针对设备隔震的钢结构窑尾的地震反应研究.docx

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1、题目 针对设备隔震的钢结构窑尾的地震反应研究Title Study on seismic response of steel structure of kiln equipment isolation 摘 要钢结构窑尾具有能抗震、施工便捷、重量轻等优点，在国内外得到广泛的运用。但是在实际应用过程中，却因为工艺的特殊要求，平面尺寸小，开洞不规则，层高大且变化多，从而导致结构的刚度分布不规则，在设计过程中会发现构件的内力、层间位移和位移角大，这势必会使构件截面变大，从而增加了建设成本。本文主要是研究通过在设备下设置隔震支座，达到耗散地震能量，增大结构阻尼并减小结构地震效应的目的，为钢结构窑尾的设计

2、开拓了一个新的思路。本文的主要研究内容如下：对隔震支座的研究，根据研究需要和规范规定隔震单元采用两节点间连接形式，隔震支座采用单独的隔震单元，作为结构与设备连接单元。隔震单元拥有线性和非线性属性，其中线形属性包括线性分析时使用的有效刚度和有效阻尼，非线性属性包括非线性分析工况使用的刚度，屈服力和屈服后的刚度比。以某地拟建的窑尾结构为工程背景，采用SAP2000建立不设隔震支座的普通窑尾钢结构的有限元模型，对其进行了模态分析，7度、8度反应谱分析，7度、8度多遇地震时程分析，7度、8度罕遇地震时程分析，并提取了各工况下的基底剪力、层间位移、层间位移角，发现都较大，有些甚至接近规范要求的限值。采用

3、SAP2000建立设置隔震支座的窑尾结构模型，对其进行了模态分析、7度、8度反应谱分析，7度、8度多遇地震时程分析，7度、8度罕遇地震时程分析，提取各工况下的基底剪力、层间位移、层间位移角，并和普通窑尾结构的计算结果进行对比，发现各参数都有明显的减小，进而证明了在设备下设置隔震支座后可以有效地改善结构的抗震性能。关键词：窑尾,隔震支座,抗震性能,反应谱分析,时程分析AbstractSteel-structure preheat has a series of advantages, such as light weight, well earthquake resistance, easy c

4、onstruction, so that it is developed and applied universally all over the world. But in the process of construction, special process require small horizontal span size, irregular open hole , higher pace height and different changes, which lead to non-uniform distribution of stiffness of structure. I

5、n the process of design, we find that structural member force, story drift, layer displacement angle are bigger, which lead to bigger component section, higher cost.In this paper, isolation bearing is set under the equipment resulting in dissipate of earthquake energy, increase of structural damping

6、 and decrease of seismic response .A new idea of design of steel-structure preheat is obtained from the research. The main research contents and results are as follows:1、Research of isolation bearing. According to the requirements and the rules of code, the element of seismic isolation adopt connect

7、ing format between two nodes and isolation bearing use single element, which connect the structure and equipment. The element of seismic isolation has liner and non-liner property. Liner property includes effective stiffness and effective damping in the analysis of liner. Non-liner property includes

8、 stiffness, yield strength, stiffness ration with yield under the condition of non-liner analysis.2、Under the background of proposed preheat ,finite element model without isolation is established by SAP2000.Base shear, story drift, layer displacement angle are obtained from the analysis of modal, re

9、sponse spectrum under the seismic intensity of 7、8 degree, and time-history under the seismic intensity of 7、8 degree. And these parameters are large, even some of these draw near the limit of code.3、Finite element model with isolation is established by SAP2000.Base shear, story drift, layer displac

10、ement angle are obtained from the analysis of modal, response spectrum under the seismic intensity of 7、8 degree, and time-history under the seismic intensity of 7、8 degree. Compare to the traditional preheat, these parameters are smaller. And it proves that setting the isolation bearing can improve

11、 the seismic resistance of structure.Key words：Preheat, Isolation bearing, Earthquake resistance, Response spectrum analysis, Time-history analysis目 录AbstractII目 录I第1章 绪论11.1窑尾结构简介11.2工程概况21.3存在的问题51.4本文研究内容和目的6第2章 建筑结构隔震研究发展情况与理论分析82.1建筑结构隔震的进展82.1.1建筑结构隔震背景82.1.2建筑结构的隔震发展102.1.3建筑结构地震控制方法122.2隔震结构

