第六章工程结构消能减震设计简介

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第六章工程结构消能减震设计简介
6.2.2 基础隔震装置
隔震装置由隔震器、阻尼器和复位装置组成 隔震器的作用：支承上部结构全部质量，延长结构自振
周期，同时具有经历较大变形的能力 阻尼器的作用：消耗地震能量，抑制结构可能发生的过
大位移 复位装置的作用：提高隔震系统早期刚度使结构在微震
或风载作用下，能够具有和普通结构相同的安全性
这样，总之香港汇丰银行大楼通过炫耀技术的悬
挂结构，代替了鸡腿建筑，实现了柯布的早期理
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想。
第六章工程结构消能减震设计简介
•6.2.3 悬挂隔震实例
• 和田先生则以自己敏锐的抗震思维，通过将 隔震和悬挂合二为一，为底部开敞的悬挂结构赋予 了更充分的结构抗震的合理性，建筑理想的实现多 么依赖于结构工程技术的进步。 • • 在清水建设的支持下，在清水建设技术研究 所的门口按照和田先生的想法建造起来一座四层的 钢筋混凝土悬挂隔震示范建筑，如下页的小图所示。
• 10年后重建，并增加了抗震强度。
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.2.3 悬挂隔震实例
l “鸡腿建筑” 最初的希望将地面空间还给城市，还给市民的 理想也随之被扭曲。即使建筑师自己不去否定鸡腿建筑，它 们也注定要被结构师否定，尤其是在地震危险性较高的地区。 香港人自以为占了块风水宝地，永远不会地震，确实那也真 的没被怎么震过，于是肆无忌惮的在山坡和港湾建造了大量 的鸡腿建筑，而且还相当骨感，真让人替他们担心。建筑的 形式不是由单单由建筑师决定的，也不是单单由结构师决定 的，还有追求经济利益的业主。底部沿街楼层对开敞的大空 间有挥之不去的商业热情，建筑师和结构师的工作就是尽量 满足这种商业需求。
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.2.2 基础隔震装置
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6.2.2 基础隔震装置
• 下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的 建筑(The William Clayton Building, New Zealand)和世 界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。
件和相关部件外，结构设计仍可按照《规范》对相应 结构类型的要求执行。
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.1概述
消能减震技术的优越性：
1、安全性： 消能构件或消能装置在强震中能率先消耗的地震能量， 迅速衰减结构的地震反应并保护主体结构和构件免遭 破坏，确保结构的安全。
消能减震结构的地震反应比传统结构降低40%—60%。 2、 经济性：
目前应用最多的隔震装置为隔震橡胶支座
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.2.2 基础隔震装置
• 隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、铅芯橡胶支座， 高阻尼橡胶支座等 。
• 天然夹层隔震橡胶支座 • 天然夹层橡胶支座具有较大的竖 向刚度，承受建筑物的重量时竖向 变形小，而水平刚度较小，且线性 性能好。 • 由于天然夹层橡胶支座的阻尼很 小，不具备足够的耗能能力，所以 在结构使用中一般同其它阻尼器或 耗能设备联合使用。
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6.1概述
（3）混合控制（Hybrid Control）
混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构 上的结构振动控制形式。
从其元素所起作用的相对大小来看，有两种组合方式：
l 一种是主从组合方式，即以某一控制为主控制部件， 其他部件通过主要部件实现对结构的控制。
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.1概述
结构消能减震建筑的特点： 1. 消能减震装置可同时减少结构的水平和竖向的地震作
用，适用范围较广，结构类型和高度均不受限制； 2. 消能减震装置应使结构具有足够的附加阻尼，以满足
罕遇地震下预期的结构位移要求； 3. 由于消能减震结构不改变结构的基本型式，除消能部
(3)复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满 足正常的使用要求。
