C.Z.QU东北电力大学 建筑工程学院
College of Structure Engineering
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复 习
Chapter EIGHT
单层厂房的抗震设计
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Chapter EIGHT
建筑结构消能减震控制
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序自从日本学者 Kobo RI和美国学者 J.T.
P.Yao分别于二十世纪六七十年代提出结构控制的概念以来,结构振动控制在世界范围内引起了广泛关注,各国政府,学者和制造商均对这一新兴领域表现了极大的兴趣,并在过去的 20多年中共同推动了这一领域的迅猛发展 。
1994年国际结构控制学会正式成立,
并在美国洛杉矶召开了第一届世界结构控制学术大会 。
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1998年在日本京都举办了第二届世界结构控制学术大会,参加会议的中国学者近
20 人,分别来自哈尔滨建筑大学,同济大学,东南大学,天津大学,华中理工大学,
沈阳建筑工程学院,华南建设学院,香港理工大学和香港科技大学,以及上海,深圳等地的设计院 。
虽然与美,日相比,我国到会学者在人数上仍有很大差距,但与 1994 年相比,已有较大增加 。
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结构振动控制的工程应用在过去 20年中也取得了较大进展,特别是在日本,美国,加拿大,新西兰等经济发达国家,其中日本居于领先地位 。
目前,日本安装控制装置的建筑物已达 600 余栋,其中安装主动和半主动控制装置的建筑物有 20余栋,安装隔震装置的有 500 余栋,其余的为其它被动控制装置 。
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目前,我国已在汕头建成隔震装置的专用生产厂家,并在四川西昌和新疆独山子等地建成了多栋隔震建筑物 。
与上述国家相比,我国在结构振动控制的工程应用方面差距很大,已安装控制装置的建筑物的数量极其有限,其中又以隔震装置为多 。
1997年我们在沈阳市政府大楼的接层抗震加固中成功地采用了摩擦耗能装置,取得了较好效果 。
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结构控制就是通过在结构上设置控制机构,由控制机构与结构共同控制抵御地震动等动力荷载,使结构的动力反应减小 。
结构控制按是否需要外部能源和激励以及结构反应的信号,可以分为：
被动控制主动控制混合控制半主动控制
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被动控制结构被动控制一般是指在结构的某个部位附加一个子系统,或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性 。
被动控制因其构造简单,造价低,易于维护且无需外界能源支持等优点而引起了广泛的关注,并成为当前应用开发的热点 。
许多被动控制技术已日趋成熟,并已在实际工程中应用 。
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基础隔震体系基础隔震体系是在上部结构与基础之间设置某种隔震消能装置,以减小地震能量向上部的传输,达到减小结构振动的目的 。
隔震装置必须具备下面四项特性,
(1) 具有较大的变形能力 ;
(2) 具有足够的初始刚度和强度 ;
(3) 提供较大的阻尼,具有较大的耗能能力 。
(4) 承重能力 。
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基础隔震能显著地降低结构的自振频率,适用于短周期的中低层建筑和刚性结构 。
由于隔震仅对高频地震波有效,因此对高层和超高层建筑不太适用 。
另外,橡胶隔震垫的老化和耐久性问题,
以及隔震效果的定量设计问题还有待于进一步的研究 。
基础隔震是当前应用最广泛,也是最成熟的一项技术 。
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一些研究和应用较广的隔震装置有,
1,夹层橡胶垫隔震装置为了提高橡胶垫的垂直承载力,应采用钢板夹层橡胶垫 。
它有很大的垂直承载力 (50～ 400t) 及很大的垂直压缩刚度 (200～ 3000t/cm),其水平变形刚度较小 (0.25～ 1.8t/cm),且是变化的 。
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当剪切变形较小时,刚度偏高；当剪切变形为 50% 左右时,刚度降低至最小值；当剪切变形为 100% 时,刚度又回升 。