12、的理论分析132.2.1隔震支座恢复力模型132.2.2常见隔震结构的数值模型172.2.3隔震体系结构分类202.3隔震支座的选择和设计22第3章 地震作用下普通窑尾结构的有限元分析243.1 SAP2000软件介绍243.2建立窑尾结构有限元模型243.2.1结构几何尺寸243.2.2结构荷载的处理313.2.3 有限元模型的处理323.3模态分析323.4本章小结35第4章 隔震支座减震效果分析364.1有限元模型的建立364.2模态分析374.3本章小结40第五章 结论与展望425.1结论425.2展望42致 谢44参考文献45第1章 绪论1.1窑尾结构简介随着世界经济的不断发展和多元

13、化，我国及其他发展中国家正处在基础和城市化建设快速发展的阶段，基本建设规模量在世界处在领先位置。水泥是土木工程应用中是最为常见的建材之一，而且在工程建设中消耗量巨大。庞大的工程建设促使了水泥需求的增长，进而需要在我国及其他发展中国家建设相当数量的水泥厂。考虑到环境对人类生活的影响日益严重和经济成本的控制要求，过去传统的水泥湿法技术已经慢慢被社会发展所淘汰。因此，随着科技的发展和社会的进步，现在多数水泥生产线都在引进新型干法技术来进行生产，窑尾工程是新型干法生产技术的核心组成部分，窑尾在水泥生产过程中占有非常重要的地位。同时，因为生产设备工艺的限制，窑尾是水泥厂中结构主体高度较高且上部荷载较大的

14、特种工业建筑。目前，窑尾主体结构在满足工艺要求以及安全性要求下，主要采用的结构形式有钢结构和钢筋混凝土结构两类形式。两类窑尾结构形式有各自的特点，钢筋混凝土窑尾结构具有建设取材容易，耐久性、耐火性较好、建造费用相对较低的优点，但是钢筋混凝土窑尾缺点也很突出，梁柱截面大、自重大、抗震性能较差；相对而言钢结构窑尾自重较轻、抗震性能较好、施工方便。但由于工艺特性的要求，仅能采用框架结构形式，在地震作用下，窑尾结构各层层间位移和剪力均较大，导致主体结构梁柱等构件截面尺寸会较大，且主体结构整体高度一般超过了规范要求，限制了该类结构的广泛应用。基于窑尾结构的特点，所以针对目前窑尾结构的特点本文提出在钢结构

15、窑尾主要设备支座处设置隔震支座的方法，减小结构的地震作用，从而能够达到消能减震。由于水泥厂窑尾结构生产设备工艺的要求，其主体结构平面尺寸相对较小但是每一层的高度又相对较高，从本次项目研究讨论的窑尾工程来看，窑尾主体结构宽度与长度尺寸分别为16m、25.5m，主体最大高度达91.71米，主体结构共7层，各层层高中最大高度为16.5m。同时，窑尾结构承受的竖向荷载非常大，因此，地震对窑尾结构动力响应也会很大。在水平地震作用下，窑尾结构各层的侧向位移较大，易造成结构主体严重破坏，生产设备也易发生工作异常。基于上述种种因素，窑尾结构的重点设计就是为了保证主体结构构件的承载力和主体的稳定性满足要求，同时

16、，也要能满足侧向位移变形要求的控制，实际建设应用中尽可能用最少的材料来实现经济性的要求。1.2工程概况该工程为中国某地拟建的4500t/d级熟料水泥钢结构窑尾工程，引进了目前国际比较先进的水泥干法生产技术。当抗震设防烈度为7度时，设计的基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，且类场地土。窑尾主体结构平面尺寸为25.5 m16m，主体结构最大高度为91.71m，各层层高中最大层高为16.5m，整体为钢结构，其主体结构平面和立面图分别如图1-1、1-3所示。图1-1 标准层平面布置图 图1-2 A轴立面布置图图1-3 D轴立面布置图图1-4某水泥厂预热器窑尾工程结构实景1.3存在的问题

