工程结构抗震设计第七-八章

工程结构抗震设计第七章工程结构的隔震与减震第一节结构控制的基本概念一、抗震理论的发展阶段1．静力理论，即抗侧力系数法刚性结构体系，无法真正实现2．弹性地震反应谱分析方法设计思想：“小震不坏，大震不倒”延性结构体系，应用日益受到限制3．结构控制理论：目前属于初期发展和初步应用阶段结构控制主要研究结构工程中控制装置的设计理论、方法及其实施。控制结构是根据给定的控制条件将结构和控制装置作为一个整体进行优化设计。结构控制可分四类（1）被动控制：不需要外部提供能源上部减震：如调频质量阻尼器、耗能装置等基础减震：即基础隔震（2）主动控制：需要外部提供能源（3）半主动控制：仅需少量外部能源（4）以上几种控制类型的组合第二节基础隔震一、基础隔震模式①竖向支承机构②水平隔震机构③阻尼机构③②①基础地基上部结构隔震层基础隔震建筑基本模式基础隔震与传统抗震房屋的反应对比二、隔震机构及隔震原理1．叠层钢板橡胶支座隔震（1）普通叠层钢板橡胶支座（3）高阻尼叠层钢板橡胶支座（4）堆叠型叠层钢板橡胶支座（2）铅芯叠层钢板橡胶支座隔震基本原理（1）延长结构基本自振周期，远离场地卓越周期，使结构基频处于地震能量高的频段之外，从而有效地降低建筑物的地震反应。（2）适度增大橡胶支座的阻尼，以更多地吸收传入结构的地震能量，抑制地震波中长周期成分可能给建筑物带来的大变形。2．滑动支座隔震隔震基本原理：通过隔震层控制传入上部结构的地震力，地震力不超过隔震层摩擦力3．螺旋弹簧支座隔震4．滚动支座隔震5．摆动柱隔震第三节结构消能减震一、消能减震原理结构在地震中任意时刻能量方程为传统抗震结构Ein=EV+EK+EC+ES消能减震结构Ein=EV+EK+EC+ES+ED式中Ein地震过程中输入结构体系的能量；EV结构体系的动能；EK结构体系的弹性应变能（势能）；EC结构体系本身的阻尼耗能；ES结构构件的弹塑性变形消耗的能量；ED消能装置或消能元件消耗或吸收的能量。（a）地震输入（b）传统结构抗震（c）效能减震结构结构地震能最转换途径对比二、消能减震机构消能减震体系：把结构物的某些非承重构件设计成消能杆件，或在结构的某些部位装设消能装置。消能装置按照其构造形式可以做成（1）消能支撑：替代一般的结构支撑（2）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙（3）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置（4）消能联结：在结构的缝隙处或结构构件之间的联结处设置消能装置（1）消能支撑：替代一般的结构支撑（2）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙（3）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置消能装置的功能：当构件或节点发生相对位移或转动时，产生较大阻尼，从而发挥消能减震作用。消能装置的消能形式（1）摩擦消能：摩擦消能支撑，摩擦节点（2）钢件（梁、板、棒）非弹性消能装置（3）材料塑性变形消能：铅阻尼器（4）材料粘弹性消能装置（5）液体阻尼消能：液体阻尼缸（6）混合式：几种消能形式混合应用。三、消能减震设计法循环设计法：根据设计目标进行循环多次的设计计算，不断调整消能构件或消能装置的设计和布置，直到满足设计目标。第四节调谐阻尼器减震一、调谐质量阻尼器(TMD)减震机理:将结构振动的部分能量吸收到自己身上，转化成自身的动能和阻尼耗能。二、调谐液体阻尼器(TLD、TLCD)减震机理：结构振动时带动阻尼器中的液体晃动，通过结构与阻尼器之间的相互作用实现减震。被动调谐阻尼器一般安装在结构顶层。第五节主动控制工作流程第八章桥梁结构抗震设计第一节桥梁结构抗震设计的基本知识一、梁式桥震害表现及原因1．上部结构震害(1)由于桥墩倾倒而引起落梁(2)由于梁柱之间的相对错位而引起的落梁(3)由于上部结构横向位移和转动引起落梁2．