工程结构抗震设计基础 Prat1 工程结构的隔震与消能减震

该方案建议在建筑结构与基础之间用滑石层隔开， 地震时建筑物可以产生滑动，避免建筑物产生破坏。
设计中还针对地震引起建筑物与基础之间的相对 位移，对煤气管和排水管采用了可变形的连接装置。
1924年，日本的鬼头健三郎申请的建筑物抗震装 置专利，是在柱脚处设置盘状凹面，其间放入球体来 支承建筑物(如图4—3)。
1 结构控制方法概述
传统的结构抗震设计是通过加强结构自身的抗震 能力以抵抗地震作用，如加大构件尺寸、提高材料强 度等，使结构满足小震不坏、中震可修、大震不倒的 抗震设防目标。
然而，传统方法不仅使结构造价大大增加，而且， 由于地震作用的不确定性而难以达到预期效果。
为了使重要建筑物(如纪念性建筑、博物馆、核电 站、通讯枢纽、大型桥梁等)在强震时能保证正常运行 功能，可以运用结构控制理论进行工程结构抗震设计。
2 ) 主动控制
主动控制是有外加能源的控制，其控制力是由控制装置按某种控 制规律，由外加能源主动施加的。
由于主动控制的减震效果基本上不依赖于外部扰动，其控 制效果明显优于被动控制。
常用的主动控制装置有：主动控制调谐质量控制系统(AMD)、 主动TMD、主动锚索控制系统等。
主动控制特别适用于对抗震(抗风)要求较高的重要建筑、高层建筑、 重要桥梁、特种建筑等，但费用较高。 大型柔性空间结构，如大型空 间天线、太阳能帆板等，具有低频率、低阻尼、轻质量和大跨度的特 点，任何外界干扰都可能引起这些结构持续大幅的振功，严重时将影 响航大器工作甚至导致航大任务的失败。因此，必须采取措施对其有 害振动进行抑制。主动振动控制技术被认为是解决大型柔性结构振动 控制问题的一种有效的方法
电梯是高层建筑的重要运输上具。随着城市的扩张和
高层建筑的发展，电梯的速度不断提高。速度的提高使 得电梯振动加剧，影响了乘坐舒适性以及电梯的使用寿命。 因此，振动控制是高速电梯需要解决的重要课题。电梯的 振动包括垂直振动和水平振动两方而，目前国内对电梯振 动的研究主要集中于垂直振动方面。
瞿伟廉 MR半主动阻尼器
3) 混合控制及半主动控制
结构的混合控制系统是将主动控制系统和被动控 制系统同时施加在一个结构，或同时应用若干种控制 方法的结构控制系统。它可以充分发挥各种控制方法 及控制装置的优点，控制效果更好。同时系统的稳定 性和可靠度有所增强。
4 ) 各种控制技术的比较
各种控制技术的对比见表4-1。
表4-1 各种控制技术的比较
较为成熟，设计计算较成熟
主振型较为明显稳定的多高层、超 技术基本成熟，设计计算需进一
高层建筑、塔架、大跨度桥梁等
步研究
主动控制
对抗风要求较高的建筑物
技术尚待完善，运行费用较高
混合控制及 半主动控制
各种不同类型、不同要求的建筑物
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2 工程结构隔震
1 ) 概述
图4-2为英国医生J.A. Calantarients在1909年发明的 隔震方案。
目前，结构控制理论已从工程结构基础隔震发展 到主动控制地震反应(或工程结构的减震控制)。
工程结构的减震控制：指通过在工程结构的特定 部位，设置某种装置或某种机构，如隔震支座、消能 支撑、消能剪力墙、消能器等，或某种子结构或施加 外力等方法，调整或改变结构的动力参数或动力作用。
这种使工程结构在地震(或风)作用下的动力反应 (加速度、速度、位移)得到合理控制，确保结构本身及 结构中人、仪器、设备、装潢等的安全和处于正常使 用状态的结构体系，称为工程结构减震控制体系，其 相关的理论、技术和方法，统称为工程结构减震控制。
目前开发出的隔震装置主要有：①橡胶垫隔震； ②滑移隔震；③滚珠及滚轴隔震；④摆动隔震；⑤悬 吊隔震；⑥螺旋钢弹簧隔震；⑦混合隔震等。
(b) 耗能减震技术是把结构物中的某些构件(如支撑、 剪力墙等)设计成耗能部件或在结构物的某些部位装设 阻尼器以耗散罕遇地震作用下的地震能量，保护主体 结构在罕遇地震作用下的安全的方法。
按结构控制的技术方法进行分类，一般可分为被 动控制、半主动控制、主动控制及混合控制等类型。 如图4—1所示。
1) 被动控制
被动控制是指无外加能源的控制，其控制力是由 于控制装置随结构一起振动变形而被动产生。通常在 结构中安装经调整的控制装置，以隔离或减少结构内 的地震能量，减少主体结构的地震反应。被动控制包 括隔震、耗能减震、吸振减震等方法。 (a) 隔震是指在工程结构中设置某种隔震装置以隔离 地震作用，减少地震反应的方法。是被动控制方法中 应用较早、理论和技术较为成熟的一种。
(c) 吸振减震技术是在主体结构中附加子结构、使结 构的振动发生转移的方法。即：使结构的振动能量在 原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小结构振 动的目的。
主要的吸振减震装置有：①调谐质量阻尼系统
(TMD)；②调谐阻尼系统(TLD)；③调谐液柱式阻尼系 统(TLCD)；④质量泵；⑤液压一控制系统(HMS)；⑥ 空气阻尼器；⑦油阻尼器等。
2) 隔震层
(1) 多层橡胶支座的构造
多层橡胶隔层支座由薄橡胶片与钢板相互交错叠 置而成，如图4—6所示。
(2) 多层橡胶隔震支座的工作原理
多层橡胶隔震支座的工作原理如图4—7所示。
当橡胶支座承受垂直荷载时，橡胶层的横向变形 受到约束，使隔震支座具有很大的垂直承载力和竖向 刚度。
隔震结构体系一般由上部结构、隔震层、下部结 构三部分组成。由隔震装置组成的隔震层可根据需要 设置在结构的不同部位，如图4—4所示。隔震层也可 由隔震装置和限制结构位移的阻尼器组成。将隔震层 设置在结构物底部与基础或地下结构柱顶之间的结构 体系称为基础隔震体系[图4—4(a)]。
隔震装置有多层橡胶支座、滚动支座、滑动式支 座、摆动式支座等各种不同形式，如图4—5所示。
控制技术 隔震
消能减震 质量调谐等
应用范围
特点及存在主要问题
一至三十层，或高宽比不大于4的建 筑物，要求确保地震中绝对安全的 结构物、桥梁、设备、仪器等
安全可靠，减震效果明显，技术 较为成熟，产品耐久性、稳定性 能较好，设计计算方法成熟
水平刚度较小的多高层建筑、塔架、 安全可靠，减震效果明显，技术
大跨度桥梁、管线等