隔震、减震与结构控制初步.doc

第八章隔震、减震与结构控制初步
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由震源产生的地震力,通过一定途径传递到建筑物所在场地,引起结构的地震反应。一般来说,建筑物的地震位移反应沿高度从下向上逐级加大,而地震内力则自上而下逐级增加。当建筑结构某些部分的地震力超过该部分所能承受的力时,结构就将产生破坏。
在抗震设计的早期,人们曾企图将结构物设计为“刚性结构体系”。这种体系的结构地震反应接近地面地震运动,一般不发生结构强度破坏。但这样做的结果必然导致材料的浪费,诚如著名的地震工程专家Rosenblatt所说的那样:“为了满足我们的要求,人类所有财富可能都是不够的,大量的一般结构将成为碉堡。”作为刚性结构体系的对立体系,人们还设想了“柔性结构体系”,即通过大大减少结构物的刚性来避免结构与地面运动发生类共振,从而减轻地震力。但是,这种结构体系在地震动作用下结构位移过大,在较小的地震时即可能影响结构的正常使用,同时,将各类工程结构都设计为柔性结构体系,也存在实践上的困难。长期的抗震工程实践证明:将一般结构物设计为“延性结构”是合宜的。通过适当控制结构物的刚度与强度,使结构构件在强烈地震时进入非弹性状态后仍具有较大的延性,从而可以通过塑性变形消耗地震能量,使结构物至少保证“坏而不倒”,这就是对“延性结构体系”的基本要求。在现代抗震设计中,实现延性结构体系设计是工程师所追求的抗震基本目标。
然而,延性结构体系的结构,仍然是处于被动地抵御地震作用的地位。对于多数建筑物,当遭遇相当于当地基本烈度的地震袭击时,结构即可能进入非弹性破坏状态,从而导致建筑物装修与内部设备的破坏,造成巨大的经济损失。对于某些生命线工程(如电力、通讯部门的核心建筑),结构及内部设备的破坏可以导致生命线网络的瘫痪,所造成的损失更是难以估量。所以,随着现代化社会的发展,各种昂贵设备在建筑物内部配置的增加,延性结构体系的应用也有了一定的局限性。面对新的社会要求,各国地震工程学家一直在寻求新的结构抗震设计途径。以隔震、减震、制振技术为特色的结构控制设计理论与实践,便是这种努力的结果。
隔震,是通过某种隔离装置将地震动与结构隔开,以达到减小结构振动的目的。隔震方法主要有基底隔震和悬挂隔震等类型。
减震,是通过采用一定的耗能装置或附加子结构吸收或消耗地震传递给主体结构的能量,从而减轻结构的振动。减震方法主要有耗能减震、吸振减震、冲击减震等类型。
狭义的制振技术又称结构主动控制。它是通过自动控制系统主动地给结构施加控制力,以期达到减小结构振动的目的。
目前,结构隔震技术已基本进入实用阶段,而对于减震与制振技术,则正处于研究、探索并部分应用于工程实践的时期。
§ 隔震原理与方法
隔震原理
这里主要介绍基底隔震方法。基底隔震的基本思想是在结构物地面以上部分的底部设
置隔震层,使之与固结于地基中的基础顶面分离开,从而限制地震动向结构物的传递。大量试验研究工作表明:合理的结构隔震设计一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右,从而可以有效地减轻结构的地震破坏,提高结构物的地震安全性。
。图中所示为一般的地震反应谱。首先,隔震层通常具有较大的阻尼,从而使结构所受地震作用较非隔震结构有较大的衰减。其次,隔震层具有很小的侧移刚度,从而大大延长了结构物的周期,因而,结构加速度反应得到进一步降低()。与此同时,结构位移反应在一定程度上增加()。
鉴于上述技术原理,在进行基底隔震结构设计时应注意:
在满足必要的竖向承载力的前提下,隔震装置的水平刚度应尽可能小,以使结构周期尽可能远离地震动的卓越周期范围;
保证隔震结构在强风作用下不致有太大的位移。为此,通常要求在隔震结构系统底部安装风稳定装置或用阻尼器与隔震装置联合构成基底隔震系统。
隔震分析模型
隔震建筑系统的动力分析模型可根据具体情况选用单质点模型、多质点模型甚至空间分析模型。当上部结构侧移刚度远大于隔震层的水平刚度时,可以近似认为上部结构是一个刚体,从而将隔震结构简化为单质点模型进行分析,其动力平衡方程形式为
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式中,—结构的总质量;
—隔震层的阻尼系数和水平刚度;
—上部简化刚体相对于地面的加速度、速度与位移;
—地面加速度过程。
当要求分析上部结构的细部地震反应时,可以采用多质点模型或空间分析模型。这些模型可视为在常规结构分析模型底部加入隔震层简化模型的结果。例如,对于多质点模型,隔震层可用一个水平刚度为,阻尼系数为的结构层简化之()。
其中,水平动刚度计算式为,
()
式中:——隔震支座数量;
——第个隔震支座的水平动刚度。
等效粘滞阻尼比计算式为:
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