17、窑尾工程主体结构在满足工艺要求以及安全性要求下，主要采用的结构形式有钢结构和钢筋混凝土结构两类形式。两类窑尾结构形式各自有各自的特点，钢筋混凝土窑尾结构具有建设取材容易，耐久性、耐火性较好、建造费用相对较低的优点，但是钢筋混凝土窑尾缺点也很突出，构建截面大，自重大，抗震性能较差；比较可知，钢结构窑尾自重较轻、抗震性能好、施工方便。但由于工艺特性的要求，仅能采用框架结构形式，在地震作用下，窑尾结构各层层间位移和剪力均较大，导致主体结构梁柱等构件截面尺寸会较大，且主体结构整体高度一般超过了规范要求，限制了该类结构的广泛应用。基于窑尾结构的特点，针对目前窑尾结构的特点本文提出在钢结构主要设备支座处设

18、置隔震支座的方法，减小结构地震作用，达到消能减震的目的。目前隔震技术发展日益趋于成熟，隔震方法也很多，最常见的是基础隔震和层间隔震，对于一些建筑结构上存在精密设备或者价值较高的仪器，为了对设备加以保护，有时也会在此类设备下设置隔震支座，减小地震作用对设备的影响，但是针对本文所提出的隔震研究分析，国内外文献中均研究较少，所以需要结合目前的隔震技术原理，选取合适的隔震方法运用于此类工业建筑中。不仅于此，本文针对选取何种隔震单元来模拟设备隔震支座也是处于初始的探讨中，至于模拟后的隔震支座能否达到一定的经济性要求需要进一步研究。且现阶段没有专门对于窑尾结构的设计规范针，钢结构窑尾的动力参数没有具体的要

19、求，因此，本文只有结合前期对已建窑尾结构的现场动力特性检测所得到结果略作修改得到结构自振周期和阻尼比等动力特性参数加以运用。1.4本文研究内容和目的钢结构窑尾结构中，可以在结构楼层上的主要设备下设置隔震支座，将设备与原有支座之间刚性连接改为柔性连接，通过隔震支座在地震作用下产生的主体结构与设备之间的相对运动，达到耗散地震能量，增大结构阻尼并减小结构地震效应的目的，与耗能阻尼器的被动控制原理相似；而且设置隔震支座后，增大了整体结构的自振周期，降低了结构地震响应，与调谐阻尼器工作原理相似，实现保护结构的作用，且设备隔震支座安装、维护和更换均较为方便，非常适合在类似窑尾结构的设备荷载较大的工业建筑中

20、应用。对于本研究而言，比较合适的隔震支座类型为GZY200，因为比较符合设备承载力和变形的要求。本文中所研究分析对象为拟建的日产4500吨规模水泥生产线的窑尾工程，窑尾结构比较复杂，一般需要对实际模型进行合理简化后建立分析模型，然后本文针对论文研究做了如下的一些具体工作：1. 有关窑尾结构设计和隔震研究资料的整理收集整理已建水泥厂窑尾结构设计和国内外建筑结构隔震研究现状资料，从而对国内外水泥厂窑尾结构设计和隔震研究发展趋势进行全面的了解，并为钢结构窑尾结构的抗震性能分析和隔震研究做好充分的准备。2. 采用SAP2000有限元分析软件完成主体结构计算分析，有限元模型中梁和柱采用梁单元模拟，各节点

21、均刚接；窑尾设备采用质量实体块单元模拟，楼板采用可同时考虑平面内、平面外刚度的空间板单元。3. 根据研究需要和规范规定，隔震支座采用单独的隔震单元，作为结构与设备连接单元。隔震单元采用两节点式连接，质量集中在单元两端的节点i和j上，单元内部不考虑惯性力。隔震单元拥有线性和非线性属性，其中线形属性包括线性分析时需要使用的有效刚度和有效阻尼，非线性属性包括非线性分析工况使用的刚度、屈服力和屈服后的刚度比。4. 参照实际工程背景，采用SAP2000有限元分析软件分别建立传统的窑尾结构模型和设置隔震装置的窑尾结构模型，对两类模型分别进行结构模态分析，研究分析设置隔震支座对整体结构自振特性的影响。然后，

