结构减震控制设计实例分析

结构减震控制设计实例分析组长：田苗旺14121085副组长：王朋国14121101聂屿14121067耗能减震技术一结构在地震作用中的能量消耗阻尼器的介绍结构减震控制实例三二地震是一种自然灾害,小震几乎每天都要发生数次。在全世界范围内，每年大约发生18次造成严重破坏的大地震。据统计，1976年的唐山大地震中,大约24万人的生命毁于一旦。传统的结构抗震通过强化结构本身的性能来抵御地震的作用,增大构件断面,提高配筋量是最常见的办法.虽然这种方法强化了的结构体系,但是一者必然提高工程造价,二者由于地震的不可预见性及结构反应的复杂性,其抗震能力也未必有效.为了人类更好的生存,探讨行之有效的工程减震措施是很有必要得，也是摆在工程结构人员面前的非常紧迫的课题!结构减震控制的必要性耗能减震的原理可以从能量的角度来描述：（如图1）耗能减震技术原理图1.结构能量转换途径对比c）消能减震结构b）传统抗震结构a）地震输人结构在地震中任意时刻的能量方程为：传统抗震结构：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh耗能减震结构：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+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；Ec——结构体系的粘滞阻尼耗能；Ek——结构体系的弹性应变能；Eh——结构体系的滞回耗能；Ed——耗能（阻尼）装置或耗能元件耗散或吸收的能量。耗能减震技术原理结构在地震中任意时刻的能量方程为：传统抗震结构：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh耗能减震结构：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed在传统的抗震结构中，主要依靠Eh消耗输入结构的地震能量，但因结构构件在利用其自身弹塑性变形消耗地震能量的同时，构件本身将遭到损伤甚至破坏，某一结构构件耗能越多，则其破坏越严重。耗能减震技术原理结构在地震中任意时刻的能量方程为：传统抗震结构：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh耗能减震结构：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed在耗能减震结构体系中，耗能（阻尼）装置或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结构体系的地震能量，则结构本身需消耗的能量很少，这意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。耗能减震技术原理一般来说，结构的损伤程度与结构的最大变形Δmax和滞回耗能Eh（或累积塑性变形）成正比，可以表达为：其中：---结构的最大变形---滞回耗能D----结构的损伤程度在耗能减震结构中，由于最大变形和构件的滞回耗能较之传统抗震结构的最大变形和滞回耗能大大减少，因此结构的损伤大大减少。耗能减震结构具有减震机理明确，减震效果显著，安全可靠，经济合理，技术先进，适用范围广等特点。目前，已被成功用于工程结构的减震控制中。耗能减震技术原理减震装置的类型与性能认识阻尼器（消能器）消能器的功能：结构构件（或节点）发生相对位移时，产生较大阻尼，从而发挥消能减震作用。阻尼力，做功，减震效果good！可以用消能器阻尼力-位移滞回曲线的面积来度量消能器的效能能力、效能效果。减震装置的类型与性能消能器的分类速度相关型消能器位移相关型其他类型粘弹性阻尼器、粘滞流体阻尼器、粘滞阻流墙、粘弹性阻尼墙摩擦阻尼器、钢筋屈服型阻尼器调频质量阻尼器（TMD）、液压质量震动系统（HMS)、调频液体阻尼器（TLD）分类依据——消能器对结构产生的阻尼力与什么有关。减震装置的类型与性能耗能减震装置类型1.摩擦耗能装置2.钢弹塑性耗能器3.铅耗能器4.粘弹性阻尼器分类依据——消能器如何消耗能量来分类。减震装置的类型与性能1.摩擦耗能装置摩擦耗能器是根据摩擦做功而耗散能量的原理设计的。目前已有多种不同构造的摩擦耗能器，如Pall型摩擦耗能器、摩擦筒制震器、限位摩擦耗能器、摩擦滑动螺栓节点及摩擦剪切铰耗能器等。Pall型摩擦耗能器及典型滞回曲线2.钢弹塑性耗能器软钢具有较好的屈服后性能，利用其进入弹塑性范围后的良好滞回特性，目前已研究开发了多种耗能装置，如加劲阻尼（ADAS）装置、锥形钢耗能器、圆环（或方框）钢耗能器、双环钢耗能器、加劲圆环耗能器、低屈服点钢耗能器等。减震装置的类型与性能3.铅耗能器铅是一种结晶金属，具有密度大、熔点低、塑性好、强度低等特点。发生塑性变形时晶格被拉长或错动，一部分能量将转换成热量，另一部分能量为促使再结晶而消耗，使铅的组织和性能回复至变形前的状态。铅的动态回复与再结晶过程在常温下进行，耗时短且无疲劳现象，因此具有稳定的耗能能力。铅挤压阻尼器及典型滞回曲线减震装置的类型与性能4.粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板所组成。典型的粘弹性阻尼器如下图所示，它是由两个T形约束钢板夹一块矩形钢板所组成，T形约束钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性材料，在反复轴向力作用下，约束T形钢板与中间钢板产生相对运动，使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形，以吸收和耗散能量。减震装置的类型与性能由上图可以看出，其滞回环呈椭圆形，具有很好的耗能性能，它能同时提供刚度和阻尼。4.粘弹性阻尼器减震装置的类型与性能结构减震控制设计实例分析粘弹性阻尼器：1969年美国纽约世界贸易中心的两个塔楼安了1万多个粘弹性耗能器。1982年美国西雅图的ColumbiaSeafirst大厦安了260个粘弹性阻尼器。结构减震控制设计实例分析江苏省宿迁市交通大厦国内第一个粘弹性阻尼器减震工程1、只要有微小的振动,它就立即耗能减振;2、既能用于抗震又能用于抗风;3、力-位移滞回曲线近似为椭圆形,耗能能力较强;4、性能优于位移相关型耗能减振装置。结构减震控制设计实例分析江苏省宿迁市交通大厦工程简介宿迁市交通大厦是江苏省宿迁市新区内的重点建筑,主楼高57.8m,地上13层(两侧的塔楼为16层),地下一层,建筑面积1418815m2,采用中央空调系统。结构减震控制设计实例分析江苏省宿迁市交通大厦工程简介该建筑采用钢筋混凝土筒体-框架结构,抗震设防烈度为9度,结构安全等级为二级,抗震设防分类标准为二级。原结构采用筒壁厚450mm,底层框架柱截面为800mm×800mm,框架梁高800mm。抗震计算表明,原结构在多遇、罕遇水平地震作用下都不能满足要求,并且梁、柱的配筋率很高,施工困难。结构减震控制设计实例分析江苏省宿迁市交通大厦工程简介经技术经济比较,决定采用装有兰陵牌粘弹性阻尼器的耗能支撑,筒壁减薄为400mm,底层框架柱截面减小为700mm×700mm,框架梁高减低为700mm。结构的自振基本频率由原来的1.1Hz提高到1.16Hz,即结构的抗侧刚度比原来的稍小。抗震计算表明,设置耗能支撑后,上部结构能按抗震设防烈度为8度的来设计,见下述。这样,扣除耗能支撑等的支出后,仍可节约主体结构造价的10%,约150多万元,并且使用面积有所增加,施工也方便了。结构减震控制设计实例分析阻尼器的分布兰陵牌粘弹性阻尼器装在钢的耗能支撑的中部,一个耗能支撑放一个阻尼器。在不妨碍建筑功能与艺术要求的前提下,经协商与研究,决定采用由A、B、C三种粘弹性阻尼器构成的A1、A2、B1、B2、C1、C2六种型式的耗能支撑。结构减震控制设计实例分析阻尼器的分布兰陵牌粘弹性阻尼器装在钢的耗能支撑的中部,一个耗能支撑放一个阻尼器。在不妨碍建筑功能与艺术要求的前提下,经协商与研究,决定采用由A、B、C三种粘弹性阻尼器构成的A1、A2、B1、B2、C1、C2六种型式的耗能支撑。结构减震控制设计实例分析小八字形的A1、A2型耗能支撑设置在两个筒体间的连系梁下方,通风管道在A1与A2型间的空档处通过。结构减震控制设计实例分析B、C型阻尼器及相应的耗能支撑安装及构造示意图。阻尼器与耗能支撑的钢杆件用高强螺栓连接,耗能支撑两端与框架梁、柱或与筒体的预埋钢板相连。结构减震控制设计实例分析结构的弹塑性地震反应分析计算是按东南大学建筑工程抗震与减震研究中心开发的钢筋混凝土筒体-框架弹塑性地震反应分析程序EPRD进行的,该程序包括两部分:一、结构弹塑性分析,用于计算水平地震作用下的弹塑性反应;二、结构的粘弹性阻尼耗能分析,用于计算水平地震作用下,装置了粘弹性阻尼器的结构的弹塑性反应,以及粘弹性阻尼器的控制效果。结构减震控制设计实例分析恢复力模型对钢筋混凝土筒体-框架结构采用了退化的带有下降段的三折线恢复力模型。结构减震控制设计实例分析弹塑性地震反应时程分析的主要结果采用了ElCentro波、天津波、人工波等三条地震波,其卓越频率分别为2.20Hz、0.87Hz、2.97Hz,多遇和罕遇地震峰值加速度分别取为0.14g和0.62g。结构减震控制设计实例分析弹塑性地震反应时程分析的主要结果在多遇水平地震作用下,结构都处于弹性工作状态,但设置粘弹性阻尼器后的受控结构,它的水平位移明显减小。结构减震控制设计实例分析弹塑性地震反应时程分析的主要结果罕遇水平地震作用下的计算表明,输入ElCentro波和人工波时,没有设置阻尼器的原结构大部分已进入塑性状态,如图7、图8中的细线所示;输入天津波时,原结构已全部进入塑性状态,水平位置呈发散趋势,如图9中的细线所示。但是,设置了阻尼器的受控结构在罕遇水平地震作用下仍处于弹性工作状态。结构减震控制设计实例分析结论宿迁市交通大厦采用粘弹性阻尼器的耗能支撑：1、在多遇、罕遇水平地震作用下,结构都处于弹性工作状态,水平位移反应明显减小,抗震性能有较大的提高。2、经济分析比较,扣除阻尼器、钢杆件、预埋钢板等的费用,可节省主体结构造价的10%左右,即人民币150多万元。3、由于梁、柱和框架节点中的钢筋不再密集,所以施工比较方便,质量也容易保证。结构减震控制设计实例分析