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1建筑结构消能减震设计建筑结构消能减震设计潘鹏，副教授，博导panpeng@tsinghua.edu.cn010-62794729清华大学土木工程系2唐山地震，1976年7月28日，死亡242,769人地震灾害地震灾害3地震灾害地震灾害神户地震，1995年1月17日，死亡6430人4地震灾害地震灾害台湾地震，1999年9月21日，死亡2400多人5地震灾害地震灾害汶川地震，2008年5月12日，死亡失踪超9万人6地震作用的特点和结构抗震的问题地震作用的特点和结构抗震的问题地震作用是地震地面运动引起结构物地震作用是地震地面运动引起结构物整体振动整体振动所所产生的产生的动力效应，动力效应，是一种是一种整体型作用整体型作用地震发生具有地震发生具有极大的随机性极大的随机性和和不确定性不确定性，乃至，乃至不可预见性不可预见性（时间、地点、强度）（时间、地点、强度）强震下，要求结构不损强震下，要求结构不损坏是不合适的坏是不合适的在地震引起的结构整体在地震引起的结构整体型作用下，结构中的型作用下，结构中的薄薄弱部位首先发生破坏弱部位首先发生破坏7工程结构的定义工程结构的定义《《工程结构可靠性设计统一标准工程结构可靠性设计统一标准GB50153GB50153--20062006》》能承受作用并具有适当刚度的由各连接部件有机组能承受作用并具有适当刚度的由各连接部件有机组合而成的合而成的系统系统。。8完整的定义完整的定义工程结构的定义工程结构的定义具有所需要的足够的具有所需要的足够的承载能承载能力力、、刚度刚度、、变形能力变形能力和和耗能耗能能力能力；在预期荷载和作用下；在预期荷载和作用下具有所需要的使用性能，具具有所需要的使用性能，具有足够的安全储备；在超出有足够的安全储备；在超出预期的荷载和作用下，预期的荷载和作用下，具有具有足够抗倒塌能力足够抗倒塌能力。。结构是由不同功能的基本构件通过可靠连接组成的、能够结构是由不同功能的基本构件通过可靠连接组成的、能够长期安全可靠的承受各种荷载和作用的合理的整体系统，长期安全可靠的承受各种荷载和作用的合理的整体系统，该系统遵循力学原理该系统遵循力学原理9工程结构定义的含义工程结构定义的含义(1)(1)结构系统具备的能力包括四个方面：承载能力、刚度、结构系统具备的能力包括四个方面：承载能力、刚度、变形能力和耗能能力（变形能力和耗能能力（防灾能力防灾能力））。。(2)(2)结构系统在预期荷载和作用下具有所需要的使用性能，结构系统在预期荷载和作用下具有所需要的使用性能，即通常所说的结构适用性要求。对于结构抗震来说，就即通常所说的结构适用性要求。对于结构抗震来说，就是所谓的是所谓的““小震不坏小震不坏””。。（（承载力和刚度需求承载力和刚度需求））(3)(3)结构系统在预期荷载和作用下具有足够的安全储备，即结构系统在预期荷载和作用下具有足够的安全储备，即通常所说的结构安全性要求。对于结构抗震来说，就是通常所说的结构安全性要求。对于结构抗震来说，就是在设防水准地震下达到承载力极限，但损伤程度有限，在设防水准地震下达到承载力极限，但损伤程度有限，属于属于““中震可修中震可修””。。（（承载力储备承载力储备））(4)(4)结构系统在超出预期的荷载和作用下具有足够抗倒塌能结构系统在超出预期的荷载和作用下具有足够抗倒塌能力。对于结构抗震来说，就是在超设防水准的罕遇地震力。对于结构抗震来说，就是在超设防水准的罕遇地震下结构不产生垮塌。下结构不产生垮塌。((变形能力和耗能能力－变形能力和耗能能力－防灾能力防灾能力))10工程结构系统的组成工程结构系统的组成传统结构的概念传统结构的概念受力系统：即受力骨架，主要提供承载力和刚度受力系统：即受力骨架，主要提供承载力和刚度强震下，要求结构不损强震下，要求结构不损坏是不合适的坏是不合适的在地震引起的结构整体在地震引起的结构整体型作用下，结构中的型作用下，结构中的薄薄弱部位弱部位首先发生首先发生破坏破坏。。