这样的隔震垫对形成隔震体系是有利的 。 当风荷载或轻微地震时,有足够的初始刚度,当强地震时,能自由柔性滑动 。 而变形过大时,刚度回升,具有保护和限制作用 。
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正常使用、小震：弹性 大震：塑性
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灌铅橡胶垫：它是在钢板夹层橡胶垫的中央灌铅而成 。
当风载或轻微地震时,铅心提供初始刚度,当强地震时,铅心塑性剪切变形发挥消能作用 。 其荷载－变形曲线包络面积比较饱满,其隔震消能作用比较显著 。
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2,滚珠 (或滚轴 ) 加钢板消能装置滚球或滚珠,它用高强合金钢制成,
并涂以防腐或润滑涂层 。 滚球可做成圆形,
设置于平板或凹板上,也可做成椭球形 。
为了形成复位力,必须同时设置双向复位弹簧装置或钢板消能装置 。
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3,摩擦滑板或粉粒垫层摩擦滑板是采用高强合金钢板做成的干摩擦滑板 。 风载或轻微地震时,静摩擦力使结构固结于基础上,强地震时以其摩擦阻尼消耗地震能量 。
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粉粒垫层隔震装置用圆形沙粒,滑石,
石墨作为滑动层,
起消能减震作用 。
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消能减震体系消能减震体系是把结构物的某些非承重构件设计成消能元件,或在结构物的某些部位装设阻尼器 。
在风载或小震时,这些消能构件与阻尼器仍处于弹性状态,结构体系仍具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求 ;
在强风或强震作用下,消能元件或阻尼器首先进入非弹性状态,产生较大的阻尼,
大量耗散能量,使主体结构的动力反应减小 。
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消能减震体系按其消能装置的不同,可分为两类,
(1) 消能构件减震体系,利用结构的非承重构件作为消能装置的结构减震体系,常用的消能构件有,
(a) 消能支撑,包括方框消能支撑,圆形消能支撑,K
形偏心消能支撑等 。
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(b) 消能剪力墙,有横缝剪力墙,竖缝剪力墙,周边缝剪力墙和阻尼器剪力墙等 。
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(2) 阻尼器消能减震体系,强震时通过阻尼器耗散能量 。
(a) 金属阻尼器,利用某些金属具有的弹塑性滞回变形耗能,包括软钢耗能装置,
铅挤压阻尼器,记忆合金 (SMA) 耗能器 。
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(b) 粘性和粘弹性阻尼,
利用阻尼器材料分子的相对错动摩擦耗能 。
消能减震体系适用于高层建筑,超高层建筑和高耸构筑物,对抗震和抗风都有效,而且性能可靠 ; 但装设数量少时作用不大,数量多时造价显著增加 。
对消能减震体系的计算,目前也尚未建立起较为成熟通用的方法 。
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摩擦阻尼器
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在 塔 的 69.5m 和
92m之间以及 189.75m
和 202.4m之间分别设置 24根摩擦阻尼器,在
251m和 260.1m之间设置 16根摩擦阻尼器 。
由于上述措施,地震反应明显得到改善 。
塔顶位移峰值减小了
62.67%。
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调谐质量阻尼振动控制系统 (TMD)
TMD系统是在结构顶层加上惯性质量,
并配以弹簧和阻尼器与主结构相连,应用共振原理,对结构的某一振型加以控制 。
通常惯性质量可以是高层或高耸结构的水箱,机房或旋转餐厅 。
由于 TMD 能有效地衰减结构的动力反应,安全,经济,已被广泛用作高层建筑,
高耸结构及大跨桥梁的抗震抗风装置 。
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调谐液体阻尼振动控制系统 (TLD)
TLD同样采用共振原理,依靠液体的振荡来吸收和消耗主结构的振动能量,减小结构的动力反应 。
TLD系统相对于 TMD造价较低,不需要特别的装置,对容器的形状也无特殊的限制,
不需要维修,可以方便地设置在已有建筑之上,并可兼作水箱之用 。
TLD一般也仅适用于抗风 。
