抗震工程概论(电子教案15)

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1、清华大学土木工程系研究生课讲义抗震工程概论教案第15讲第14章结构减震和结构控制抗震设计是通过对结构本身的调整，即对结构的布局、构件等设计使结构具备抵抗大震的能力。一个有良好抗震性能的结构需要具有良好的延性，为此目标，可适当控制结构物的刚度，但使结构部件（如梁、墙或柱等）在强地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性变形能力和耗能能力，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构裂而不倒。这是目前我国和国际上普遍采用的传统抗震设计方法，这种方法在很多情况下是有效的，但这一抗震设计方法存在以下问题：(1)大震下安全性难以保证当建筑结

2、构遭遇到突发性超烈度地震时，房屋可能会严重破坏，并且由于地震的随机性，结构的破坏程度及倒塌可能性难以控制。(2)适应性受到限制抗震设计方法允许在地震中建筑结构出现一定程度的损（破）坏，这时某些不允许在地震中出现破坏的结构或内部有贵重装饰的结构是不适应的。并且这种抗震方法只考虑建筑结构本身的抗震。未考虑屋内部设备，仪器的抗震，当建筑内部有较重要的设备、仪器、计算机网络、急救指挥系统、通信系统、医院医疗设备等情况时，是不适用的。例如，1971年美国旧金山地震时，加州西马克电话总机房结构只有轻微破坏，但内部通信设备毁坏而导致

3、全地区通信中断，抗灾指挥及抢救无法进行，造成损失难以估计。由此可见，传统的抗震设计方法固然有效，但对某些特殊情况还是有缺陷的。目前，人们在抗震问题研究中，除按规范对建筑结构进行抗震设计外，另外一个重要方面就是结构减震和结构控制。地震作用下结构动力反应的大小与储存于结构中能量的多少有关。结构体系受地面运动作用时输入结构的总能量与由结构耗散及储存于结构中的能量平衡，即：EI=ES+ED其中，EI—总输入能量ES—结构储存的能量ED—结构耗散的能量结构储存的能量包括应变能和动能：ES=EE+EKEE—弹性应变能EK—动能结构

4、耗散的能量包括粘性阻尼耗散的能量和滞回弹塑性变形的耗能：ED=EC+EHEC—粘性阻尼耗散的能量EH—滞回弹塑性变形的耗能在上述各类能量中，储存于结构中的应变能EE和动能EK越大，结构的地震反应越大，而且这两种能量仅发生能量转换，不引起总能量的耗散；粘性阻尼耗能EC和弹塑性变形耗能EH引起总能量的耗散。EC是由结构的粘性阻尼或阻尼装置引起的。对于传统的抗震结构体系，结构本身的粘性阻尼不大，大震时能量的耗散主要依靠滞回弹塑性变形耗能，而弹塑性变形消耗的能量越大，意味着结构的损伤破坏越大。为减轻结构地震反应，可以通过减少输

5、入的地震能量或增大耗能（增大EC或非结构构件的EH）的途径来实现，由此形成不同的减震设计概念：减少输入能量EI——基础隔震；1清华大学土木工程系研究生课讲义抗震工程概论教案第15讲增大耗能能力ED——耗能减震，结构控制。目前在结构减震控制体系的研究和应用上主要有如下几个方面：(1)结构隔震；(2)耗能减震；(3)结构控制。结构控制又可分为：⎧被动控制:TMD,TLD等⎪⎪主动控制:ATMD等⎨⎪半主动控制⎪混合控制⎩目前，世界上许多国家开展了结构减震技术开发与理论研究和工程推广应用工作。一些国家，如美国、日本、新西兰等

6、已制定了隔震及耗能减震设计的规范或标准。我国在《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）中给出了隔震和耗能减震的内容，也制定了《建筑隔震橡胶支座标准》和《叠层橡胶支座隔震技术规程》。14.1结构隔震（基础隔震）1891年Kawai首先提出；1909年旧金山地震后，英国医生提出基础与上部结构间用滑石粉隔震；1921年TokyoImperialHotel首先采用基础隔震。近年来，结构隔震技术的研究和应用在国内外发展很快，建筑、桥梁用的很多。目前，结构隔震技术已比较成熟，达到实用阶段。1、基本概念结构隔震是通过在结构底

7、部和基础之间设置某些隔震耗能装置，如图14.1所示，来阻止（和消耗）地震能量进入结构，从而降低结构的动力反应。2、隔震体系（装置）(1)铅芯钢板夹层橡胶垫隔震装置，水平刚度/竖直刚度≈1/100，如图14.2所示。(2)滚珠（或滚轴）加刚板隔震装置，如图14.3所示。(3)粉粒垫层隔震：用圆形砂粒、滑石、石墨或沙浆形成隔震层。软钢片钢板滚珠基础图14.1隔震体系模型图14.2铅芯钢板夹层橡胶垫隔震器图14.3滚珠刚板隔震装置2清华大学土木工程系研究生课讲义抗震工程概论教案第15讲3、隔震体系的特点(1)能使结构在基础上

8、柔性滑动，使结构自振周期大大加长，远离地震动的卓越周期。(2)具有足够的初始刚度。(3)可提供较大的阻尼，具有较大的耗能能力。由于隔震结构具有以上特点，在正常使用时，结构具有足够的刚度保证在风荷载和微小震作用下结构能正常工作；在中、强地震作用时，结构隔震体系开始工作，隔震结构的自振周期变长、阻尼变大，由图14.4给出的不同阻尼的加