消能減震技術(shù)

1、 消能減震施工技術(shù)消能減震施工技術(shù) 傳統(tǒng)的抗震方法是房屋上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)牢牢地連傳統(tǒng)的抗震方法是房屋上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)牢牢地連接在一起，地震時，地面運(yùn)動能量經(jīng)過基礎(chǔ)輸入到房接在一起，地震時，地面運(yùn)動能量經(jīng)過基礎(chǔ)輸入到房屋結(jié)構(gòu)，致使房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生振動、變形，甚至倒塌。屋結(jié)構(gòu)，致使房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生振動、變形，甚至倒塌?！跋芨粽鹣芨粽稹钡幕舅枷胧鞘够A(chǔ)和上部房屋結(jié)構(gòu)分的基本思想是使基礎(chǔ)和上部房屋結(jié)構(gòu)分離離, ,隔離地震能量向建筑物的輸入。實現(xiàn)地震時地動隔離地震能量向建筑物的輸入。實現(xiàn)地震時地動而建筑物基本不動，達(dá)到保證建筑物安全的目的。而建筑物基本不動，達(dá)到保證建筑物安全的目的。 1、消能減震結(jié)構(gòu)的概念、

2、消能減震結(jié)構(gòu)的概念 o消能減震的力學(xué)原理就是在結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生相對運(yùn)動的部位增設(shè)一些阻尼器之類的消能裝置，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震作用時，這些阻尼器在結(jié)構(gòu)相對運(yùn)動的強(qiáng)迫作用下，產(chǎn)生抵抗結(jié)構(gòu)相對運(yùn)動的阻力運(yùn)動，這些阻尼力在運(yùn)動過程中做功，通常以導(dǎo)致阻尼器發(fā)熱而耗散掉部分結(jié)構(gòu)相對運(yùn)動的能量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，即減小結(jié)構(gòu)的損壞或保證結(jié)構(gòu)的正常使用功能。 結(jié)構(gòu)消能減震建筑的特點結(jié)構(gòu)消能減震建筑的特點o消能減震裝置可同時減少結(jié)構(gòu)的水平和豎向的地震作用，適用范圍較廣，結(jié)構(gòu)類型和高度均不受限制o消能減震裝置應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有足夠的附加阻尼，以滿足罕遇地震下預(yù)期的結(jié)構(gòu)位移要求o由于消能減震結(jié)構(gòu)不改變結(jié)構(gòu)的基本形式，除消能部件

3、和相關(guān)部件外，結(jié)構(gòu)設(shè)計仍可按照規(guī)范對相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型的要求執(zhí)行2、消能減震結(jié)構(gòu)的分類、消能減震結(jié)構(gòu)的分類 o位移相關(guān)型消能裝置 o速度相關(guān)型消能裝置 o其他類型的消能裝置 2.1 位移相關(guān)型消能裝置 o鉛阻尼器。鉛阻尼器利用鉛具有密度大、熔點低、塑性高、強(qiáng)度底、耐腐蝕、潤滑能力強(qiáng)等特點，使得該消能器有較高的延性和柔性，在變形過程中可以吸收大量的能量，并有較強(qiáng)的變形綜合能力。同時，通過動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶過程，鉛的組織和性能還可恢復(fù)至變形前的狀態(tài)。鉛消能器類型主要有鉛擠壓阻尼器、鉛剪切阻尼器、鉛節(jié)點阻尼器、異型鉛阻尼器等。 2.1 位移相關(guān)型消能裝置o粘彈性阻尼器。粘彈性阻尼器同時具有彈性剛度和耗能性能