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质量泵质量泵是一种液体质量阻尼器,通过导管中液体往复流动时的惯性和粘性来消耗能量 。
质量泵只需很少的液体便可发挥较大的等效质量和等效阻尼的作用 。 用质量泵能消除结构的鞭梢效应 。
在结构的风振反应中,质量泵能有效地减小高层建筑结构顶层加速度反应,抗震时,
质量泵对高振型效果较好,但对第一振型影响不显著 。
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液压 -质量振动控制系统 (HMS)
HMS系统由液压系统和质量块组成 。
当结构振动时,液体和质量块随之振动,
从而耗散和吸收振动能量,实现对结构的减振作用 。
用 HMS 系统控制底层柔性结构柔性底层的地震反应,同时使上部结构的底层位移反应减小,而且能够满足底层大空间的建筑功能要求 。
该系统具有结构简单,造价低廉和易于应用等特点,而且控制效果较好 。
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主动控制主动控制是应用现代控制技术,对输入地震动和结构反应实现联机实时跟踪和预测,并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的系统特性,使结构与系统性能满足一定的优化准则,以达到减小或抑制结构地震反应的控制方法 。
由于实时控制力可以随输入地震改变,
其控制效果基本上不依赖于地震波的特性,
因此明显优于被动控制 。
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结构主动控制的研究涉及控制理论,
随机振动,结构工程,材料科学,生物科学,机械工程,计算机科学,振动测量,
数据处理和自动控制技术,是一门交叉学科 。
控制通常包括两类基本控制方式,开环控制和闭环控制 。
开环控制方法是直接对系统扰动输入进行量测,根据系统扰动输入的情况综合出控制律 。
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开环控制的在线计算量较小,对系统元件的精度要求较高,抗干扰力差 。
主动闭环控制法是通过适当的系统状态反馈或输出反馈,产生一定的控制作用,
从而控制结构的振动 。
闭环控制的在线计算量较大,但具有较高的扰干扰的能力,对控制元件的要求也不高,而且能保持连续地对较高控制效果进行监测 。
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世界上第一个安装 AMD的建筑是位于日本东京的 11层钢框架结构 （ 高 33米 ） 。 利用两个 AMD系统控制结构反应 。
AMD1（ 附加质量 39KN） 控制结构横向振动,AMD2（ 附加质量 9.8KN） 控制结构扭转振动 。 在 1990年 8月 10日强台风作用下,无控制时结构 11
层最大加速度反应 7cm/s2，
控制后加速度反应为 1cm/s2。
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混合控制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 。
目前,较为典型的几种混合控制装置是,
(1) AMD 与 TMD 相组合 ;
(2) 主动控制与基础隔震相组合 ;
(3) 主动控制与耗能减震相组合 ;
(4) HMS 与 AMD 相组合 ;
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半主动控制半主动控制一般以被动控制为主体,它仅需少量能量用于改变被动控制系统的参数或工作状态,以适应系统对最优状态的跟踪 。
较为典型的半主动控制装置有,
(1) 半主动隔震装置；
(2) 半主动 ;
(3) 半主动动力触动器 ;
(4) 主动变刚度装置 ;
(5) 主动变阻尼装置 ;
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半主动半被动控制系统
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调谐液体柱型阻尼器在 U型管中加上开有小孔的隔板,隔板孔洞的面积可以调节,
利用管中液体振荡过程中产生的阻尼减小结构的振动 。 TLCD 是一种半主动控制装置 。
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主动变刚度 /阻尼控制主动变刚度,通过主动变刚度控制装置使得受控结构的刚度在每一采样周期内都根据外荷载的频谱特性而在不同刚度值之间进行切换,从而使得受控结构在每一采样周期内都尽可能远离共振状态,达到减振的目的 。
主动变阻尼控制系统通过控制装置使得受控结构的阻尼在每一采样周期内都可能在不同阻尼状态之间进行切换,以期达到减振的目的 。
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序自从日本学者 Kobo RI和美国学者 J.T.
