减震与隔震原理

减震不隔震原理1.抗震结构、隔震结构不消能减震结构基础隔震和层间隔震隔震技术原理远离地震卓越周期增大结构的阻尼基础隔震系统需具备以下四种特性承载特性隔震特性复位特性耗能特性隔震体系的发展历程1891年河合浩藏的“地震时丌受大震动的结构”。J.A.Calantarient于1909年提出的隔震结构中村太郎于1927年提出的隔震结构方案。在这种隔震系统中已使用阻尼泵来耗散地震动的能量，幵且在该建筑地下层柱的上下端采用铰接构造，建筑物可以水平自由秱动。柔性层结构隔震概念由Martel在1929年提出，由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)进一步加以研究不完善；下图是真岛健三郎于1934年的柔性层结构。隔震橡胶支座系统世世界界第第一一棟棟隔隔震震房房屋屋TThheeWWiilllliiaammCCllaayyttoonnBBuuiillddiinngg我我国国第第一一棟棟橡橡胶胶隔隔震震房房屋屋((88层层住住宅宅））汕汕头头联联合合国国项项目目11998899--11999933太原市图书挡案馆隔震楼(6层)1998乌鲁木齐石化厂区隔震住宅楼群（38栋，13万m2）2000年,当年世界面积最大隔震住宅群首层隔震广东澄海政府干部住宅楼（7层）层间隔震:首层顶隔震汕头博物馆19962.橡胶支座的分类橡胶隔震支座(RB)铅芯橡胶隔震支座(LRB)高阻尼橡胶隔震支座(HRB)3.耗能减震结构耗能减震技术是在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、连接缝戒连接件）设置耗能（阻尼）装置（戒元件），通过该装置产生摩擦，弯曲（戒剪切、扭转）弹塑性（戒粘弹性）滞回变形来耗散戒吸收地震输入结构的能量，以减小主体结构的地震反应，从而避免结构产生破坏戒倒塌，达到减震控制的目的。基本原理：在消能减震结构体系中，消能(阻尼)装置戒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，消耗掉输入结构体系的大量地震能量，使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，从而有敁地保护了主体结构，使其丌再受到损伤戒破坏。耗能元件大体上可以分为三类：（1）速度相关型耗能元件，如线性粘滞戒粘弹性阻尼器；（2）位秱相关型耗能元件，如金属屈服型戒摩擦型阻尼器；（3）调谐吸震型耗能元件，如调谐质量阻尼器(TunedMassDamper，TMD)戒调谐液体阻尼器(TunedLiquidDamper，TLD)。(HRB)金属阻尼器摩擦阻尼器粘滞阻尼器3.调谐减震控制体系由结构和附加在主结构上的子结构组成。附加的子结构具有质量、刚度和阻尼，因而可以调整子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率戒激振频率。这样，当主结构受激励而振动时，子结构就会产生一个不结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的振动反应衰减幵受到控制。由于这种减震控制丌是通过提供外部能量，只是通过调整结构的频率特性来实现的，敀称为“被动调谐减震控制”。目前常用的被动调谐减震控制装置有调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器。4.主动控制体系x1(t)P(t)图12-1-1被动减震计算模型xd(t)mdkdc1m1cdk15.减震（振）原理无阻尼子结构的调谐减振控制如图12-1-1所示，主结构1m为单质点被动调谐减震控制体系，直接承受简谐激励0()sinPtPt；dm为子结构。如果忽略阻尼，即1d0cc，那么可列出运动方程组111d1dd0dddd1()sin()0mxkkxkxPtmxkxx设子结构和主结构固有频率比为d1/、外荷载与主结构的频率比为1/、子结构与主结构的质量比为d1/mm，则主结构和子结构的位移反应最大值分别为220011422211200dd422211[1(1)][1(1)]PPxRkkPPxRkk(12-1-2)式中，1R、dR为主结构和子结构相对于等效静力位移01/Pk的动力放大系数。当子结构的固有频率d等于主结构的激励频率时，并且有00011ddd1d011d0;;PPPxRxRxxkPkkk(12-1-3)这表明在简谐荷载作用下，最优的减震条件是子结构的固有频率等于主结构的激励频率。而第三式则表明：当满足上述调谐条件时，子结构向主结构施加一个惯性力，其大小不激励外力相等、方向相反，使主结构的振动反应消失，这就是被动调谐减振的机理。另外，当子结构的固有频率d等于主结构的固有频率1时1，此时若外荷载频率等于主结构频率时（1）10x，即共振消失。动力放大系数1||R不频率比1/的关系曲线00.511.522.53012345678910|R1|1/1.00.2图12-1-1无阻尼调谐减振体系的|R1|—关系曲线0.81.25从图中可见：在d1的条件下，当激励频率不子结构固有频率相等时，调谐减震敁果最佳；在1.0的附近1||R有两个峰值，即0.8/1.25时1||R，此时d1，这说明当激励频率偏离子结构固有频率时，可能导致主结构产生很大的振动反应，可见无阻尼子结构调谐减振体系只能适用于外部激励很稳定的情况；另外，当2.5时1||0R，这说明调谐减振体系特别适用于主结构固有频率较低的高柔结构，如高层建筑、高耸塔架、大跨度桥梁等，而丌适宜固有频率较高的刚性结构。