22、分别对上述两类窑尾结构进行反应谱分析和输入单向地震波进行弹塑性动力时程分析，研究地震工况下设置隔震支座对窑尾结构抗震性能的影响，本文主要分析内容包括隔震支座对结构基底剪力、层位移和层间位移角及其分布的影响，和罕遇地震下结构构件薄弱处的初步研究。第2章 建筑结构隔震研究发展情况与理论分析2.1建筑结构隔震的进展2.1.1建筑结构隔震背景在人类的历史中，各种地震的发生次数不计其数，仅在上一个世纪的一百年里，有数据记载的造成伤亡人数超过5万的地震就有20多次，由此可见地震是不可避免的自然灾害，而且地震会造成严重的经济损失和大量的人员伤亡。例如1976年7月28日中国唐山发生的78级地震，死亡人数24

23、万多，受伤人数16万多，倒塌房屋总数接近322万间；再如1923年9月1日的日本关东地震，人员伤亡人数10万多，此后日本很多学者专家就开始对建筑物的抗震防灾设计给与了高度的重视。人类对地震的不断研究，发现地震有以下特点：突发性、瞬时性和次生性等，因此，由于地震所引起的灾害种类也会出现很多种情况，比如，地震发生除了会直接导致建、构筑物的破坏，山体等自然物的破坏，甚至引起海啸等。不仅如此，地震还会引起很严重的次生灾害，如由地震引起的火灾，地震导致堰塞湖的形成而导致发生严重的水灾，及地震对储存有毒物质和核燃料的设备造成破坏从而引起毒气和核泄漏事故，地震中人员和动物的伤亡又进一步会滋生疾病瘟疫的传播等

24、等。地震发生所造成的重大人员伤亡和巨大经济损失，大多数原因是建构筑物本身的抗震性能设计不良，甚至根本没有抗震的概念，所以当经历惨痛的代价之后，世界各国都开始将抗震的思想引进到建筑设计当中，致力于提高建筑的抗震性能。目前，对于抗震设计虽经过不断的探讨研究和实践，但是在一个建筑物设计的主要结构设计环节中，抗震的原理还是深受设计师们的采用，用这种方法所设计的建筑，通常情况下为了满足基本的抗震需求，它们的主要结构构件如梁板柱的几何截面尺寸都比较大，从而来提高建筑结构的承载能力、变形的能力和“对抗”地震的能力。但现在的一般建构筑物中的抗震设计还是采用传统的方法：在结构设计软件中输入一条或者多条己经发生并

25、且有记录的地震波，根据当地条件通过修改适当的参数和比例系数来模拟当地地震情况，进而通过结构设计软件的模拟计算分析出我们拟建的建筑物当遇到这样的地震后所受到的影响大小，根据结果来对建构筑物进行进一步的设计优化。我们知道无论是民用建筑物还是工业的构筑物，在满足对安全性要求的同时，还要满足适用性和耐久性的要求。因此，工程设计人员为了满足结构对延性的要求，通常是通过调整结构的刚度来满足的。在地震作用时，为了使结构不至于出现整体性破坏，设计中工程设计人员会使建筑结构在地震作用下处在弹性或弹塑性状态，总之，这些抗震设计方法仍然是传统的抗震方法。即多遇地震作用下基于传统的抗震设计理念，通过增加结构本身的延性

26、和承载能力来满足各国规范的要求，从而达到多遇地震下结构承载能力和位移变形满足规范要求，即使这种情况下有部分构件进入塑性阶段但仍能够通过变形抵御地震作用对整体结构的破坏，所以多遇地震下不会出现构件破坏，或者虽然有少部分构件破坏但仍处于可修的范围；在罕遇地震的作用下，结构所受到地震力非常大，起主要控制作用，此时结构也应具有承受很大的地震作用的能力，而且此时的位移变形大小还应处在规范中关于弹塑性变形限值的规定范围之内，这些规定均是为了确保罕遇地震作用下建筑物不会出现整体性破坏，减少人员伤亡和财产损失。目前，国内外设计人员大部分具有较丰富的抗震设计理论和丰富的实际工程应用经验，但是对于预防地震的设计仍