4、。最早的粘彈性阻尼器是美國 3M 公司研制開發(fā)的，它由兩塊 T 型鋼板夾一塊矩形鋼板組成，T 型約束鋼板與中間鋼板間夾有一層粘彈性材料，這層材料的剪切變形與其相對應(yīng)的剪應(yīng)力存在相位差，從而產(chǎn)生剪切滯回特性，增加了結(jié)構(gòu)的阻尼。彈性與粘性都對降低結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)起作用。該消能器目前己得到廣泛的應(yīng)用。近年來開發(fā)出的裝置還有瀝青橡膠組合粘彈性阻尼器、粘彈性橡膠剪切阻尼器、超塑性硅氧橡膠粘彈性剪切消能制震系統(tǒng)、杠桿粘彈性阻尼器等 。2.2 速度相關(guān)型消能裝置 o粘滯流體阻尼器。粘滯流體阻尼器曾廣泛應(yīng)用于軍事和航空領(lǐng)域。目前已在建筑和橋梁的振動控制中得到運(yùn)用，已研制開發(fā)的粘滯流體阻尼器有筒式流體阻尼器、粘性

5、阻尼墻系統(tǒng)、油動式阻尼器等。筒式流體阻尼器一般由缸體、活塞和粘滯流體組成?；钊祥_有小孔，或活塞與筒體之間留有間隙，活塞可在充有硅油或其它粘滯流體的缸筒內(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，或從活塞與筒體之間的間隙中通過，對兩者的相對運(yùn)動產(chǎn)生阻力，從而耗散能量。 2.2 速度相關(guān)型消能裝置o電磁流體阻尼器。電流(ER)變流體和磁流變(MR)流體是 20 世紀(jì) 80 年代末興起的兩類性能極為相似的可控流體。其流體效應(yīng)可用電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度有效地控制。這些智能材料用于結(jié)構(gòu)減震的主要原理是它根據(jù)動力傳感器測得的結(jié)構(gòu)瞬時振動狀態(tài)，由 ER(MR)智能可調(diào)參數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的智

6、能可調(diào)阻尼器在各瞬態(tài)時調(diào)整參數(shù)，從而實現(xiàn)減小整個結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。用這些可控流體設(shè)計和制作的消能器具有結(jié)構(gòu)簡單，所需驅(qū)動功率小，反應(yīng)迅速等特點，而且可和其它減震機(jī)構(gòu)串、并聯(lián)使用，以提高功效。 2.3 其他類型的消能裝置 o復(fù)合型阻尼器。復(fù)合型阻尼器是利用兩種或兩種以上的消能元件或消能機(jī)制設(shè)計而成的新型消能減震裝置。已研制開發(fā)的一些復(fù)合消能器有彈塑性-摩擦型阻尼器、彈塑性-粘彈性阻尼器、摩擦-粘彈性阻尼器、鉛粘彈性阻尼器、流體-粘彈性阻尼器等。 2.3 其他類型的消能裝置o調(diào)頻質(zhì)量和調(diào)頻液體阻尼器。又稱 TMD 和 TLD。TMD是在結(jié)構(gòu)中增設(shè)裝有附加質(zhì)量塊的外加機(jī)構(gòu)，使其自振頻率與結(jié)構(gòu)自振頻

7、率基本一致，利用共振原理，將外激勵的能量消耗在外加機(jī)構(gòu)中的質(zhì)量塊的運(yùn)動上，從而達(dá)到減震的目的。TLD 除了具有 TMD 的功能外，還要求通過增設(shè)在結(jié)構(gòu)上的容器中的液體的運(yùn)動來消耗和吸收振動能量，從而達(dá)到減震的目的。這兩種裝置較簡單，易于實施，但是減震效果受限，對結(jié)構(gòu)自振頻率的估計精度要求很高。 2.3 其他類型的消能裝置o設(shè)置耗能桿件。在結(jié)構(gòu)中設(shè)置一些耗能支撐、隅撐或一些附屬構(gòu)件，當(dāng)?shù)卣鹱饔脮r，利用這些構(gòu)件的滯回耗能性能消耗一部分地震能量以減弱主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。這些構(gòu)件在地震后產(chǎn)生一定程度的損壞，但其更換方便，維護(hù)成本低廉，因而也是一種耗能的重要方式。 3、消能減震結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用、消能減