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6.2.1基底隔震原理
(4)耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能 耗散足够的能量，从而降低上部结构所吸收的地震能 量。
基底隔震的适用范围： 高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高 度分布比较均匀的多层和中高层结构
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6.1概述
③ 结构附加装置控制：在结构的适当位置安放耗能减振 装置，以达到耗能减振的目的。 主要有： 各种耗能支撑、预应力摩擦墙、 金属阻尼器、摩擦阻尼器、 调频质量阻尼器（TMD）、 调频液体阻尼器（TLD）、 粘滞流体阻尼器和粘弹性阻尼器等等。
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•1994年9月16日，台湾海峡发生了7.3级地震，震源距离汕头市约200 •公里，汕头市烈度为6度，各类房屋摇晃厉害，居民惊惶失措， •水桶里的水溅出了1/3左右…… •而陵海路隔震楼上的人并没有感到晃动，听到毗邻楼房和邻街喧闹声后 •下楼才知道发生了地震。
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第六章工程结构消能减震设计简介
第六章工程结构消能减 震设计简介
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2020/11/27
第六章工程结构消能减震设计简介
6.1概述
（2）建筑费用和成本大幅度增加
传统方法是在设计时提高材料强度、加大构件（结构） 刚度，其结果是断面越大，刚度越大，使用面积减少， 建筑物自重增大，地震作用亦随之增大。
（3）适用范围受到限制
传统抗震方法采用的是延性结构体系，允许结构部件 在强震时发生比较大的塑性变形，以消耗地震能量， 减轻地震反应，这种方法对于某些不容许在地震中出 现破坏的结构、或内部有贵重装饰、重要设备仪器的 结构是不适用的。
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6.1概述
（4）施工难度大 结构构件和节点的钢筋配置过密，9度区甚至无法排布。 （5）建筑物的高度受到限制等。
为克服传统抗震方法的缺陷，结构振动控制技术（简 称“结构控制”）逐渐发展起来。 结构控制的概念：通过对结构施加控制机构，由控制 机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的 振动反应，使它在外界干扰作用下的各项反应值被控 制在允许范围内。
6.2.2 基础隔震装置
• 1994年1月17日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级 M=6.7，死亡56人，伤7300人，损失很大。 •震中附近有两座医院，一座为隔震结构，另一座为抗震结构。
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•中南加州大学医院（隔震结构）
•橄榄景医院（抗震结构） 第六章工程结构消能减震设计简介
6.2.2 基础隔震装置
• 中南加州大学医院是橡胶支座隔震
系统。地下一层，地上7层，建筑 面积：33000平方米；最高高度： 36.0m；铅芯多层橡胶隔震器68个， 多层橡胶隔震器81个。 • 地震时，这栋八层医院基础加速度 为0.49g，而顶层加速度只有0.21g, 加速度折减系数为1.8。 • 在这次地震及其其后的余震中，建筑物内的各种机器均 未损坏，医院功能得到维持，成为防灾中心，起到十分 重要的作用。
① 隔震：在建筑物适当部位设置隔震装置，切断或削弱 地面运动向上部结构的传递，并提供适当的阻尼，从 而使上部结构的地震作用大大降低，耗能能力加强。 如叠层橡胶垫支座、高阻尼橡胶垫支座、滑移隔震支 座和混合隔震装置等。
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6.1概述
② 结构自控：通过在结构中优选耗能材料和耗能杆件， 设置多道抗震防线达到耗能减振的目的。 常见的有： 竖向通缝SW（剪力墙）、周边缝SW、 双功能连梁、带抗震连梁的SW、 顶层为刚性连梁的SW、偏交支撑、 梁端设塑性铰的框架、悬挂式结构、 底层设消能缝的砖混结构。
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6.2.1基底隔震原理
为达到明显减震效果，通常基础隔震系统需具备以下四 种特性：
(1)承载特性：具有足够的竖向强度和刚度以支撑上部结 构的重量；
