耗能減震結(jié)構(gòu)

1、9 3 耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計9 3 l 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)臵耗能（阻尼）裝臵（或元件） ，通過耗能（阻尼）裝臵產(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 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）裝臵的結(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描述， 如圖 911 結(jié)構(gòu) 在地震中任意時刻的能量方程為：傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu) E in =Ev+Ec+Ek+

2、Eh 耗能減震結(jié)構(gòu) E in =Ev+Ec+Ek+Eh+Ed 式中 Ein 地震過程中輸入結(jié)構(gòu)體系的能量；Ev 結(jié)構(gòu)體系的動能；Ec 結(jié)構(gòu)體系的粘滯阻尼耗能；E k結(jié)構(gòu)體系的彈性應(yīng)變能；6結(jié)構(gòu)體系的滯回耗能；Ed 耗能（阻尼）裝臵或耗能元件耗散或吸收的能量。氐-Egft弦u圖9.11結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換途徑對比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。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，構(gòu)件本身將遭

3、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)構(gòu)體系中，耗能（阻尼）裝臵或元件在主體結(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。一般來說，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：D = f （ ：max，Eh）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

4、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。9. 3. 2耗能減震裝臵的類型與性能9. 3. 2. 1耗能減震裝臵的類型與性能耗能減震裝臵的種類很多，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)計的。目前已有多種不同構(gòu)造的摩擦耗能器，如Pall型

5、摩擦耗能器、摩擦筒制震器、 限位摩擦耗能器、摩擦滑動螺栓節(jié)點(diǎn)及摩擦剪切鉸耗能器等。圖9. 12(a) (b)為Pall等設(shè)計的摩擦耗能裝臵，它是一可滑動而改變形狀 的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)帶有摩擦制動板，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，可以通過松緊節(jié)點(diǎn)板的高強(qiáng)螺栓來調(diào)節(jié)。該裝置按正常使用荷載及小震作用下不發(fā)生滑動設(shè)計，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 動力特性，達(dá)到減震目的。(如何設(shè)計，如何計算)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

6、等特點(diǎn)。圖9. 12 (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，目前已研究開發(fā)了多種耗能裝臵，如加勁阻尼(ADAS裝臵、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，長期可靠并不受環(huán)境與溫度影響的特點(diǎn)。.： 加勁阻尼裝臵是由數(shù)塊互相平行的 X形或三角形鋼板通過定位件組裝而成的耗能減震裝臵，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，框架層間相對變形引起

7、裝臵頂部相對于底部的水平運(yùn)動，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9. 13u)為8塊三角形鋼板組成的加勁阻尼裝臵的滯回曲線。雙環(huán)鋼環(huán)耗能器由兩個簡單的耗能圓環(huán)構(gòu)成， 這種耗能器既 保留了圓環(huán)鋼耗能器變形大、 構(gòu)造簡單、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)

8、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9. 14所示為鋼材型號為 BT I。YP100寬厚比D/t為40的屈服點(diǎn)鋼耗能器試驗(yàn)后的形狀和滯回曲線?？梢钥闯?，該類耗能器具有較強(qiáng)的耗能能力，滯回曲線形狀飽滿，性能穩(wěn)定。圖乩14 低麗服點(diǎn)鋼陽尼器的構(gòu)造與典里滯回曲統(tǒng)飾J低鳳服點(diǎn)鋼飢尼弱的溝認(rèn)MIUeI服點(diǎn)詡限尼弱的訓(xùn)冋期緘(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)生塑性變形時晶格被拉長或錯動，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

9、復(fù)至變形前的狀態(tài)。鉛的動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶過程在常溫下進(jìn) 行，耗時短且無疲勞現(xiàn)象，因此具有穩(wěn)定的耗能能力。圖9. 15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9. 15 (a)為收縮管型，圖 9. 15(b)為鼓凸輪型，當(dāng)中心軸相 對鋼管運(yùn)動時，鉛被擠呀壓通過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“庫侖摩擦”的特點(diǎn)，圖915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9 . 15 (C),在地震作用下，擠壓力和耗能能力基本上與速度無關(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

10、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 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 對運(yùn)動，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。y (urn)(i)圖丄比牆彈性阻尼器冊回曲線is枯彈性琨尼器31估禪性阻世關(guān)帝回曲蝶圖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，具有很好的耗能性能，它能同時提供剛度和 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

11、，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，應(yīng)變的影響不大，但在大應(yīng)變的激勵下，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_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。當(dāng)活塞與筒體間產(chǎn)生相對運(yùn)動時，流體從活塞的小孔內(nèi)通過， 對兩者的相對運(yùn)動產(chǎn)生阻尼，從而耗散能量。圖9. 17 (a)為典型的油阻尼器，圖9. 17(b)為油阻尼器的恢復(fù)