下部结构震害桥墩、桥台、支座破坏二、抗震设计的基本知识(一)公路工程重要性分类第一档次：高速公路和一级公路上的抗震重点工程；第二档次：高速公路、一级公路的一般工程和二级公路的抗震重点工程以及二三级公路上桥梁的支座。第三档次：二级公路上的一般工程和三级公路上的抗震重点工程以及四级公路上的梁端支座、梁端连接、支档措施；第四档次：三级公路上的一般工程和四级公路上的抗震重点工程；第五档次：四级公路上的一般工程。(二)抗震设防标准公路工程的设防依据是基本烈度。1.在基本烈度为7，8，9度地区的抗震设计，根据我国交通部标准《公路工程抗震设计规范》进行；2.对于大于9度的地区，应进行专门研究；3.基本烈度为6度的地区，除国家特别规定外，可采用简易设防，或不进行抗震验算。(三)抗震设防目标按规范要求进行抗震设计的公路工程在发生与之相当的基本烈度地震影响时1.位于一般地段的高速公路、一级公路工程，经一般整修即可正常使用；2.位于一般地段的二级公路及位于软弱粘性土层或液化土层上的高速公路、二级公路工程，经短期抢修即可恢复使用；3.三四级公路工程和位于地震危险地段、软弱粘性土层或液化土层上的二级公路以及位于抗震危险地段的高速公路、一级公路工程，保证桥梁、隧道及重要的构造物不发生严重破坏。(四)抗震设计基本要求1．选择对抗震有利地段布设线路和选定桥位；2．避免或减轻在地震影响下因地基变形或地基失效对公路工程造成的破坏；3．本着减轻震害和便于修复(抢修)的原则，确定合理的设计方案:(1)尽量减轻结构的自重和降低其重心，以减小结构物内力，提高稳定性。(2)力求使结构物的质量中心与刚度中心重合，以减小在地震中因扭转引起的附加地震力，(3)应协调结构物的长度和高度，以减少各部分不同性质的振动所造成的危害作用。(4)适当降低结构刚度，使用延性材料提高其变形能力，从而减小地震荷载。(5)加强地基的调整和处理，以减小地基变形和防止地基失效。4．加强结构物的整体性。(四)抗震设计一般规定1．下列构造物可不进行抗震强度和稳定性验算，但应采取抗震措施（1）简支梁的上部构造；（2）基本烈度低于9度，基础位于I、II类场地上的跨径不大于30m的单孔板拱拱圈；（3）基本烈度低于8度，二、三、四级公路上位于非液化土和非软弱粘性土地基上的实体墩台。2．验算桥梁的抗震强度和稳定性时，地震荷载应与结构重力、土的重力和水的浮力相组合，其它荷载可不考虑。3．计算桥梁地震荷载时，应分别考虑顺桥和横桥两个方向的水平地震荷载。对于位于基本烈度为9度区的大跨径悬臂梁桥，还应考虑上、下两个方向竖向地震荷载和水平地震荷载的不利组合。4．立体交叉的跨线工程，其抗震设计不应低于下线工程的要求。5．季节性河流上的桥梁，可不考虑水流影响；常年有水的河流上的桥梁，应按常水位计算水的浮力；位于常水位水深超过5m的实体桥墩、空心桥墩的抗震设计，应计入地震动水压力。6．梁桥下部结构的抗震设计，应考虑上部结构的地震荷载。其作用点的位置，顺桥向为支座顶面；横桥向为上部结构质量重心。7．位于非岩石地基上的梁桥桥墩抗震设计，应计入地基变形的影响。8．地震荷载的计算法，一般情况下桥墩应采用反应谱理论计算，桥台采用静力法。对于结构特别复杂、桥墩高度超过30m的特大桥梁，可采用时程分析法。第二节桥梁结构地震反应分析方法一、静力法假设结构为一刚体，把惯性力作为静力作用在结构上。计算公式F=kW式中W为结构总重量或结构中某一部分的重量；k水平地震系数，即地面运动加速度峰值与重力加速度的比值。二、反应谱法把建筑设计反应谱中的地震影响系数分为两项：1.地震系数K：根据基本烈度确定。2.动力放大系数：根据场地类别、结构自振周期确定(1)当结构自振周期T=0时，=l；(2)当0T0.1s时，在1与2.25之间按线性规律变化。(3)当0.1sTTg时，取最大值2.25。(4)当TgT时，分别以不同的指数函数衰减；(5)当T较长时，为了安全，反应谱给出了的下限0.3。四条曲线下降到0.3时的周期分别为1.5s，2.35s，3.8s和6.5s左右。动力放大系数