耗能減震結(jié)構(gòu)

1、93 耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 93l 結(jié)構(gòu)耗能減震原理與耗能減震結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)物某些部位（如支撐、剪力墻、節(jié)點(diǎn)、連接縫或連接件、樓層空間、相鄰建筑間、主附結(jié)構(gòu)間等）設(shè)置耗能（阻尼）裝置（或元件），通過(guò)耗能（阻尼）裝置產(chǎn)生摩擦，彎曲（或剪切、扭轉(zhuǎn)）彈塑（或粘彈）性滯回變形耗能來(lái)耗散或吸收地震輸人結(jié)構(gòu)中的能量，以減小主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或倒塌，達(dá)到減震控震的目的。裝有耗能（阻尼）裝置的結(jié)構(gòu)稱為耗能減震結(jié)構(gòu)。 耗能減震的原理可以從能量的角度來(lái)描述，如圖911結(jié)構(gòu)在地震中任意時(shí)刻的能量方程為： 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu) ein=ev+ec+ek+eh 耗能減震結(jié)構(gòu) ein=ev+e

2、c+ek+eh+ed 式中ein地震過(guò)程中輸入結(jié)構(gòu)體系的能量； ev 結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)能； ec結(jié)構(gòu)體系的粘滯阻尼耗能； ek結(jié)構(gòu)體系的彈性應(yīng)變能；eh結(jié)構(gòu)體系的滯回耗能；ed耗能（阻尼）裝置或耗能元件耗散或吸收的能量。 圖 9.11 結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換途徑對(duì)比 a）地震輸人 b）傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu) c）消能減震結(jié)構(gòu)在上述能量方程中，由于ev和ek僅僅是能量轉(zhuǎn)換，不能耗能,ec只占總能量的很小部分（約5左右），可以忽略不計(jì)。在傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)中，主要依靠eh消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，但因結(jié)構(gòu)構(gòu)件在利用其自身彈塑性變形消耗地震能量的同時(shí)，構(gòu)件本身將遭到損傷甚至破壞，某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗能越多，則其破壞越嚴(yán)重。在耗能減震結(jié)

3、構(gòu)體系中，耗能（阻尼）裝置或元件在主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)前率先進(jìn)入耗能工作狀態(tài)，充分發(fā)揮耗能作用，耗散大量輸入結(jié)構(gòu)體系的地震能量，則結(jié)構(gòu)本身需消耗的能量很少，這意味著結(jié)構(gòu)反應(yīng)將大大減小，從而有效地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)，使其不再受到損傷或破壞。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的損傷程度與結(jié)構(gòu)的最大變形max和滯回耗能eh（或累積塑性變形）成正比，可以表達(dá)為： 在耗能減震結(jié)構(gòu)中，由于最大變形和構(gòu)件的滯回耗能較之傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的最大變形和滯回耗能大大減少，因此結(jié)構(gòu)的損傷大大減少。耗能減震結(jié)構(gòu)具有減震機(jī)理明確，減震效果顯著，安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)，適用范圍廣等特點(diǎn)。目前，已被成功用于工程結(jié)構(gòu)的減震控制中。932 耗能減震

4、裝置的類型與性能9321 耗能減震裝置的類型與性能耗能減震裝置的種類很多，根據(jù)耗能機(jī)制的不同可分為摩擦耗能器。鋼彈塑性耗能器、鉛擠壓阻尼器、粘彈性阻尼器和粘滯阻尼器等；根據(jù)耗能器耗能的依賴性可分為速度相關(guān)型（如粘彈性阻尼器和粘滯阻尼器）和位移相關(guān)型（如摩擦耗能器、鋼彈塑性耗能器和鉛擠壓阻尼器）等。（1） 摩擦耗能器圖 9 12 pall型摩擦耗能器及典型滯回曲線摩擦耗能器是根據(jù)摩擦做功而耗散能量的原理設(shè)計(jì)的。目前已有多種不同構(gòu)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、摩擦滑動(dòng)螺栓節(jié)點(diǎn)及摩擦剪切鉸耗能器等。圖912（a）（b）為pall等設(shè)計(jì)的摩擦耗能裝置，它是一可滑

