
3
6
9
12
15
2、有阻结构响应曲线无明显峰点， 8
频率(Hz) 无阻尼器２层
8 有阻尼器２层
频率(Hz) 无阻尼器２层
有阻尼器２层
阻尼大;
6
6
幅值
幅值
4
4
说明: 有阻传递函数曲线被放大4倍。
2
2
(各不同强度等级地震下) 2、消能部件安放在那些层？ 3、消能器支承构件刚度－大小？
消能结构抗震设计（1）
1 无控结构的地震响应情况
a. 层间位移情况（满足规范否？小震1/550） b. 大震下满足抗倒塌要求否？ c. 估计结构的层间屈服强度，或每层楼面的抗震计算的标
准重量 d. 对于旧建筑，检查结构的构造措施情况 e. 掌握中震下无阻尼器结构的层间剪力，层间位移 f. 估计结构的需要的阻尼比 g. 决定将由消能装置提供的等效阻尼比
-1000
0
21
-1500
-1
时间(s)
-2
-3
图4.42b Sh-7工况下底层柱应变比较
3
2
阻尼力(kN),位移(cm)
柱应变减小
1
0
21
-1
-2
-3
4层层间位移
4层阻尼力
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
时间(s)
3层层间位移
3层阻尼力
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
时间(s)
2层层间位移
Rd u有阻 / u无阻
Ra R有阻 / R无阻
具有粘滞阻尼器的系统 (a)组成构件的定义 (b)荷载-变形曲线
粘滞系统的减震性能曲线
消能结构的试验验证－振动台试验(1)
阻尼器及支撑示意图(2)
消能结构的试验验证－振动台试验(1)
70
3 3
700
700
3200
阻尼器及支撑示意图(1)
2
1
0
-9
-6
-3
0
3
6
9
-1
-2 二层层间位移(mm)
一层阻尼力(kN)
三层阻尼力(kN)
2
1
0
-9
-6
-3
0
3
6
-1
-2 三层层间位移(mm)
2
1
0
-9
-6
-3
0
3
6
9
-1
-2 一层层间位移(mm)
阻尼力与层间位移存在相位差
应变 (e-6)
应变 (e-6)
3
无阻尼器
有阻尼器
1500
2
阻尼力(kN),位移(cm)
试验结束后无阻尼器模型顶层的传递函数
7 6 5 4 3 2 1 0
0
5
10
15
ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ
试验结束前有阻尼器模型顶层的传递函数
ＡＭＰＬＩＴＵＤＥ
7 6 5 4 3 2 1 0
0
5
10
15
ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ
反应谱(g)
反应谱(g)
模型反应谱比较
0.84
无阻尼器4层
有阻尼器4层
0.84
反应谱(g)
2层阻尼力
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
时间(s)
1层层间位移
1层阻尼力
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
时间(s)
图4.41 Sh-11输入下各层层间位移与阻尼力时程曲线相位比较
3. 消能减震结构的消能器优化布置
消能减震设计的关键问题：
性能目标：既减小层间位移又降低层间剪力 1、层间安装阻尼器提供的总阻尼力－大小？
0
0
0
3
6
9
12
15
0
3
6
9
12
15
频率(Hz)
频率(Hz)
8
8
无阻尼器１层
有阻尼器１层
无阻尼器１层
有阻尼器１层
6
6
幅值
幅值
4
4
2
2
0
0
3
6
9
12
15
频率(Hz)
图4.41a Wn-1输入下结构各层传递函
数
0
0
3
6
9
12
15
频率(Hz)
图4.41b Wn-12输入下结构各层传递
函数
ＡＭＰＬＩＴＵＤＥ
梁
阻尼器
斜撑
柱
加速度（g）
3. 模型的动力响应与分析
无阻尼器
有阻尼器
0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
0 -0.02 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -0.04 -0.06 -0.08
时间（s）
El-Centro 波峰值为 50gal 时四层加速度响应比较（控制效果 17.7%）
El-Centro 波峰值为 50gal 时四层位移响应比较（控制效果 66.2%）
位移（mm）
40 30 20 10 0 -10 0 -20 -30 -40
无阻尼器
有阻尼器
10 20 30 40 50 60 70 80 时间（s）
El-Centro 波峰值为 50gal 时二层阻尼力变化图
阻 尼 力 （ kN）
2. 消能减震结构的工程抗震力学意义
A. 消能结构减小地震作用的力学意义
B. 消能减小结构位移的力学意义
A. 消能结构减小地震作用的力学意义
2.5
2
1.5
1
0.5
0 0
=2max
阻尼比0.05
高振型地震作用减少量 普通结构地震作用增加
阻尼比0.2
2
1
0.05 0.06 1.7
0.9 0.05 r Qi
N
N1
j Q j 2 i Qi (1 i )
j 1
i j1
=
Tg
T
0.6 r 0.16 1.6 r 0.16 ,
0.1 s T Tg ,
r 0.66 r 0.6 r 0.16 1.6 r 0.16 , Tg T 5Tg .