P.Yao分别于二十世纪六七十年代提出结构控制的概念以来,结构振动控制在世界范围内引起了广泛关注,各国政府,学者和制造商均对这一新兴领域表现了极大的兴趣,并在过去的 20多年中共同推动了这一领域的迅猛发展 。
1994年国际结构控制学会正式成立,
并在美国洛杉矶召开了第一届世界结构控制学术大会 。
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1998年在日本京都举办了第二届世界结构控制学术大会,参加会议的中国学者近
20 人,分别来自哈尔滨建筑大学,同济大学,东南大学,天津大学,华中理工大学,
沈阳建筑工程学院,华南建设学院,香港理工大学和香港科技大学,以及上海,深圳等地的设计院 。
虽然与美,日相比,我国到会学者在人数上仍有很大差距,但与 1994 年相比,已有较大增加 。
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结构振动控制的工程应用在过去 20年中也取得了较大进展,特别是在日本,美国,加拿大,新西兰等经济发达国家,其中日本居于领先地位 。
目前,日本安装控制装置的建筑物已达 600 余栋,其中安装主动和半主动控制装置的建筑物有 20余栋,安装隔震装置的有 500 余栋,其余的为其它被动控制装置 。
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目前,我国已在汕头建成隔震装置的专用生产厂家,并在四川西昌和新疆独山子等地建成了多栋隔震建筑物 。
与上述国家相比,我国在结构振动控制的工程应用方面差距很大,已安装控制装置的建筑物的数量极其有限,其中又以隔震装置为多 。
1997年我们在沈阳市政府大楼的接层抗震加固中成功地采用了摩擦耗能装置,取得了较好效果 。
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结构控制就是通过在结构上设置控制机构,由控制机构与结构共同控制抵御地震动等动力荷载,使结构的动力反应减小 。
结构控制按是否需要外部能源和激励以及结构反应的信号,可以分为：
被动控制主动控制混合控制半主动控制
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被动控制结构被动控制一般是指在结构的某个部位附加一个子系统,或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性 。
被动控制因其构造简单,造价低,易于维护且无需外界能源支持等优点而引起了广泛的关注,并成为当前应用开发的热点 。
许多被动控制技术已日趋成熟,并已在实际工程中应用 。
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基础隔震体系基础隔震体系是在上部结构与基础之间设置某种隔震消能装置,以减小地震能量向上部的传输,达到减小结构振动的目的 。
隔震装置必须具备下面四项特性,
(1) 具有较大的变形能力 ;
(2) 具有足够的初始刚度和强度 ;
(3) 提供较大的阻尼,具有较大的耗能能力 。
(4) 承重能力 。
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基础隔震能显著地降低结构的自振频率,适用于短周期的中低层建筑和刚性结构 。
由于隔震仅对高频地震波有效,因此对高层和超高层建筑不太适用 。
另外,橡胶隔震垫的老化和耐久性问题,
以及隔震效果的定量设计问题还有待于进一步的研究 。
基础隔震是当前应用最广泛,也是最成熟的一项技术 。
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一些研究和应用较广的隔震装置有,
1,夹层橡胶垫隔震装置为了提高橡胶垫的垂直承载力,应采用钢板夹层橡胶垫 。
它有很大的垂直承载力 (50～ 400t) 及很大的垂直压缩刚度 (200～ 3000t/cm),其水平变形刚度较小 (0.25～ 1.8t/cm),且是变化的 。
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当剪切变形较小时,刚度偏高；当剪切变形为 50% 左右时,刚度降低至最小值；当剪切变形为 100% 时,刚度又回升 。
这样的隔震垫对形成隔震体系是有利的 。 当风荷载或轻微地震时,有足够的初始刚度,当强地震时,能自由柔性滑动 。 而变形过大时,刚度回升,具有保护和限制作用 。
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正常使用、小震：弹性 大震：塑性
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灌铅橡胶垫：它是在钢板夹层橡胶垫的中央灌铅而成 。