27、是以抗震设计为主，抗震设计也有它的不足之处，地震的特点决定了人们无法准确地预测地震的发生是的情况，而且地震发生时周围的环境将变的非常恶劣也比较复杂。所以对于地震的最真实性数据我们很难得到，因而也不能预先知道发生地地震参数。由于设计时参照用的地地震参数不是很准确，从而可能造成意想不到的建筑结构的破坏情况。在具体实际的工程设计时，设计人员不能够提前知道该类结构的某一个部位将要承受多大的地震作用。因为抗震设计主要采取的手段改善自身条件，但建筑物自身的缺点很多，牵扯范围较广，所以有些缺点不能够得到有效解决，这些在结构设计时存在的重重问题制约着结构设计人员利用传统抗震的思想，甚至会出现不能合理的满足建筑

28、物的安全性能要求，不仅如此，由于人类资源并不是无止无境和地震的随机性特点，当我们为了保障地震作用下建筑结构不至于破坏，我们不能够无限制的使用所有资源，而传统的以“抗震”为主要思想的设计研究方法此时就会遇到很大的问题，所以促使相关学者去开发研究和探索更新且更有效的抗震技术，经过学者们的不断研究，最终提出了一种新的想法，就是如何“控制”地震作用来减小地震作用的破坏，进而产生了一种新的解决抗震的有效方法，就是结构的隔震技术，即新的抗震设计思想隔震技术在此基础上应运而生，成为目前一种行之有效的减震抗震手段。“隔震”即隔离地震，一般常见的是在建构筑物的底部或某个高度处设置隔震装置，通过此装置来减小地震对

29、结构物的输入能量，或者利用此装置来吸收部分的地震能量，以此来减小地震对结构物的破坏。2.1.2建筑结构的隔震发展隔震这一概念最早被人提出来是发生在20世纪初，然而隔震技术具体应用到实际工程上面是在20世纪20年代才开始的。1921年，F. L.Wright设计了首个隔震建筑-东京帝国饭店，在1923年的关东大地震中，该隔震垫体现出良好的隔震效果。英国医生C.JA通过在基础下设置滑石或云母，而使建筑物形成基础隔震层，在地震时能一定程度上滑动，他以此申请了最早的隔震技术专利。1969年的南斯拉夫的斯克比小学是具有现代隔震概念的最早建筑物，该建筑物使用了矩形纯橡胶体来作为隔震层。此后，结构设计人员在

30、原有的橡胶体内添加了多层的钢板，以此隔震层为基础，后来法国有关人员修建了朗贝斯学校、库鲁阿斯核电站等建筑，再然后法国有关人员想到利用弹性支撑与阻尼器的共同工作能增加耗能的原理，成为世界上首次在原有橡胶隔震垫的基础上增加了滑板去建造南美洲的核电站。橡胶隔震支座和阻尼器共同工作作为一种隔震装置得到快速的发展，随之而来的是一大批隔震耗能阻尼器的出现，其中的橡胶支座隔震装置具有巨大的优势，它的规格、支座形式等非常有利于生产制造，故此橡胶支座在隔震装置中的应用中有很大的发展。1985年在美国加州建成了第一座采用叠层橡胶垫的隔震大楼-圣丁司法中心，随后隔震建筑在美国迅速发展。如今，美国制定公布了国际建筑规

31、程和隔震设计指南规范，已成为目前建筑隔震设计的统一规范。日本作为世界上地震多发的国家，自上个世纪80年代开始，日本对隔震方面的研究就逐渐有了一定进展，之后整个国家加大对这方面的投入，花了巨大的人力财力，使日本在隔震研究方面得到了很大的回报和取得了重要的研究成果，对整个隔震技术体系形成了一套成熟且相对比较完善的理论。在应用方面， 1982年日本就建成第一座采用橡胶垫的隔震住宅，1995年阪神地震发生后，日本建筑的隔震橡胶技术迅速发展，但多数是在低层和中层的建筑中在采用隔震橡胶技术，随着技术进步和社会发展，目前高层及超高层建筑也得到发展及应用。因此，广大建筑结构学者目前正在研究的一个方向是高层建筑

32、的隔震技术，例如在东京己建成的建筑高度达93.1米的杉并花园城，该建筑属于高层建筑且采用了基础隔震技术，该基础隔震体系是由隔震支座和阻尼器协同工作形成。另外高度达130米的大阪DT大楼，是采用滑动支座隔震的日本的超高层建筑，不仅如此，在大阪建成的由四栋建筑组成的楠叶塔楼城，最高部分达136.8米，同样采用了基础隔震体系，采用隔震体系的这类建筑己成为日本塔楼建设通行的做法。日本株式会社、日本隔震协会等机构对隔震装置的参数设置和隔震的布置都做了大量的研究分析及试验，并取得一定的研究成果。新西兰在高层建筑上对隔震技术的研究和开发做出了很大的贡献，特别是铅芯橡胶隔震支座的应用方面，新西兰在惠灵顿威克雷