传统结构的抗震是以传统结构的抗震是以结构构件的损坏结构构件的损坏来实现耗散来实现耗散地震能量的地震能量的11工程结构系统的组成工程结构系统的组成消能减震结构的概念消能减震结构的概念通过阻尼系统（阻尼器）或者分灾系统（滞回通过阻尼系统（阻尼器）或者分灾系统（滞回型耗能构件）来耗散地震能力型耗能构件）来耗散地震能力传统结构的概念传统结构的概念受力系统：即受力骨架，主要提供承载力和刚度受力系统：即受力骨架，主要提供承载力和刚度传统结构的抗震是以传统结构的抗震是以结构构件的损坏结构构件的损坏来耗散地震来耗散地震能量能量12引入系统概念定义工程结构引入系统概念定义工程结构结构系统的特点结构系统的特点具有重要性层次具有重要性层次具有功能性层次具有功能性层次抗灾能力的阶段性抗灾能力的阶段性具有更大的可设计性和鲁棒性具有更大的可设计性和鲁棒性13重要性层次重要性层次关键构件关键构件––框支柱，核心筒框支柱，核心筒重要构件重要构件––框架柱框架柱一般构件一般构件––框架梁框架梁次要构件次要构件––次梁、连梁次梁、连梁赘余构件赘余构件––阻尼器阻尼器14竖向受力构件竖向受力构件––框架柱，剪力墙框架柱，剪力墙水平受力构件水平受力构件––框架柱，剪力墙框架柱，剪力墙––支撑支撑消能构件消能构件––框架梁，连梁框架梁，连梁––阻尼器阻尼器功能性层次功能性层次15抗灾能力的阶段性抗灾能力的阶段性关键构件关键构件––框支柱，核心筒框支柱，核心筒重要构件重要构件––框架柱框架柱一般构件一般构件––框架梁框架梁次要构件次要构件––次梁、连梁次梁、连梁赘余构件赘余构件––阻尼器阻尼器16赘余构件赘余构件赘余构件是结构的赘余构件是结构的分灾子系统分灾子系统((位置明确位置明确))，，是耗散是耗散地震能量的主体地震能量的主体，而其损伤和破坏又不影响主体结，而其损伤和破坏又不影响主体结构构((抗震结构中的构件塑性滞回耗能使主体结构构抗震结构中的构件塑性滞回耗能使主体结构构件产生损伤件产生损伤))赘余构件在正常使用情况下不起作用或只起很小作赘余构件在正常使用情况下不起作用或只起很小作用，但在大震时，它们就能够承受地震荷载。用，但在大震时，它们就能够承受地震荷载。赘余构件的破坏、甚至退出（从结构中去除）不会赘余构件的破坏、甚至退出（从结构中去除）不会影响整个结构的完整性。影响整个结构的完整性。消能减震结构中的各种阻尼器就属于赘余构件。消能减震结构中的各种阻尼器就属于赘余构件。17工程结构系统的组成工程结构系统的组成传统结构的概念传统结构的概念受力系统：即受力骨架，主要提供承载力和刚度受力系统：即受力骨架，主要提供承载力和刚度强震下，要求结构不损强震下，要求结构不损坏是不合适的坏是不合适的在地震引起的结构整体在地震引起的结构整体型作用下，结构中的型作用下，结构中的薄薄弱部位弱部位首先发生首先发生破坏破坏。。传统结构的抗震是以传统结构的抗震是以结构构件的损坏结构构件的损坏来实现耗散来实现耗散地震能量的地震能量的18工程结构系统的组成工程结构系统的组成消能减震结构的概念消能减震结构的概念分灾系统：分灾系统：滞回型耗能构件滞回型耗能构件阻尼器系统：阻尼器系统：被动阻尼被动阻尼传统结构的概念传统结构的概念受力系统：即受力骨架，主要提供承载力和刚度受力系统：即受力骨架，主要提供承载力和刚度传统结构的抗震是以传统结构的抗震是以结构构件的损坏结构构件的损坏来实现耗散来实现耗散地震能量的地震能量的专门消能分灾子系统功能功能明确明确19内容概述内容概述¾消能减震原理¾常见消能减震装置的分类、选择和布置¾消能减震结构设计方法520内容概述内容概述¾消能减震原理¾常见消能减震装置的分类、选择和布置¾消能减震结构设计方法521减小结构地震响应的途径减小结构地震响应的途径地震响应M结构0)(xmxFxcxm−=++EQFDKEEEE=++减少减少地震地震能量能量输入输入增大增大结构结构耗能耗能能力能力22MBaseIsolation减小结构地震响应的途径减小结构地震响应的途径AA--隔震隔震地震响应结构秒5.0=T秒＝0.3TTaS23地震响应结构MPassiveDamper减小结构地震响应的途径减小结构地震响应的途径BB--消能减震消能减震15.0=ξ05.0=ξTaS秒5.0=T24M耗能减震的能量原理耗能减震的能量原理速度相关型速度相关型0)(xmxFxcxm−=++EQFDKEEEE=++0),()(xmxxFxFxcxms−=+++EQSFDKEEEEE=+++αxcxxFss=),()(),(xfxxFss=位移相关型位移相关型复合型复合型25各类阻尼器的减震原理各类阻尼器的减震原理速度型阻尼器速度型阻尼器sFCxCVαα=⋅=⋅0),()(xmxxFxFxcxms−=+++FD15.0=ξdS05.0=ξTaS按主体结构弹性考虑按主体结构弹性考虑T05.0=ξ15.0=ξT0T026各类阻尼器的减震原理各类阻尼器的减震原理位移型阻尼器位移型阻尼器()ssFfx=0),()(xmxxFxFxcxms−=+++TaS按主体结构弹性考虑按主体结构弹性考虑TdSFDT0T027抗震结构抗震结构vs.vs.消能减震结构消能减震结构通过增加消能减震装置（次结构）保护原结构（主结构）通过增加消能减震装置（次结构）保护原结构（主结构）28消能减震结构的效果消能减震结构的效果无阻尼器有阻尼器阻尼器可抑制振动的增长，并使结构迅速停止振动。阻尼器29内容概述内容概述¾消能减震原理¾常见消能减震装置的分类、选择和布置¾消能减震结构设计方法530按耗能形式分按耗能形式分材料粘滞阻尼耗能材料粘滞阻尼耗能材料粘弹性耗能材料粘弹性耗能金属塑性变形耗能金属塑性变形耗能摩擦耗能摩擦耗能常见阻尼器的分类常见阻尼器的分类FDFDFDFD速度相关型复合型位移相关型位移相关型31速度型阻尼器的减震原理速度型阻尼器的减震原理速度型阻尼器速度型阻尼器sFCxCVαα=⋅=⋅0),()(xmxxFxFxcxms−=+++FD15.0=ξdS05.0=ξTaS按中震主体结构弹性考虑按中震主体结构弹性考虑T05.0=ξ15.0=ξT0T032位移型阻尼器的减震原理位移型阻尼器的减震原理位移型阻尼器位移型阻尼器()ssFfx=0),()(xmxxFxFxcxms−=+++TaS按中震主体结构弹性考虑按中震主体结构弹性考虑TdSFDT0T033阻尼器的选择阻尼器的选择¾主要目标¾增加结构的抗侧刚度？¾减小地震力？¾增加舒适度？¾制约条件¾建筑条件？¾结构基础？¾结构类型？¾节点形式？¾技术可靠度¾耐久性？技术可控性？可选择性？¾性价比534剪力墙以弯曲变形为主框架以剪切变形为主剪力墙和框架结构变形特点35(a)墙体型(b)支撑型(c)剪切型(e)柱间型(f)局部支撑型(g)墙柱连接型(h)柱型(i)梁型(j)增幅机构型直直接接连连接接型型间间接接连连接接型型其其他他类类型型阻尼器在框架中的设置形式阻尼器在框架中的设置形式36连梁在地震作用下的变形和破坏模式连梁的变形连梁的裂缝37阻尼器剪力墙结构中的布置剪力墙连梁结构抗侧力主要构件之一--剪力墙阻尼器布置在连梁位置连梁消能器楼板38阻尼器在结构中的布置原则阻尼器在结构中的布置原则•应合理布置消能器，避免结构形成明显的薄弱楼层和扭转，有条件的前提下尽可能分散布置。•应尽量布置在层间相对位移或相对速度较大的楼层，同时可采用合理形式增加消能器两端的相对变形或相对速度，提高消能器的减震效率。¾框架¾剪力墙¾框剪¾选择合理的连接形式¾建筑¾结构539粘滞型阻尼器布置案例粘滞型阻尼器布置案例40粘滞型阻尼器布置案例粘滞型阻尼器布置案例41粘滞型阻尼器布置案例粘滞型阻尼器布置案例42羿射旭工程案例（中关村海关）安装：350KN阻尼器4套300K