当风载或轻微地震时,铅心提供初始刚度,当强地震时,铅心塑性剪切变形发挥消能作用 。 其荷载－变形曲线包络面积比较饱满,其隔震消能作用比较显著 。
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2,滚珠 (或滚轴 ) 加钢板消能装置滚球或滚珠,它用高强合金钢制成,
并涂以防腐或润滑涂层 。 滚球可做成圆形,
设置于平板或凹板上,也可做成椭球形 。
为了形成复位力,必须同时设置双向复位弹簧装置或钢板消能装置 。
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3,摩擦滑板或粉粒垫层摩擦滑板是采用高强合金钢板做成的干摩擦滑板 。 风载或轻微地震时,静摩擦力使结构固结于基础上,强地震时以其摩擦阻尼消耗地震能量 。
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粉粒垫层隔震装置用圆形沙粒,滑石,
石墨作为滑动层,
起消能减震作用 。
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消能减震体系消能减震体系是把结构物的某些非承重构件设计成消能元件,或在结构物的某些部位装设阻尼器 。
在风载或小震时,这些消能构件与阻尼器仍处于弹性状态,结构体系仍具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求 ;
在强风或强震作用下,消能元件或阻尼器首先进入非弹性状态,产生较大的阻尼,
大量耗散能量,使主体结构的动力反应减小 。
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消能减震体系按其消能装置的不同,可分为两类,
(1) 消能构件减震体系,利用结构的非承重构件作为消能装置的结构减震体系,常用的消能构件有,
(a) 消能支撑,包括方框消能支撑,圆形消能支撑,K
形偏心消能支撑等 。
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(b) 消能剪力墙,有横缝剪力墙,竖缝剪力墙,周边缝剪力墙和阻尼器剪力墙等 。
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(2) 阻尼器消能减震体系,强震时通过阻尼器耗散能量 。
(a) 金属阻尼器,利用某些金属具有的弹塑性滞回变形耗能,包括软钢耗能装置,
铅挤压阻尼器,记忆合金 (SMA) 耗能器 。
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(b) 粘性和粘弹性阻尼,
利用阻尼器材料分子的相对错动摩擦耗能 。
消能减震体系适用于高层建筑,超高层建筑和高耸构筑物,对抗震和抗风都有效,而且性能可靠 ; 但装设数量少时作用不大,数量多时造价显著增加 。
对消能减震体系的计算,目前也尚未建立起较为成熟通用的方法 。
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摩擦阻尼器
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在 塔 的 69.5m 和
92m之间以及 189.75m
和 202.4m之间分别设置 24根摩擦阻尼器,在
251m和 260.1m之间设置 16根摩擦阻尼器 。
由于上述措施,地震反应明显得到改善 。
塔顶位移峰值减小了
62.67%。
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调谐质量阻尼振动控制系统 (TMD)
TMD系统是在结构顶层加上惯性质量,
并配以弹簧和阻尼器与主结构相连,应用共振原理,对结构的某一振型加以控制 。
通常惯性质量可以是高层或高耸结构的水箱,机房或旋转餐厅 。
由于 TMD 能有效地衰减结构的动力反应,安全,经济,已被广泛用作高层建筑,
高耸结构及大跨桥梁的抗震抗风装置 。
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调谐液体阻尼振动控制系统 (TLD)
TLD同样采用共振原理,依靠液体的振荡来吸收和消耗主结构的振动能量,减小结构的动力反应 。
TLD系统相对于 TMD造价较低,不需要特别的装置,对容器的形状也无特殊的限制,
不需要维修,可以方便地设置在已有建筑之上,并可兼作水箱之用 。
TLD一般也仅适用于抗风 。
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质量泵质量泵是一种液体质量阻尼器,通过导管中液体往复流动时的惯性和粘性来消耗能量 。
