第四章_结构隔震、消能和减震控制
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 结构减震控制的分类（按是否能源输入）：
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 被动控制：不需要能源输入控制力，控制过程不依赖于结构反应和 外界干扰信息的控制方法。
❖ 主动控制：需要能源输入提供控制力，控制过程依赖于结构反应和 外界干扰信息的控制方法。
仍在不断的研究与发展
中……
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 结构控制的减震机理： ❖ 结构减震控制，是指在建筑结构的特定部位，装设某种装置（如隔
震支座），或某种机构（如消能支撑、消能建立墙、消能节点、效 能器等），或某种子结构设备（如调频质量等），或施加外力（外 部能量输入），以改变或调整结构的动力特性或动力作用，使工程 结构在地震的作用下，其结构的动力反应（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 、装修等的安全和处于正常的使用环境状况。这种结构体系， 称为“结构减震控制体系”其相关的理论、技术和方法统称为“结 构控制”。 ❖ 适用于风振控制与地震控制。 ❖ 结构减震控制是土木工程结构的前沿领域，也是各学科交叉的新技 术领域，对其内容分类仍未明确统一。若按是否有外部能源输入分 类如下：
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本章的主要内容
❖ 4.1.结构的隔震、消能和减震总论 ❖ 4.2.结构隔震 ❖ 4.3.基础隔震的应用 ❖ 4.4.结构消能减震 ❖ 4.5.结构主动减震控制
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 地震灾害：
❖
……
❖ 1906年旧金山地震：死亡7万余人；
❖ 安全性：突发超过设防烈度的地震、随机性 ❖ 适用性：不容许在地震中破坏的结构、贵重装饰 ❖ 经济性：断面配筋大，造价高 ❖ 建筑技术发展要求：轻质材料、小截面构件
❖ 结构隔震、消能和减震控制技术应运而生。
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 三类抗震手段作用原理：
❖ 抗震结构
《飞屋环游记》——皮克斯动画工作室
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4.2 结构的隔震
❖ 设想之二
❖ 利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震 作用，吸收地震能量。立足于“抗”。
被动消极的 抗震对策
利用刚性
❖ 隔震减震控制
❖ 在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻
止地震能量向上传递。立足于“隔”。
主动积极的
❖ 消能减震控制 ❖ 安装消能机构消耗地震能量，保护建筑主体。
抗震对策 利用延性
立足于“耗”。
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建筑结构抗震设计
任课教师：
2013-4-12/19
本课程的主要内容
❖1.绪论 ❖2.场地、地基和基础 ❖3.地震作用和结构抗震验算 ❖4.结构隔震、消能和减震控制 ❖5.混凝土房屋结构抗震设计 ❖6.钢结构房屋的抗震设计 ❖7.多层砌体及底层框架抗震 ❖8.构筑物抗震设计 ❖9.桥梁结构抗震设计 ❖10.地下工程抗震设计
4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 地震破坏： ❖ 结构破坏； ❖ 非结构破坏； ❖ 次生灾害。 ❖ 抗震设计： ❖ 增强结构的刚度、强度和延性； ❖ 隔震和消能减震，某些情况下必须采取的方案。
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 振动的发生：
❖ 震源
❖ ↓产生
场地
在地震作用下，明显减少结构的动力反应 xs , xs , xs 。
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 结构控制的优越性： ❖ 结构减震控制能使工程结构物在强地震中更加安全，有效减震。根
据振动台试验及实际地震记录，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致如下： ❖ 隔震结构：8%~50% ❖ 消能结构：40%~60% ❖ 质量调频TMD被动控制结构：40%~60% ❖ 主动或半主动结构：10%~50%
❖ 相对于传统抗震结构，减震控制结构的地震反应大大减小了，所以 地震破坏也将大大减小。
❖ 首先，介绍隔震技术……
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传统抗4震.V2S隔结震技构术 的隔震
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4.2 结构的隔震
如何隔震？
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4.2 结构的隔震
❖ 设想之一
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❖ 式中，m，c，K分别为结构的质量、阻尼和刚度，xs , xs , xs 分
别为结构在外部作用下的加速度、速度和位移；为地面地震作 用加速度；F(t)为其他各种x可s 能施加的外部作用力。 ❖ 结构的减震控制，就是通过调整结构的自振频率ω或自振周期T （通过改变m和K），或增大阻尼c，或施加外力F(t)，shi结构
❖ 地震波
❖ ↓传递
❖ 建筑所在场地
❖ ↓引起
❖ 结构的地震反应
构件
整体
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
地震的位移反应：
地震剪力：
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 目前我国和世界各做普遍采取的传统结构抗震设计方法是，适当控 制结构的刚度，容许结构部件在地震时进入非弹性状态，要求结构 具有较大的延性，使结构物“裂而不倒”。它的设防目标是：“小 震不坏、中震可修、大震不倒”。这种传统的方法在很多情况下是 有效的，但仍存在很多问题难以满足，比如：
❖ 半主动控制：不需要能源输入直接提供控制力，控制过程依赖于结 构反应和外界干扰信息的控制方法。
❖ 混合控制：不同控制方法相结合的控制方法。
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 结构控制的减震机理： ❖ 可简单的用结构的动力方程式予以说明。一般结构的动力方程
式为：
mxs cxs Kxs F (t) mxg
Biblioteka Baidu
❖ 1976年唐山地震：死亡24万余人；
❖ 1995年神户地震：死亡6千余人；
❖ 2008年汶川地震：死亡8万余人；