8、震結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用 o 消能減震結(jié)構(gòu)步前已獲得廣泛的應(yīng)用，但各種消能減震裝置有其各自的特點和適應(yīng)的范圍。3、消能減震結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用、消能減震結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用o速度相關(guān)型消能器如粘滯流體阻尼器適用各種相對位移情況，其阻尼力與相對運(yùn)動速度的相關(guān)關(guān)系，在相對運(yùn)動速度不大600mm/s 及相對運(yùn)動頻率不大于3Hz 的工作狀態(tài)下非常穩(wěn)定，其對支撐剛度的要求是與阻尼力的大小，期望阻尼器耗能的起始行程狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的，與結(jié)構(gòu)的層間剛度不直接相關(guān)它的耗能性能及耐疲勞性能較好，較大的溫差環(huán)境溫度對其阻尼力大小有些輕微影響但目前對其耗能性能的耐久性尚無可靠數(shù)據(jù)說明，即是說位于室內(nèi)正常環(huán)境下，經(jīng)年或更長時間后的

9、耗能性能的變化情況尚無可靠資料證明。 3、消能減震結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用、消能減震結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用o對于金屬阻尼器，存在疲勞斷裂問題，如要求小震下起作用則對支撐剛度要求較高，通常適用于相對位移不太大的情況；摩擦阻尼器在小震情況下基本無耗能作用，只有剛度貢獻(xiàn)，且對于預(yù)壓應(yīng)力的精度要求較高；對于鉛阻尼器應(yīng)考慮鉛對環(huán)境的污染，同樣只適用相對位移不太大的情況；粘彈性阻尼器的缺陷是其儲存模量與損失模量的特性，與溫度變化和阻尼器相對剪切變形的頻率密切相關(guān)溫度高時模量降低，故而耗能特性降低，但其模量是隨著頻率增高而增大，但該兩模量的比值卻對溫度變化和加載頻率不敏感；3、消能減震結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用、消能減震結(jié)構(gòu)

10、在工程中的應(yīng)用o5.12大地震后首個消能減震加固工程(使用粘滯阻尼器)o摩擦消能器在加固工程中的應(yīng)用 o粘彈性消能器在加固工程中的應(yīng)用 3.1 3.1 工程實例工程實例1 1o都江堰市北街小學(xué)試驗外國語學(xué)校藝術(shù)大樓,為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),框架層數(shù)為5層,總高度18m。按照7度抗震設(shè)防,但在5.12特大地震中,原結(jié)構(gòu)還是遭到了破壞,1層柱柱頂受損(圖1),1,2層墻體出現(xiàn)裂縫(圖2),局部墻體破碎,局部樓梯構(gòu)件受損。 通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震驗算,發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)多數(shù)梁柱不滿足抗震要求,如果逐個構(gòu)件采用傳統(tǒng)加固方法進(jìn)行加大截面,將帶來很大的工程量和較長的施工工期。同時,加大柱子截面,將減小建筑的使用面積,

11、最后通過論證,提出采用消能減震加固技術(shù)對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固的方案。首先加固受損柱頂,對節(jié)點區(qū)域混凝土鑿面,剔除損壞部位破損的混凝土,并用吹風(fēng)機(jī)吹凈混凝土表面粉塵,然后采用比原結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級高一級的C35混凝土修補(bǔ)料對混凝土破壞的節(jié)點進(jìn)行修補(bǔ)找平,再對節(jié)點采用外包鋼法對節(jié)點做加固處理(圖3,4)。最后,用錨栓將鋼板固定在柱子上(圖5)。圖1、一層柱柱頂受損圖2、墻體出現(xiàn)裂縫圖3、節(jié)點包鋼注膠加固 圖4、節(jié)點加固施工 圖5、錨栓固定鋼板 工程實例工程實例1 1o該加固工程使用的消能裝置是上海材料研究所研制開發(fā)的粘滯阻尼器(圖6),粘滯性阻尼器是消 能減震控制技術(shù)中的一種消能裝置,被安裝于結(jié)構(gòu)某