质量泵只需很少的液体便可发挥较大的等效质量和等效阻尼的作用 。 用质量泵能消除结构的鞭梢效应 。
在结构的风振反应中,质量泵能有效地减小高层建筑结构顶层加速度反应,抗震时,
质量泵对高振型效果较好,但对第一振型影响不显著 。
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液压 -质量振动控制系统 (HMS)
HMS系统由液压系统和质量块组成 。
当结构振动时,液体和质量块随之振动,
从而耗散和吸收振动能量,实现对结构的减振作用 。
用 HMS 系统控制底层柔性结构柔性底层的地震反应,同时使上部结构的底层位移反应减小,而且能够满足底层大空间的建筑功能要求 。
该系统具有结构简单,造价低廉和易于应用等特点,而且控制效果较好 。
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主动控制主动控制是应用现代控制技术,对输入地震动和结构反应实现联机实时跟踪和预测,并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的系统特性,使结构与系统性能满足一定的优化准则,以达到减小或抑制结构地震反应的控制方法 。
由于实时控制力可以随输入地震改变,
其控制效果基本上不依赖于地震波的特性,
因此明显优于被动控制 。
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结构主动控制的研究涉及控制理论,
随机振动,结构工程,材料科学,生物科学,机械工程,计算机科学,振动测量,
数据处理和自动控制技术,是一门交叉学科 。
控制通常包括两类基本控制方式,开环控制和闭环控制 。
开环控制方法是直接对系统扰动输入进行量测,根据系统扰动输入的情况综合出控制律 。
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开环控制的在线计算量较小,对系统元件的精度要求较高,抗干扰力差 。
主动闭环控制法是通过适当的系统状态反馈或输出反馈,产生一定的控制作用,
从而控制结构的振动 。
闭环控制的在线计算量较大,但具有较高的扰干扰的能力,对控制元件的要求也不高,而且能保持连续地对较高控制效果进行监测 。
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世界上第一个安装 AMD的建筑是位于日本东京的 11层钢框架结构 （ 高 33米 ） 。 利用两个 AMD系统控制结构反应 。
AMD1（ 附加质量 39KN） 控制结构横向振动,AMD2（ 附加质量 9.8KN） 控制结构扭转振动 。 在 1990年 8月 10日强台风作用下,无控制时结构 11
层最大加速度反应 7cm/s2，
控制后加速度反应为 1cm/s2。
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混合控制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 。
目前,较为典型的几种混合控制装置是,
(1) AMD 与 TMD 相组合 ;
(2) 主动控制与基础隔震相组合 ;
(3) 主动控制与耗能减震相组合 ;
(4) HMS 与 AMD 相组合 ;
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半主动控制半主动控制一般以被动控制为主体,它仅需少量能量用于改变被动控制系统的参数或工作状态,以适应系统对最优状态的跟踪 。
较为典型的半主动控制装置有,
(1) 半主动隔震装置；
(2) 半主动 ;
(3) 半主动动力触动器 ;
(4) 主动变刚度装置 ;
(5) 主动变阻尼装置 ;
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半主动半被动控制系统
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调谐液体柱型阻尼器在 U型管中加上开有小孔的隔板,隔板孔洞的面积可以调节,
利用管中液体振荡过程中产生的阻尼减小结构的振动 。 TLCD 是一种半主动控制装置 。
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主动变刚度 /阻尼控制主动变刚度,通过主动变刚度控制装置使得受控结构的刚度在每一采样周期内都根据外荷载的频谱特性而在不同刚度值之间进行切换,从而使得受控结构在每一采样周期内都尽可能远离共振状态,达到减振的目的 。
主动变阻尼控制系统通过控制装置使得受控结构的阻尼在每一采样周期内都可能在不同阻尼状态之间进行切换,以期达到减振的目的 。
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