第二章 工程结构减震控制 (2).ppt

第二章 结构控制与防灾减灾 2.1结构控制基本原理 工程结构减震控制是在结构的特定部位，装设某种装置(如隔震垫等)，或某种机构(如消能支撑；消能剪力墙；消能节点；消能器等)，或某种子结构(如调频质量等)，或施加外力(外部能量输入)，以改变或调整结构的动力特性或动以改变或调整结构的动力特性或动力作用力作用。这种使工程结构在地震(或风)作用下的动力反应得到合理的控制的体系，称为“工程结构减震控制体系”，其相关的理论、技术和方法，统称为“工程结构减震控制”。式中M，C，K结构的质量、阻尼和刚度；F(t)外部作用(包括地震或风或可能施加的外力)；结构在外部荷载作用下的加速度、速度和位移反应；地面地震加速度。一般结构的动力方程式为：2.2 结构控制技术2.3 结构控制的效果 减震效果：隔震结构 8%25%消能结构 30%60%TMD被动控制结构 30%60%主动控制结构 10%50%节省造价如下：隔震结构 3%20%消能减震结构 3%10%被动或主动控制结构 5%20%2.4 工程结构减震控制的发展及应用现状一、中国古建筑隔震消能技术应用我国的古建筑、古结构物能成功抗御多次强烈地震而完整保留至今者，其隔震消能减震技术的应用主要表现在下述的四个特点：(1)柱基“铰接”隔震消能：柱子“自由”地(不是“固定”地)落在基台上，且柱脚与基台之间有石质榫墩或木楔作柱座，形成柔性铰结”，既能防止木柱的潮湿和朽蚀，又起到隔震消能作用，见图3-1-1。(2)殿基、墙基或塔基滑移隔震消能：建筑结构基底砌筑在条石、整体片石或块石上。条石、片石或块石之间柔性叠砌，容许滑动或摩擦，地震时形成“隔震”或消能基础，大大衰减结构地震反应，见图3-1-2。(3)“斗拱”消能节点：梁柱节点及屋檐节点都做成“斗拱”，不但节点荷载分配均匀合理，而且此种“斗拱”节点是一种极优的“消能节点”，在承受很大的节点变形过程中多道“榫接”的摩擦及塑性变形，消耗大量的地震能量，大大衰减建筑物的地震反应，使建筑物不破坏、不倒塌，完整无损，见图3-l-3。二、工程结构减震控制技术现状现分别叙述隔震技术、消能减震技术、质量调频减震技术、主动控制技术、混合控制技术的应用范围、成熟程度及存在问题。1.隔震技术 应用范围：层数为一至三十层的建筑物或高宽比不大于4的各类多高层建筑物，上部结构水平刚度较大的各种结构物、桥梁、设备、仪器等。技术成熟程度：(1)隔震技术的减震概念明确，减震效果明显，理论研究和试验研究成果比较丰富和完善，已建成大量橡胶垫隔震房屋和桥梁、地铁等结构，并在几次大地震中成功经受考验。总体上讲隔震技术已经是一种成熟的技术，可以应用。(2)夹层橡胶垫隔震技术是目前比较成熟的隔震技术2.消能减震技术应用范围：层数较多(十五层以上)、高度较大、水平刚度较小、水平位移较明显的多层、高层、超高层建筑，大跨度桥梁、管线、塔架、高耸结构等。结构越高越柔，减震消能效果越显著。技术成熟程度：消能减震技术的减震慨念明确，安全可靠，理论研究和试验研究的成果比较丰富，已成功应用于高层建筑、桥梁、塔架的抗震抗风。总体上，消能减震技术已经是一种成熟的技术，可以在工程中推广应用。3.质量调谐减震技术(TMD等)应用范围：层数较多(二十层以上)，高度较大，主振型比较明显、稳定的多层、高层、超高层建筑，大跨度桥梁、塔架、高耸结构等。技术成熟程度：减震机理明确，已取得较多的理论研究和试验研究成果，并已在某些工程中应用。总体上，还处于趋向技术成熟的发展阶段，对主振型明显和稳定的结构较为有效和成熟。应注意的问题：(1)只能控制一个或有限几个振型(视调谐装置数量而定)，对主振型不明显、不稳定的结构的减震效果仍有待探索。(2)减震效果要经过充分的理论论证和大比例振动台验证。(3)调谐装置制作安装要简单。4.主动控制技术(AMD)应用范围：对抗震(或抗风要求较高，要求对多振型进行控制的重要建筑、高层建筑、重要桥梁、特种结构等。技术成熟程度：已取得一定的理论研究和试验研究成果，减震效果非常明显有效，并已在少数工程中试点应用。但技术上还有一些问题尚待解决。目前，尚未步入技术成熟阶段。存在问题：(1)控制系统的硬件和软件的滞后性及有效控制性等问题尚须进一步解决。(2)确保在突发地震时外部能源的正常供应问题。(3)设备的常年维护问题。(4)造价昂贵问题。(5)抗震抗风的同时有效控制问题。5.混合控制技术应用范围根据不同建筑物、结构的不同抗震抗风要求、技术可靠性和造价经济性，选取隔震、消能、质量调谐、主动控制中的两种(或两种以上)控制技术相结合，使其达到减震效果好，安全可靠，造价经济，现实可行的目的，故其应用范围包括上述各种控制技术所有范围。技术成熟程度：只要合理选取控制技术的较优组合，吸取各种控制技术的优点，避免其缺点或存在问题，可形成较为成熟而先进有效的组合控制技术。存在问题：如何合理地把两种(或两种以上)控制技术组合在一起，使其协同工作，是混合控制技术的主要问题。工程结构减震控制技术的应用范围及成熟程度列于表3-4-1。