33、顿大楼的建设上，首次应用了铅芯橡胶隔震支座，另外，新西兰也已在60多座公路及桥梁中采用了隔震技术。并且新西兰的相关研究学者们在1992年根据多年对隔震技术的研究完成了一本专著工程隔震概率，这是世界上第一本完整系统的介绍隔震技术的土木工程领域的专著。经过对隔震理论的不断研究和探讨，很多已建建筑在经历地震后取得不错的隔震效果，如发生在1994年美国的6.7级洛杉矶地震，死亡人数众多甚至多达7000人次，而南加州大学医院是一座采用橡胶隔震技术的隔震建筑，虽经历了此次的洛杉矶大地震，但却没有受到较为严重的损坏，类似的建筑还有日本84.19米高的仙台森大厦，虽然经历了有关地震确切记录以来全世界第三高的2

34、011年日本的9.0级地震，但由于采用了橡胶隔震支座，所以该建筑主体丝毫没有受到损坏，并且所采用的橡胶隔震支座及阻尼器在此次地震中也没有受到破坏，保存的很完整，所以这些实际应用所带来的隔震效果又进一步向人们展示隔震不仅可以运用于多层建筑中还可以用于高层建筑中。据统计，目前开展了隔震建筑方面研究的国家大概有30多个，而隔震技术现在也主要是应用在各类住宅、办公楼、裙楼等建筑上，桥梁结构由于荷载的特殊性，也经常应用隔震技术；现在出于对一些核电设备等工业建筑设施的保护，隔震技术逐渐开始运用到此类工业建筑行业当中。目前，世界上许多已建成的大的隔震建筑，80%以上都采用的是橡胶垫隔震层。现在有美国、中国、

35、日本等国家为规范隔震建筑技术标准，专门出台了相应的隔震规范。虽然隔震技术起始时间很早，但建筑物结构隔震技术首次在我国的提出时间是在20世纪60年代左右，之后才得以展开并进行研究。前前后后经过李立、周福霖、周锡元、唐家祥等一批学者一系列广泛、深入的研究之后，逐渐形成和建立了橡胶隔震支座和隔震结构体系的应用基础理论，我国的隔震技术取得了引人注目的成果，并使这方面的研究成果成功应用在我国的一些建筑结构中。目前工程中应用最多的减震方法就是隔震，因为容易实施且减震控制效果好，隔震技术正受到越来越多国家的青睐。隔震技术的本质决定了它的隔震机理，隔震技术本质就是采取措施延长建构筑物的基本周期，使变形集中在隔

36、震层，减少了上部结构的地震响应，通过隔震层的阻尼耗散地震能量，减少地震力向上传递，从而减轻上部结构的地震破坏作用。目前采用的结构隔震体系在安全性、可行性、经济性等因素的影响下，应用比较多的主要有：橡胶垫隔振体系、滑移隔振体系、摩擦摆隔震体系以及组合隔震体系等。2.1.3建筑结构地震控制方法随着抗震设计的不断向前发展，新的抗震方法逐渐被有关学者和工程设计人员发现和加以应用，这些新的抗震方法就是结构控制技术，常见分类有：（1）被动控制被动控制是一种直接消耗地震能量的方法，如常见的被动控制方法有基础隔震、设置阻尼器等，由于被动控制方法不需要输入外界的一种主动能量，是一种无源控制技术，且被动控制方法具

37、有易于设计和安装的特点，因而，此类方法更容易且比较广泛应用在实际的工程中。质量调谐减震技术是一种结构地震控制方法，核心部分是TMD(Tuned Mass Damper)和TLD( Tuned Liquid Damper)，即“调谐质量阻尼器”以及“调谐液体阻尼器”，这种控制方法是利用设置振子的阻尼和刚度来减小结构动力响应峰值，以此来使建筑结构免遭动力作用的破坏，如图1-1， 1-2示。图1-1 调谐质量阻尼器示意图图1-2调谐液体阻尼器示意图（2）主动控制主动控制属于一种有源控制技术，主要是通过主动可变系统、材料的智能自控等措施来减小或是消除外部的动力响应，主动控制是通过外部输入的能量来控制主