❖
……
❖ 地震直接经济损失：
❖
……
❖ 1906年旧金山地震：1500亿美元左右；
❖ 1995年神户地震：1000亿美元左右；
❖ 2008年汶川地震：8451亿元人民币；
❖
……
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 结构减震控制的分类（按是否能源输入）：
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 被动控制：不需要能源输入控制力，控制过程不依赖于结构反应和 外界干扰信息的控制方法。
❖ 主动控制：需要能源输入提供控制力，控制过程依赖于结构反应和 外界干扰信息的控制方法。
仍在不断的研究与发展
中……
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 结构控制的减震机理： ❖ 结构减震控制，是指在建筑结构的特定部位，装设某种装置（如隔
震支座），或某种机构（如消能支撑、消能建立墙、消能节点、效 能器等），或某种子结构设备（如调频质量等），或施加外力（外 部能量输入），以改变或调整结构的动力特性或动力作用，使工程 结构在地震的作用下，其结构的动力反应（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 、装修等的安全和处于正常的使用环境状况。这种结构体系， 称为“结构减震控制体系”其相关的理论、技术和方法统称为“结 构控制”。 ❖ 适用于风振控制与地震控制。 ❖ 结构减震控制是土木工程结构的前沿领域，也是各学科交叉的新技 术领域，对其内容分类仍未明确统一。若按是否有外部能源输入分 类如下：
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本章的主要内容
❖ 4.1.结构的隔震、消能和减震总论 ❖ 4.2.结构隔震 ❖ 4.3.基础隔震的应用 ❖ 4.4.结构消能减震 ❖ 4.5.结构主动减震控制
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❖ 地震灾害：
❖
……
❖ 1906年旧金山地震：死亡7万余人；
❖ 安全性：突发超过设防烈度的地震、随机性 ❖ 适用性：不容许在地震中破坏的结构、贵重装饰 ❖ 经济性：断面配筋大，造价高 ❖ 建筑技术发展要求：轻质材料、小截面构件
❖ 结构隔震、消能和减震控制技术应运而生。
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❖ 三类抗震手段作用原理：
❖ 抗震结构
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❖ 设想之二
❖ 利用结构各构件的承载力和变形能力抵御地震 作用，吸收地震能量。立足于“抗”。
被动消极的 抗震对策
利用刚性
❖ 隔震减震控制
❖ 在建筑物上部结构与基础之间设置滑移层，阻
止地震能量向上传递。立足于“隔”。
主动积极的
❖ 消能减震控制 ❖ 安装消能机构消耗地震能量，保护建筑主体。
抗震对策 利用延性
立足于“耗”。
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本课程的主要内容
❖1.绪论 ❖2.场地、地基和基础 ❖3.地震作用和结构抗震验算 ❖4.结构隔震、消能和减震控制 ❖5.混凝土房屋结构抗震设计 ❖6.钢结构房屋的抗震设计 ❖7.多层砌体及底层框架抗震 ❖8.构筑物抗震设计 ❖9.桥梁结构抗震设计 ❖10.地下工程抗震设计
4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 地震破坏： ❖ 结构破坏； ❖ 非结构破坏； ❖ 次生灾害。 ❖ 抗震设计： ❖ 增强结构的刚度、强度和延性； ❖ 隔震和消能减震，某些情况下必须采取的方案。
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 振动的发生：
❖ 震源
❖ ↓产生
场地
在地震作用下，明显减少结构的动力反应 xs , xs , xs 。
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❖ 结构控制的优越性： ❖ 结构减震控制能使工程结构物在强地震中更加安全，有效减震。根
据振动台试验及实际地震记录，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致如下： ❖ 隔震结构：8%~50% ❖ 消能结构：40%~60% ❖ 质量调频TMD被动控制结构：40%~60% ❖ 主动或半主动结构：10%~50%
❖ 相对于传统抗震结构，减震控制结构的地震反应大大减小了，所以 地震破坏也将大大减小。
❖ 首先，介绍隔震技术……
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如何隔震？
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❖ 式中，m，c，K分别为结构的质量、阻尼和刚度，xs , xs , xs 分
别为结构在外部作用下的加速度、速度和位移；为地面地震作 用加速度；F(t)为其他各种x可s 能施加的外部作用力。 ❖ 结构的减震控制，就是通过调整结构的自振频率ω或自振周期T （通过改变m和K），或增大阻尼c，或施加外力F(t)，shi结构
❖ 地震波
❖ ↓传递
❖ 建筑所在场地
❖ ↓引起
❖ 结构的地震反应
构件
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
地震的位移反应：
地震剪力：
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4.1 结构隔震、消能和减震控制总论
❖ 目前我国和世界各做普遍采取的传统结构抗震设计方法是，适当控 制结构的刚度，容许结构部件在地震时进入非弹性状态，要求结构 具有较大的延性，使结构物“裂而不倒”。它的设防目标是：“小 震不坏、中震可修、大震不倒”。这种传统的方法在很多情况下是 有效的，但仍存在很多问题难以满足，比如：
❖ 半主动控制：不需要能源输入直接提供控制力，控制过程依赖于结 构反应和外界干扰信息的控制方法。
❖ 混合控制：不同控制方法相结合的控制方法。
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❖ 结构控制的减震机理： ❖ 可简单的用结构的动力方程式予以说明。一般结构的动力方程
式为：
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❖ 1976年唐山地震：死亡24万余人；
❖ 1995年神户地震：死亡6千余人；
❖ 2008年汶川地震：死亡8万余人；
❖
……
❖ 地震直接经济损失：
❖
……
❖ 1906年旧金山地震：1500亿美元左右；
❖ 1995年神户地震：1000亿美元左右；
❖ 2008年汶川地震：8451亿元人民币；
❖
……
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