加 速 度 （ g）
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0 -0.1 0 -0.2 -0.3 -0.4
无阻尼器
有阻尼器
20
40
60
80
时 间 （ s）
El-Centro波峰值为0.2g时四层位移响应比较（控制效果17.6%）
位 移 （ mm）
80 60 40 20
0 -20 0 -40 -60 -80
最大阻尼力要求：
布置消能部件的楼层中，消能器的最大阻尼力在水平方向上分量 之和不宜大于主体结构楼层层间屈服剪力的60%。
支承刚度要求：
黏滞消能器
Kb K0
Kb 3Kc 3 Fd max
ud max
K0为消能器的初始刚度；Kb为支承沿消能器受力方向的刚度； Kc为阻尼器的等效刚度(可近似取最大阻尼力与最大相对位移之比)； Fd max , ud max 为中震下消能器位移为零阻尼力及消能器最大位移。
目前房屋结构抗震中应用消能减震技术解决问题分类：
1、未设防的结构抗震加固（A、B类建筑） 2、震后受损结构抗震加固（地震灾区） 3、结构提高设防烈度抗震加固（汶川地震后的四川某些 地区提高设防烈度） 4、结构抗震等级提高抗震加固（中、小学，幼儿园建筑） 5、新建建筑提高抗震性能 6、房屋隔震配套使用
max
a g
70cm / s2 980cm / s2
2.25
0.16(8度)
=( Tg T
) 2max
1
0.02
0.05 4 32
低振型地震作用减少量
[20.2 -1(T - 5Tg )]max
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
μi为第i层消能部件耗能曲线近似为平行四边形的形状系数，是减震结构相对于原结构的剪力控制 比； Δdi为第i层消能部件依据初始刚度达到期望阻尼力时所对应的位移。
、
N2
F(di)m
r
i
/ k k j1
/
N1
Qi
解决阻尼力大小 解决消能器安放位置
ζr 为结构减震所需要的附加阻尼比；
F(di)m为修正后的第i层设计期望阻尼力；
r
i
/ k k j1
/
N1
Qi
解决阻尼力大小 解决消能器安放位置
ζr 为结构减震所需要的附加阻尼比；
F(di)m为修正后的第i层设计期望阻尼力；
η 可在1 – 3之间取值；
△i 为中震下主体结构的层间位移计算值； j1 为消能器初始安装层号。 N1为安装消能部件的总层数； N2为安装消能部件的最大层号。
金属屈服型消能器
upy / usy 2 / 3
u p y—消能部件在水平方向的屈服位移或起滑位移；
usy
—设置消能部件的结构层间屈服位 移。
谢谢!
wdg@
0 -0.1 0 -0.2 -0.3 -0.4
无阻尼器
有阻尼器
20
40
60
80
100
时间（s）
上海人工波峰值为 0.2g 时四层位移响应比较（控制效果 17.6%）
位 移 （ mm）
150 100
50 0
-50 0 -100 -150
无阻尼器
有阻尼器
20
40
60
80
100
时 间 （ s）
上海人工波峰值为 0.2g 时二层阻尼力变化图
η 可在1 – 3之间取值；
△i 为中震下主体结构的层间位移计算值； j1 为消能器初始安装层号。 N1为安装消能部件的总层数； N2为安装消能部件的最大层号。
最大阻尼力要求：
布置消能部件的楼层中，消能器的最大阻尼力在水平方向上分量 之和不宜大于主体结构楼层层间屈服剪力的60%。
、
N2
F(di)m
0.42
0.42
0 0
0.84
1
2
3
周期(s)
0
4
0
无阻尼器2层