12、部位(如節(jié)點、連接縫或連接件、樓層空間等),在小震作用下,阻尼器處于彈性狀態(tài),給結(jié)構(gòu)提供剛度,結(jié)構(gòu)體系具有足夠的抗側(cè)剛度。在中、強(qiáng)地震作用下,隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的增大,阻尼器進(jìn)入彈塑性狀態(tài),產(chǎn)生較大阻尼力,通過把地震中傳入結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)化為阻尼介質(zhì)的熱能,大量消耗傳入結(jié)構(gòu)中的地震能量,以確保主體結(jié)構(gòu)在中、強(qiáng)震中的安全使用。圖6、粘滯阻尼器構(gòu)造示意 工程實例工程實例1 1o該5層樓加固工程共用20個粘滯阻尼器,最大出力為700kN(表1)。根據(jù)消能器的布置原則和振型分解反應(yīng)譜法計算的樓層位移角確定:在1層安裝10個型號為KZ2700Sx100X的粘滯阻尼器和4個型號KZ2700Sx100F的粘滯阻尼

13、器(圖7);圖7、1層阻尼器布置結(jié)構(gòu)平面工程實例工程實例1 1o在2層安裝4KZ2700Sx100X的粘滯阻尼器和4個型號為KZ2700Sx100F的粘滯阻尼器(圖8）。根據(jù)計算結(jié)果,支撐采用字形(圖9)、斜拉(圖10)的鋼支撐。圖8、2層阻尼器布置結(jié)構(gòu)平面圖9、字形支撐圖10、斜拉支撐工程實例1o該學(xué)校使用粘滯阻尼器來消能減震,加固因地震受損房屋在我國還是首次。本次加固費用約為160萬元;而進(jìn)行傳統(tǒng)加固至少要對基礎(chǔ)和13層共32根柱子做截面加大處理,每根柱子加固費用大約為5萬元,另傳統(tǒng)加固過程中損壞的墻體樓面板以及水電管線等恢復(fù)費用約為20萬元,總計費用預(yù)計約為180萬元。采用粘滯性阻尼器加

14、固節(jié)省了不低于10%的費用。而且使用阻尼器技術(shù)加固,不會壓縮房屋使用面積,拆除工作量小,施工干擾性小且周期短,基本上終身不用維護(hù)。 安裝阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu),將有效減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),使結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過大的振動,確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞倒塌。在將安全度提高一度的情況下,主體結(jié)構(gòu)的截面尺寸也不用增加,結(jié)構(gòu)體系的安全度仍能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求,可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益,可降低造價10%20%。在相同的結(jié)構(gòu)體系下,安裝粘滯阻尼器可大大提高結(jié)構(gòu)的可靠度。本項目的工程中,雖僅安裝了少量阻尼器(20個),但減震效果明顯,且使結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度成功提高一度。3.2 工程實例2o聯(lián)邦電子科研大樓位于加拿大首都渥太華,它建于1

15、993年,在2003年增加了1層。這是一幢3層的混凝土框架結(jié)構(gòu)的建筑,帶有1層的地下室?；趯镞呏匾目蒲性O(shè)備裝置的安全考慮,工程人員決定采用摩擦耗能支撐對其進(jìn)行加固。摩擦支撐的布置如圖11所示,在兩條斜支撐的交點處共安裝23個滑移為300kN的摩擦耗能器(圖12)。摩擦耗能器的使用使整個加固工程變得很經(jīng)濟(jì),而且這些阻尼器可以吸收地震能量,保護(hù)建筑及其里面的設(shè)備。圖11、三位分析模型中摩擦阻尼支撐的布置圖12、摩擦耗能器在安裝過程和安裝完成3.3 工程實例3o潮汕星河大廈位于汕頭市金環(huán)路東側(cè),總建筑面27976.8平米 ,地下1層,地上總高度98.70米。分塔樓和裙房兩部分,裙樓4層,塔樓2

16、5層(設(shè)計22層,后加3層)。結(jié)構(gòu)平面形狀為橢圓形。結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)體系為核心剪力墻筒外框架體系。 潮汕星河大廈由于原設(shè)計為22層,施工至12層時,業(yè)主提出增加3層,結(jié)構(gòu)變?yōu)?5層。工程實例3o經(jīng)初步設(shè)計分析,Y方向在小震作用下,結(jié)構(gòu)的層間位移個別樓層不滿足建筑抗震設(shè)計規(guī)范和高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的要求,經(jīng)采用傳統(tǒng)加固方案和采用消能減震加固方案對比分析后,確定采用消能減震加固方案。 本工程的耗能部件采用由廣州大學(xué)周云教授研制的復(fù)合型鉛粘彈性阻尼器(圖13)。工程實例3o根據(jù)耗能支撐的布置原則和振型分解反應(yīng)譜法計算的層間變形確定: 在第4,6,7,11,16,20,24層安