5、動(dòng)而改變形狀的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)帶有摩擦制動(dòng)板，機(jī)構(gòu)的滑移受板間摩擦力控制，而摩擦力取決于板間的擠壓力，可以通過(guò)松緊節(jié)點(diǎn)板的高強(qiáng)螺栓來(lái)調(diào)節(jié)。該裝置按正常使用荷載及小震作用下不發(fā)生滑動(dòng)設(shè)計(jì)，而在強(qiáng)烈地震作用下，其主要構(gòu)件尚未發(fā)生屈服，裝置即產(chǎn)生滑移以摩擦功耗散地震能量，并改變了結(jié)構(gòu)的自振頻率，從而使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中改變動(dòng)力特性，達(dá)到減震目的。（如何設(shè)計(jì)，如何計(jì)算）摩擦耗能器種類很多，但都具有很好的滯回特性，滯回環(huán)呈矩形，耗能能力強(qiáng)，工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。圖912（c）為典型的滯回曲線。摩擦耗能器一般安裝在支撐上形成摩擦耗能支撐。（2）鋼彈塑性耗能器軟鋼具有較好的屈服后性能，利用其進(jìn)入彈塑性范圍后的良好滯回特性

6、，目前已研究開(kāi)發(fā)了多種耗能裝置，如加勁阻尼（adas）裝置、錐形鋼耗能器、圓環(huán)（或方框）鋼耗能器、雙環(huán)鋼耗能器、加勁圓環(huán)耗能器。低屈服點(diǎn)鋼耗能器等。這類耗能器具有滯回性能穩(wěn)定，耗能能力大，長(zhǎng)期可靠并不受環(huán)境與溫度影響的特點(diǎn)。加勁阻尼裝置是由數(shù)塊互相平行的x形或三角形鋼板通過(guò)定位件組裝而成的耗能減震裝置，如圖9.13（a）所示。它一般安裝在人字形支撐頂部和框架梁之間，在地震作用下，框架層間相對(duì)變形引起裝置頂部相對(duì)于底部的水平運(yùn)動(dòng)，使鋼板產(chǎn)生彎曲屈服，利用彈塑性滯回變形耗散地震能量。圖913u）為8塊三角形鋼板組成的加勁阻尼裝置的滯回曲線。 雙環(huán)鋼環(huán)耗能器由兩個(gè)簡(jiǎn)單的耗能圓環(huán)構(gòu)成，這種耗能器既保留

7、了圓環(huán)鋼耗能器變形大、構(gòu)造簡(jiǎn)單、制作方便的特點(diǎn)，又提高了初始的承載能力和剛度，使其耗能能力大為改善。試驗(yàn)研究表明，這種耗能器的滯回環(huán)為典型的紡錘形，形狀飽滿，具有穩(wěn)定的滯變回路。加勁圓環(huán)耗能器由耗能圓環(huán)和加勁弧板構(gòu)成，即在圓環(huán)耗能器中附加弧形鋼板以提高圓環(huán)鋼耗能器的剛度和阻尼，改善圓環(huán)鋼耗能器承載能力和初始剛度較低的缺點(diǎn)。試驗(yàn)研究表明，加勁圓環(huán)耗能器工作性能穩(wěn)定，適應(yīng)性好，變形能力強(qiáng)，耗能能力可隨變形的增大而提高，而且具有多道減震防線和多重耗能特性。低屈服點(diǎn)鋼是一種屈服點(diǎn)很低、延性滯回性能很好的材料，圖914所示為鋼材型號(hào)為bti。yp100、寬厚比d/t為40的屈服點(diǎn)鋼耗能器試驗(yàn)后的形狀和滯