(2)隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震 作用下，体系能保持在弹性范围内，满足正常使用的 要求，而中强地震时，其水平刚度较小，结构为柔性 隔震结构体系；
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6.2.2 基础隔震装置
• 橄榄景医院为抗震结构，其 底层加速度为 0.82g，而顶层加 速度为2.31g, 加速度放大系数 为2.8。 • 在此次地震中，剪力墙产生剪 切裂缝，设备机器、医疗机械及 家具等翻倒，病历等资料掉下、 散乱。而且水管破裂，各层浸水， 建筑物不能使用，完全丧失了医院的功能。
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6.2.2 基础隔震装置
• 铅芯隔震橡胶支座 • 铅芯隔震橡胶支座由新西兰的 ROBINSON及其公司最早研制开发， 以后在中国、日本、美国、意大利 等国家都得到了较大的发展与应用。
• 因为铅芯橡胶支座不但具有较理想的竖向刚度，而且本身 具有消耗地震能量的能力，故铅芯橡胶支座在结构使用中受到 广泛欢迎。
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6.2.2 基础隔震装置
• 日本1隔震房屋占总数的40%；
• 美国在1985年以后兴建的隔震房屋中，完全或部分采 用铅芯橡胶支座的隔震房屋占总数的60.7%；
• 我国在已建成的隔震房屋中，完全或部分采用铅芯橡 胶支座的隔震房屋占总数的60%。
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第六章工程结构消能减震设计简介
•6.2.3 悬挂隔震实例
• 在香港拥挤的高楼大厦中，Norman
Foster设计的悬挂式的汇丰银行大楼是为数不多
的既获得了底部大空间又不采用鸡腿结构的高楼，
更可贵的是它的底部大空间真的还给了城市和市
民，而没有做成商场或气派的大堂。不管是
Foster本人的理想使然，还是业主或市政府要求
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.1概述
l 另一种是并列组合方式，即两种控制各自独立工作， 对结构实施校正作用。
目前，较为典型的几种混合控制装置有： AMD与TMD相组合， AMD与TLD相组合， 主动控制与基础隔震相组合， 主动控制与耗能减振相组合，
HMS（液压－质量振动控制系统）与AMD相组合等。
l 结构控制技术按控制措施实施的方式不同，一般分为 被动控制（Passive Control）、主动控制（Active Control）、半主动控制（Semi—Active Control） 和混合控制（Hybrid Control）四类。
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.1概述
（1）被动控制（Passive Control）
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.1概述
l 结构控制的概念：在工程结构的特定部位装设某种装 置（如隔震垫等）、或某种机构（如消能支撑、消能 剪力墙、消能节点、消能器等）、或某种子结构（如 调频质量等）、或施加外力（外部能量输入）、或调 整结构的动力特性，使工程结构在地震（或风）的作 用下，其结构的动力反应（加速度、速度、位移）得 到合理的控制，从而确保结构本身及结构中的人、仪 器设备、装修等的安全或处于正常的使用状态。
消能减震结构可以减少剪力墙的设置，减少结构断面 和配筋，可节约造价5%—10%。若用于旧建筑物的抗 震加固，则可节约造价10%—60%。 3、技术合理性：结构越高、越柔，消能减震效果越显著
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.2结构隔震设计
结构隔震主要有基底隔震和悬挂隔震两种 6.2.1基底隔震原理 在结构物底部与基础 顶面之间设置隔震消 能装置，使之与固结 于地基中的基础顶面 分开，限制地震动向 结构物传递。
第六章工程结构消能减震设计简介
6.1概述
（2）主动控制（Active Control） 指有外加能源的控制，其工作原理为：
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第六章工程结构消能减震设计简介
6.1概述
常见的类型有： 主动调频质量阻尼器(Active Tuned Mass Damper,
简称AMD)； 主动支撑系统（Active Brace）； 主动拉索控制器（Active Tendon）； 主动空气挡风板控制器（Active Aerodynamic Appendayes）等。