12、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)。圖9.肯 油魁尼冊真曲回挾線切)推1闡挹踏油駅用辯的恢丸力特性圖乩捕 速度梢關(guān)型耗能器的恢復(fù)力-變強(qiáng)曲線3)粘秫耗能器；小牯彈性耗艙器9. 3. 2. 2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9. 18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：Fd 譏式中kd和Cd耗能器的剛度和阻尼器系數(shù);:和A 耗能器的相對位移和相對速度。對于粘滯阻尼器，一般 Kd=O, C=C,阻尼力僅與速度有關(guān)， 可表示為:Fd =C0.式中Co粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)，可由阻尼器的產(chǎn)

13、品型號給 定或由試驗(yàn)確定。對于粘彈性阻尼器，剛度和阻尼系數(shù)一般由式下式確定：C-AG©0式中n (3)、G(3)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、S 粘彈性材料層的受剪面積和厚度；3 結(jié)構(gòu)振動的頻率。(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)模型可米用Ramberg- Osgood模型，但由于其不便于計算分析，故可采用圖9.19 (a)所示的折線型彈性-應(yīng)變硬化模型來描述，恢復(fù)力和變 形的關(guān)系可表示為：Fd二k,y *oki式中K1初始剛度；a。

14、一一第二剛度系數(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9.19（ b）所示的剛塑性恢復(fù)力模型。對于摩擦耗能器，恢復(fù)力可由式（9. 20）計算：Fd 二 F°sgn . ： tFo-靜摩擦力圖y.舊 滯變翌耗能器的力變形闊線（勰金皿能能留譏防灘擦桎能器利怕征能祥對于鉛擠壓阻尼器，恢復(fù)力可按式（9. 21）計算:FIn IAfaFd 1 yinA2fo式中B -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。9. 3. 3耗能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求（1）耗能部件的設(shè)臵耗

15、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、?充墻、梁或節(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)的兩個主軸方向分別 設(shè)臵，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20%時宜按20%計算。 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，該部件在耗能器耗能方向的剛度應(yīng)符合式（9. 22）要求：

16、6 ： I, cv式中K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， 該部件恢復(fù)力滯回模型的參數(shù)宜符合下列要求；Upy/ Usy 空 2/3式中Kp. 耗能部件在水平方向的初始剛度;詢耗能部件的屈服位移;Ks 設(shè)臵耗能部件的結(jié)構(gòu)層間剛度； USy 設(shè)臵耗能部件的結(jié)構(gòu)層間屈服位移。 耗能器應(yīng)具有優(yōu)良的耐久性能，能長期保持其初始性能； 耗能器應(yīng)構(gòu)造簡單，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

17、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，耗能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，可按式（9. 25）估算：a =Wc/ 4Ws（9. 25）式中Z a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)一周所消耗的厶匕曰、 冃匕量；Ws設(shè)臵耗能部件的結(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，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（9. 26）估算：Ws =1£ FUi（9.26 ）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

18、Wc可 按式（9. 27）估算:Wc 二 2二 2/T ' Cj cosj./j式中T1耗能減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期；Cj 第j個耗能器的線性阻尼系數(shù)；e j第j個耗能器的耗能方向和水平面的夾角； uj 第j個耗能器兩端的相對水平位移。當(dāng)耗能器的阻尼系數(shù)和有效剛度與結(jié)構(gòu)振動周期有關(guān)時，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(9. 28)估算；Wc = Aj(9. 28)式中Aj第j個耗能器的恢復(fù)力滯回環(huán)在相對水平位移為 uj時的面積。耗能器的有效剛度可取耗能器的恢復(fù)力滯回環(huán)在相對水平 位移為 uj時的割

19、線剛度。當(dāng)采用非線性時程分析法時，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)體系的抗震計算分析耗能減震結(jié)構(gòu)體系的抗震計算分析，一般情況下，宜采用靜力非線性分析或非線性時程分析方法 。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；可采取線性分析方法作簡化估 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)譜法和時程分析法。分析時，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，應(yīng)通過試驗(yàn)確定。本章

20、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。 隔震體系通過延長結(jié)構(gòu)的自振周期減少結(jié)構(gòu)的水 平地震作用， 已被國外強(qiáng)震記錄所證實(shí)。 耗能減震體系通過耗能 器增加結(jié)構(gòu)阻尼來減少結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的位移是公認(rèn)的事實(shí)， 對 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、 滾動隔震、 支撐式擺動隔震和混合隔震等。 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， 提供水平向柔性和恢復(fù)力， 并能提供 所需的滯變阻尼。隔震層的位臵宜設(shè)臵在上部結(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)臵計算也更復(fù)雜，需作專門研究。3、