8、回曲線?？梢钥闯觯擃惡哪芷骶哂休^強(qiáng)的耗能能力，滯回曲線形狀飽滿，性能穩(wěn)定。 （3）鉛耗能器鉛是一種結(jié)晶金屬，具有密度大、熔點(diǎn)低、塑性好、強(qiáng)度低等特點(diǎn)。發(fā)生塑性變形時(shí)晶格被拉長(zhǎng)或錯(cuò)動(dòng)，一部分能量將轉(zhuǎn)換成熱量，另一部分能量為促使再結(jié)晶而消耗，使鉛的組織和性能回復(fù)至變形前的狀態(tài)。鉛的動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程在常溫下進(jìn)行，耗時(shí)短且無(wú)疲勞現(xiàn)象，因此具有穩(wěn)定的耗能能力。圖915為利用鉛擠壓產(chǎn)生塑性變形耗散能量的原理制成的阻尼器。圖915（a）為收縮管型，圖915(b)為鼓凸輪型，當(dāng)中心軸相對(duì)鋼管運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉛被擠呀壓通過(guò)中心軸與壁間形成的擠壓口而產(chǎn)生塑性變形耗散能量。鉛擠壓耗能器具有有“庫(kù)侖摩擦”的特點(diǎn)，圖91

9、5 鉛擠壓阻尼器及典型滯回曲線其滯回曲線基本呈矩形，如圖 915（c），在地震作用下，擠壓力和耗能能力基本上與速度無(wú)關(guān)。此外，還有利用鉛產(chǎn)生剪切或彎剪塑性滯回變形耗能原理制成的鉛剪切耗能器i形鋁耗能器等。（4）粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器是由粘彈性材料和約束鋼板所組成。典型的粘彈性阻尼器如圖9.16（a）所示，它是由兩個(gè)t形約束鋼板夾一塊矩形鋼板所組成，t形約束鋼板與中間鋼板之間夾有一層粘彈性材料，在反復(fù)軸向力作用下，約束t形鋼板與中間鋼板產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使粘彈性材料產(chǎn)生往復(fù)剪切滯回變形，以吸收和耗散能量。圖 9.16 （b）為粘彈性阻尼器的典型滯回曲線，可以看出，其滯回環(huán)呈橢圓形，具有很好的耗能性

10、能，它能同時(shí)提供剛度和阻尼。由于粘彈性材料的性能受溫度、頻率和應(yīng)變幅值的影響，所以粘彈性阻尼器的性能受溫度、頻率和應(yīng)變幅值的影響，有關(guān)研究結(jié)果表明，其耗能能力隨著溫度的增加而降低；隨著頻率的增加而增加，但在高頻下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耗能能力逐漸退化至某一平衡值。當(dāng)應(yīng)變幅值小于50時(shí)，應(yīng)變的影響不大，但在大應(yīng)變的激勵(lì)下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耗能能力逐漸退化至某一平衡值。（5）粘滯阻尼器粘滯阻尼器主要有筒式粘滯阻尼器、粘滯阻尼墻系統(tǒng)等。筒式粘滯阻尼器一般由缸體、活塞和粘滯流體組成?；钊祥_(kāi)有小孔，并可以在充有硅油或其他粘性流體的缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞與筒體間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體從活塞的小孔內(nèi)通過(guò)

11、，對(duì)兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼，從而耗散能量。圖917（a）為典型的油阻尼器，圖917(b)為油阻尼器的恢復(fù)力特性，形狀近似為橢圓。油阻尼器產(chǎn)生的阻尼力一般與速度和溫度有關(guān)。9322 耗能器的恢復(fù)為模型（1）速度相關(guān)型耗能器的恢復(fù)力模型圖918為速度相關(guān)型耗能器的恢復(fù)力-變形曲線。速度相關(guān)型耗能器的恢復(fù)力與變形和速度的關(guān)系一般可以表示為：式中和 耗能器的剛度和阻尼器系數(shù)；和 耗能器的相對(duì)位移和相對(duì)速度。對(duì)于粘滯阻尼器，一般kd=0，c=c0，阻尼力僅與速度有關(guān)，可表示為: 式中c0粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)，可由阻尼器的產(chǎn)品型號(hào)給定或由試驗(yàn)確定。對(duì)于粘彈性阻尼器，剛度和阻尼系數(shù)一般由式下式確定： 式中（