17、裝阻尼器,每層4個,對稱布置。第6,7層阻尼器安裝于4軸及7 軸,其余安裝于5軸及6軸。圖14為阻尼器結(jié)構(gòu)布置平面圖。阻尼器連接放置做法見圖15。圖13、復(fù)合型鉛粘彈性阻尼器 圖14、阻尼器布置結(jié)構(gòu)平面 圖15、阻尼器安裝立面 工程實例3o加固工程在采用了28個復(fù)合型鉛粘彈性阻尼器后,結(jié)構(gòu)的阻尼比由5%增大至11%,最大層間位移角由1/740減小至1/893,滿足高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程所規(guī)定的框架剪力墻結(jié)構(gòu)的最大層間位移角限值。復(fù)合型鉛粘彈性阻尼器能有效地增加結(jié)構(gòu)的阻尼比,減小結(jié)構(gòu)的層間位移,達(dá)到了減震的目的。 該工程是國內(nèi)高層鋼鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)中安裝阻尼器的第一個工程,也是采用消能減震

18、技術(shù)進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)加層的第一個工程。4、消能減震加固在災(zāi)后重建加固中的特殊、消能減震加固在災(zāi)后重建加固中的特殊優(yōu)越性優(yōu)越性o建筑結(jié)構(gòu)本身是一個整體,當(dāng)其抗震設(shè)防烈度需要提高一度的時候,不滿足要求的就是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度?？蛇x用的加固方法有傳統(tǒng)的加固方法和消能減震加固方法等。 選用傳統(tǒng)的加固方法進(jìn)行加固,則要對整個建筑結(jié)構(gòu)的梁柱截面進(jìn)行加固,如果僅加固個別樓層的梁柱,則容易造成剛度的突變,在不加固的樓層形成薄弱環(huán)節(jié),則結(jié)構(gòu)整體的抗震性能提高得不顯著 或者達(dá)不到設(shè)防烈度提高一度的目的。也就是說,形成了“木桶效應(yīng)”。4、消能減震加固在災(zāi)后重建加固中的特殊、消能減震加固在災(zāi)后重建加固中的特殊優(yōu)越性優(yōu)越性

19、o對整個樓的梁柱進(jìn)行增加強(qiáng)度和剛度,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度,結(jié)構(gòu)更“剛”了,則結(jié)構(gòu)在地震中吸收的地震能量就更多。也就是說,形成了一定范圍內(nèi)的惡性循環(huán),勢必要大幅度地提高加固成本。傳統(tǒng)加固方法主要通過加大截面、增設(shè)墻體、粘貼鋼板等方法提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,以“硬抗”為主,通常需要加強(qiáng)基礎(chǔ),構(gòu)件截面的加大壓縮使用空間,施工周期長,干擾性大,材料用量大,人工費用高。4、消能減震加固在災(zāi)后重建加固中的特殊、消能減震加固在災(zāi)后重建加固中的特殊優(yōu)越性優(yōu)越性o選用消能減震加固技術(shù)對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點,可以在某些控制部位加阻尼器,阻尼器系統(tǒng)僅是整個結(jié)構(gòu)的一個附屬系統(tǒng),可以顯著改善結(jié)構(gòu)的動力特性,是一種局部加固,整體性能提高的加固方法。是一種“柔中帶剛”的減震加固思路,與原結(jié)構(gòu)相比,加固后的結(jié)構(gòu)在地震中吸收的地震能量并沒有顯著的增加,阻尼器在結(jié)構(gòu)中發(fā)揮其吸收地震能量減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的作用而且不增加結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。4、消能減震加固在災(zāi)后重建加固中的特殊、消能減震加固在災(zāi)后重建加固中的特殊優(yōu)越性優(yōu)越性o消能減震加固方法主要通過附加的耗能裝置改變結(jié)構(gòu)的動力特性,在大震作用下消耗地震能量,以“柔”克剛