38、体在地震时改变结构的动力特性，这是它与其它控制的最大不同之处，所以主动控制能控制已经施加在结构上的力，并且可以主动控制结构或构件的动力特性，通过这种控制技术就可以人为的主动的减小地震作用对建筑结构的影响，控制效果也会很理想。（3）混合控制混合控制是将被动和主动控制同时应用，具有这两种控制系统的优点。可以良好的、方便的对结构的地震加以控制，也正是由于混合控制体系具有更安全、更经济性的特点，所以实际工程中应用广泛。其中，比较常见的混合控制体系是 HMD (Hybrid Mass Damper)、AMD(Active Mass Damper) ，即将质量阻尼器、主动质量阻尼器、调谐质量阻尼器相互配合

39、使用：主动控制与基础隔震结合使用，主动控制与阻尼器结合使用等。（4）智能控制智能控制（瞿伟廉等研究）是一种新型的减小动力响应的控制系统，现在在土木工程结构控制研究领域里，智能控制已成为一种新的研究热点。智能控制的控制形式不同于其他控制形式，它主要是基于智能控制算法、驱动和阻尼装置的原理来控制结构的动力响，该智能控制算法原于主动控制理论，但又不需要很大的外部控制力，最大区别之处在于施加控制力的设备是智阻尼装置而不是外界设备能量源。2.2隔震结构的理论分析2.2.1隔震支座恢复力模型在对建筑结构进行地震反应分析时，考虑到隔震支座特性比较复杂，一般我们会采用简化的恢复力模型来代替，且该力学模型还应适

40、应结构分析的要求，并要满足一定的精度，所以我们想要得到比较准确的隔震分析结果时，我们就要知道影响建筑结构隔震反应分析结果的重要因素就是如何去确定隔震支座恢复力模型。目前工程实践中橡胶支座是一种最常用的隔震支座，而本文在窑尾结构隔震分析时所采用的支座就是铅芯及橡胶隔震支座。所以，我们有必要对这类常用的橡胶支座恢复力模型做进一步的探讨。（1）等效线性模型 等效线性模型的简图如下图2-1所示。橡胶隔震支座的力学模型参数主要包括：等效粘滞阻尼比、等效刚度。橡胶隔震支座一般具有弹性性能以及粘滞阻尼两种特性，所以橡胶隔震支座可以用粘滞阻尼器加上线性弹簧的组合来等效。图2-1 等效线性模型橡胶隔震支座的线性

41、水平恢复力和位移关系如下式（2-1）所示，由弹性恢复力及粘滞阻尼力两部分组成。 （2-1）式中：水平恢复力支座的粘滞阻尼系数支座的弹性刚度支座的水平位移支座的水平速度等效的线性恢复力模型未考虑支座的非线性，用的是粘滞阻尼比和等效刚度两个参数来模拟该支座的非线性特征，虽能很好的模拟支座的滞回特性，但其计算结果并没那么精确，对于单向地震激励时的情况可以使用等效线性模型，而对于在双向激励状态下的情况，隔震支座并没有考虑变形和两个方向的耦合效应。所以线性恢复力模型通常应用于估计初步的隔震。（2）等效双线性模型等效双线性模型由于具有理想的滞回阻尼特性，所以它是结构分析中最常用的一种非线性模型，其计算简图

42、如下图2-2所示，其水平恢复力于位移关系如式2-2、2-3所示。图2-2 等效双线性模型在弹性阶段： 当 （2-2）在屈服阶段： 当 （2-3）式中：水平恢复力屈服后与屈服前的剪切刚度比值， , 模型屈服后的刚度，屈服前的刚度,支座位移，屈服后位移等效双线性模型具有比较理想的滞回阻尼特性，也具有橡胶隔震支座的特点，但是它并没有将橡胶支座的屈服荷载和刚度受应变影响的变化情况考虑在内，尤其是支座刚度在大应变的情况下易出现的非线性硬化现象，等效线性模型未曾考虑。而且从等效双线性模型可以看的出不仅加载卸载阶段存在突变点，弹性到塑性的阶段也存在突变点，所以当我们在使用此模型做处理分析时，得到的计算结果会