12、）、g（）粘彈性材料的損失因子和剪切模量，一般與頻率和速度有關(guān)，由粘彈性材料特性曲線 確定； a、粘彈性材料層的受剪面積和厚度；結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率。（2）滯變型耗能器的恢復(fù)力模型軟鋼類耗能器具有類似的滯回性能，可采用相似的計(jì)算模型，僅其特征參數(shù)不同。該類耗能器的最理想的數(shù)學(xué)模型可采用rambergosgood模型，但由于其不便于計(jì)算分析，故可采用圖9.19（a）所示的折線型彈性-應(yīng)變硬化模型來(lái)描述，恢復(fù)力和變形的關(guān)系可表示為：式中k1 初始剛度； a。第二剛度系數(shù)；y屈服變形。摩擦耗能器和鉛耗能器的滯回曲線近似為“矩形”，具有較好的庫(kù)侖特性，且基本不受荷載大小、頻率、循環(huán)次數(shù)等的影響，故可采用圖9

13、.19（b）所示的剛塑性恢復(fù)力模型。對(duì)于摩擦耗能器，恢復(fù)力可由式（920）計(jì)算： f0-靜摩擦力 對(duì)于鉛擠壓阻尼器，恢復(fù)力可按式（921）計(jì)算： 式中 大于1的系數(shù)； a1鉛變形前的面積； a2發(fā)生塑性后的截面面積； f0摩擦力。933 耗能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求（1）耗能部件的設(shè)置耗能減震結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)罕遇地震作用下的預(yù)期結(jié)構(gòu)位移控制要求，設(shè)置適當(dāng)?shù)暮哪懿考?，耗能部件可由耗能器及斜支撐、填充墻、梁或?jié)點(diǎn)等組成。耗能減震結(jié)構(gòu)中的耗能部件應(yīng)沿結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向分別設(shè)置，耗能部件宜設(shè)置在層間變形較大的位置，其數(shù)量和分布應(yīng)通過(guò)綜合分析合理確定。（2）耗能部件的性能要求耗能部件應(yīng)滿足下列要求：耗能器應(yīng)具有足夠

14、的吸收和耗散地震能量的能力和恰當(dāng)?shù)淖枘?；耗能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比宜大于10，超過(guò)20時(shí)宜按20計(jì)算。耗能部件應(yīng)具有足夠的初始剛度，并滿足下列要求：速度線性相關(guān)型耗能器與斜撐、填充墻或梁組成耗能部件時(shí)，該部件在耗能器耗能方向的剛度應(yīng)符合式（922）要求： 式中kb支承構(gòu)件在耗能器方向的剛度； cv耗能器的線性阻尼系數(shù)； t1耗能減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期。位移相關(guān)型耗能器與斜撐、填充墻或梁組成耗能部件時(shí)，該部件恢復(fù)力滯回模型的參數(shù)宜符合下列要求； 式中kp耗能部件在水平方向的初始剛度； upy耗能部件的屈服位移； ks設(shè)置耗能部件的結(jié)構(gòu)層間剛度； usy設(shè)置耗能部件的結(jié)構(gòu)層間屈服位移。耗能器應(yīng)