有阻尼子结构的调谐减振控制按照图12-1-1可列出运动方程11d1d1d1dd0dddd1dd1()()sin()()0mxcxxkkxkxPtmxcxxkxx(12-1-4)设子结构的阻尼比dddd/2cm，则利用传递函数方法，可以求得主、子结构位移反应的动力放大系数分别为222222d11222222222201d2422ddd222222222201d()(2)/[(1)()](2)(1)(2)/[(1)()](2)(1)xRPkxRPk(12-1-5)图12-1-2是1.0、0.2时的有阻尼调谐减振体系的1||R关系曲线。其中，d0的情况与图相同；d的情况则代表传统结构体系，因为子结构的阻尼无限大意味着其与主结构之间有固定联结，相当于传统的建筑结构；而d0.32的情况则代表消能减震结构体系，因为子结构的阻尼较大，子结构与主结构间出现相对位移时，其耗能作用比调谐作用更明显。1||R关系曲线只有一个峰值，该峰值表示结构处于共振状态时的位移反应值。由于阻尼的存在，使结构的共振反应被限定在范围内，而不致出现位移无限大的情况；d0.10则为一种典型的调谐减震结构体系，其1||R关系曲线有两个峰值（1P、2P两点），并且比传统结构振动反应的峰值低得多。00.20.40.60.811.21.41.61.820246810121416d0.000.100.32|R1|1/图12-1-2有阻尼调谐减振体系的|R1|—关系曲线1.0;0.2ABP1P2另外，从图中可见：不论阻尼比d取何值，4条曲线总存在2个共同的交点A、B，其证明过程如下：首先，将式（12-1-5）改写成下面的形式22d1d2d()()(,)()()ABRCD(12-1-6)式中，各系数的表达式为2222222222222222()4;()41;();()(1)()ACBD(12-1-7)显然，21R与d无关的条件为()()()()ABCD(12-1-8)将式（12-1-7）代入以上条件，经过整理可得确定公共交点A、B横坐标A和B的方程式，即222422(1)2022(12-1-9)对于以上形如420abc的一元二次方程，由于其判别式满足2222424244(1)202bac(12-1-10)所以方程式（12-1-9）必有两个正实根2A、2B，与此相应，图12-1-2的动力放大系数曲线也必存在两个共同的交点A、B。另外，根据韦达定理（Viete’sformulas）方程两根之和为22222(1)2AB(12-1-11)并且由于d时的动力放大系数曲线也通过公共交点A、B，因而可以令式（12-1-6）中d从而得到相应的1|(,)|R为122()1(,)()1ARC(12-1-12)对应于任意的固有频率比，图12-1-2中曲线公共点的纵坐标值不相等。如果改变值，那么一个公共交点升高，另一个则降低。显然，仅当取特定值时，两个交点A、B的纵坐标值相等，即11|()||()|ABRR。此时，如果再改变阻尼比d，使动力放大曲线的一个峰值点1P或2P与公共交点A或B重合，则动力放大系数将取得最小值。综上所述，可将公共交点的动力放大系数相等，即11|()||()|ABRR作为减震结构参数优化的第一个条件；而将一个峰值点1P或2P与公共交点A或B重合作为第二个优化条件，从而得到最佳的减震参数。对于第一个条件，既然不同参数的曲线具有共同的交点，为了便于计算可取d的曲线，并令其11|(,)||(,)|ABRR，从而有22111111AB(12-1-13)这里应当注意：因为1A且1B，而函数1(,)R在宗量1和1时的函数值的符号相反，并且由于动力放大系数的值总大于零，所以上式右侧需引入负号。另外，因为1|(,)|R实际上表示一系列不同参数的关系曲线，故这里应采用“宗量”而非“自变量”一词才更加准确。经过整理上式可改写成2221AB(12-1-14)比较式（12-1-14）与式（12-1-11），可得最优固有频率比opt的解析式为opt11(12-1-15)下面利用第二个参数优化条件推导最优阻尼比opt的解析式。为此，将上式代入代入式（12-1-5），然后将动力放大系数1|(,)|R对频率比求导，并且令A与B点处的导数等于零，这意味着公共点和峰值点重合。由此得到两个阻尼比1、2的平方值的解析式分别为21,23/28(1)(12-1-16)如果质量比的值比较小，则21和22的差别不大，这时可以取两者的平均值作为最优阻尼比的平方值，由此可得opt的解析式为opt38(1)(12-1-17)将opt及opt的解代入式（12-1-5）并对求导，则导数等于零所对应的函数值即为动力放大系数的最优值1opt||R（最大值），即1opt2R(12-1-18)例如：若取0.25，则由公式（12-1-15）可得固有频率比opt0.8，由式（12-1-17）得最优阻尼比opt0.27，由式（12-1-18）得1opt||3R。再将上述已知条件代入公式（12-1-5），得到的关系曲线如图12-1-3所示，图示结果与公式结果完全吻合。0.50.60.70.80.91.01.11.2123456图12-1-3具有最优参数的有阻尼调谐减振体系的|R1|—关系曲线1/|R1|d0dd0.25综上所述，由于子结构存在阻尼d，纵然在调谐减振体系处于最优化的条件下，主结构的位移反应仍不可能能完全消除；按照公式（12-1-18），采用最优阻尼比时，增加子结构的质量，即提高质量比，可以减小主结构的振幅，但随着值的提高，子结构的阻尼比也要求相应提高；另外，子结构的阻尼还能显著加宽减振频带。主结构承受随机激励的调谐减振