43、容易失真并且处理起来的过程也很复杂。但是，试验证明：该模型可以比较理想的模拟铅芯及橡胶支座的力学性能。因此，目前的隔震设计及分析都是广泛采用此类模型。（3）修正的双线性模型经过修正的双线性模型计算简图如下图2-3 。与双线性模型相比，修正后的双线性模型不仅考虑了剪切变形的相关性，也考虑到了橡胶隔震支座屈服荷载和支座刚度受应变影响的条件。图2-3修正的双线性模型; (2-4) (2-5) (2-6); （2-7)式中：，屈服刚度、卸载刚度、支座铅芯屈服强度，屈服荷载，支座剪应变达到50%时的屈服荷载，支座试验测定的常数，铅芯引起的强化系数、橡胶剪切模量、支座剪切模量支座顶面和底面的相对位移支座橡

44、胶层总厚度支座铅芯横截面面积支座的横截面面积修正的双线性模型对于支座屈服荷载和刚度与剪切应变的相关性做了一定的考虑，仍与支座的具体实测常数有比较大的关系，也仅是粗略地按大于50%来划分大变形时的剪切应变，且由于支座生产厂家的生产工艺等因素的不同，所以得到的有关剪应变相关性修正公式会有不同的结果，因此修正的双线性模型很难适应于现在的隔震设计。2.2.2常见隔震结构的数值模型在隔震结构体系中，上部结构的层间刚度要远大于隔震装置的刚度，所以发生地震时，地震作用只会使上部结构发生侧向整体平动。为了计算方便，我们一般把上部结构简化成单质点。但如果上部结构不符合单质点特点，且层数较多，或高宽比较大、层刚度

45、小，我们就需要把此类结构作多质点体系处理，同时考虑其附带的扭转、倾覆等问题。1单质点隔震体系数值分析对于中、低层建构筑物，采用橡胶支座隔震时，上部结构的层间刚度远大于隔震装置的刚度，所以上部结构在水平地震作用下，层间水平位移比较小，此时的结构仅产生水平平动（如图2-4a ）。同时可以忽略上部结构的扭转，所以可以用一个单质点隔震体系模型（如图2-4b ）来代替此类结构，此时隔震结构体系的阻尼和刚度也可以用该装置模拟近似替代。（a）（b）图2-4 单质点隔震体系数值模型其中：,分别是上部结构的位移、速度、加速度的反应,分别为地面水平地震的位移、速度和加速度上部结构的总质量上部结构与隔震层的相对位移

46、隔震支座的等效阻尼支座的水平刚度2.单质点隔震体系的地震反应（1）隔震体系的加速度反应图2-4所示的单质点隔震体系动力分析模型的微分方程如下式2-8所示： (2-8)将上式两边除以,假定结构的固有频率为,阻尼比,则;则,公式2-8就可以表示为： (2-9)求出加速度反应值，设地震的场地特征频率为，结构的动力反应转换常数，转换函数是隔震结构的地震加速度值与隔震体系所在地面的地震加速度的比值，且，那么。将它们代入公式2-9得: (2-10)隔震结构的加速度反应减衰比：定义为隔震结构的加速度反应与隔震体系地面加速度之比，则: (2-11)由公式2-10和公式2-11，就可以得出: (2-12)即结构的阻尼比，如果己知，且加速度反应比也己知，阻尼就可以求得。（2）隔震体系的位移反应图2-5所示的单质点隔震体系动力分析模型，其结构动力微分方程如下式2-9所示： (2-13)也可以表示为: (2-14)其中，,用函数转换的方法，得出位移反应，因,整理得: (2-15)将2-15公式进行整理，得到位移反应的公式: (2-16)单质点隔震体系上部结构层间位移比较小，各层之间的位移变化小且变化均匀，结构变形将集中在隔震层，所以可以用隔震装置的水平位移近似代替隔震体系的水平位移。3.多质点隔震体系数值分析当隔震建筑上部为高柔的多、高层建筑时，此类结构的层间刚度较小，为比较真实的模拟隔震结构在