15、具有優(yōu)良的耐久性能，能長(zhǎng)期保持其初始性能；耗能器應(yīng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，易維護(hù)。耗能器與斜支撐、填充墻、梁或節(jié)點(diǎn)的連接，應(yīng)符合鋼構(gòu)件連接或鋼與鋼筋混凝土構(gòu)件連接的構(gòu)造要求，并能承擔(dān)耗能器施加給連接節(jié)點(diǎn)的最大作用力。（3）耗能器附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比和有效剛度當(dāng)采用底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和靜力非線性法時(shí)，耗能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，可按式（925）估算： （925）式中耗能減震結(jié)構(gòu)的附加阻尼比； wc所有耗能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗的能量； ws設(shè)置耗能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。不考慮扭轉(zhuǎn)影響時(shí)，耗能減震結(jié)構(gòu)在其水平地震作用下的總應(yīng)變能，可按式（926）估算： （9.2

16、6） 式中fi質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值； ui質(zhì)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)與水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移。速度線性相關(guān)耗能器在水平地震作用下所消耗的能量wc可按式（927）估算： 式中 t1耗能減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期； cj第j個(gè)耗能器的線性阻尼系數(shù)； j第j個(gè)耗能器的耗能方向和水平面的夾角； uj第j個(gè)耗能器兩端的相對(duì)水平位移。當(dāng)耗能器的阻尼系數(shù)和有效剛度與結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期有關(guān)時(shí)，可取相應(yīng)于耗能減震結(jié)構(gòu)基本自振周期的值。位移相關(guān)型、速度非線性相關(guān)型和其他類型耗能器在水平地震作用下所消耗的能量wc，可按式（928）估算； （928）式中aj第j個(gè)耗能器的恢復(fù)力滯回環(huán)在相對(duì)水平位移為uj時(shí)的面積。耗能器的有效剛度可取耗

17、能器的恢復(fù)力滯回環(huán)在相對(duì)水平位移為uj時(shí)的割線剛度。當(dāng)采用非線性時(shí)程分析法時(shí)，耗能器附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比和有效剛度宜根據(jù)耗能器的恢復(fù)力模型確定。（4）耗能減震結(jié)構(gòu)體系的抗震計(jì)算分析耗能減震結(jié)構(gòu)體系的抗震計(jì)算分析，一般情況下，宜采用靜力非線性分析或非線性時(shí)程分析方法。當(dāng)耗能減震體系的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本處于彈性工作階段時(shí)；可采取線性分析方法作簡(jiǎn)化估算，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形特征和高度等，分別采用底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。分析時(shí)，耗能減震結(jié)構(gòu)的總剛度應(yīng)為結(jié)構(gòu)剛度和耗能部件有效剛度的總和；耗能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比應(yīng)為結(jié)構(gòu)阻尼比和耗能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比的總和；耗能部件有效剛度和有效阻尼比

18、，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。 本章小結(jié) 1隔震和耗能減震是建筑結(jié)構(gòu)減輕地震災(zāi)害的新技術(shù)、新方法和新途徑。隔震體系通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期減少結(jié)構(gòu)的水平地震作用，已被國(guó)外強(qiáng)震記錄所證實(shí)。耗能減震體系通過(guò)耗能器增加結(jié)構(gòu)阻尼來(lái)減少結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的位移是公認(rèn)的事實(shí)，對(duì)減少結(jié)構(gòu)水平和豎向的地震反應(yīng)也是有效的。2隔震技術(shù)有多種方案，如橡膠支座隔震、摩擦滑移隔震、滾動(dòng)隔震、支撐式擺動(dòng)隔震和混合隔震等。但目前研究和應(yīng)用最多的是橡膠支座隔震，其中尤以鉛芯橡膠支座應(yīng)用最為廣泛，它能在豎向支承結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提供水平向柔性和恢復(fù)力，并能提供所需的滯變阻尼。隔震層的位置宜設(shè)置在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間，即結(jié)異，隔震層以下的結(jié)構(gòu)設(shè)置計(jì)算也更復(fù)雜，需作專門(mén)研究。3、隔震結(jié)構(gòu)方案確定時(shí)應(yīng)綜合考慮建筑高度和層數(shù)、最大高寬比、結(jié)構(gòu)類型、場(chǎng)地等因素，經(jīng)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較后