建筑消能減震設(shè)計(jì)技術(shù)及工程實(shí)例講解

消能減震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用介紹主要內(nèi)容:1.

位移型消能器、速度型消能器性能2.

消能減震結(jié)構(gòu)的工程抗震力學(xué)意義3.

消能減震結(jié)構(gòu)的消能器優(yōu)化布置4.

消能減震結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用實(shí)例位移型消能器、速度型消能器性能1、傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)2、結(jié)構(gòu)控制(1)

主動(dòng)控制(2)

被動(dòng)控制a)隔震b)TMD，TLD(人激勵(lì)、風(fēng)振)c)能量耗散(消能減震)被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)的力學(xué)裝置與構(gòu)件減震結(jié)構(gòu)附加力學(xué)裝置減震構(gòu)件被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)能量消耗裝置黏滯阻尼器黏滯阻尼構(gòu)件(黏滯、油、黏彈性)塑性滯回裝置塑性滯回構(gòu)件(軟鋼、鉛、摩擦)附加質(zhì)量裝置TMD裝置等減震結(jié)構(gòu)構(gòu)成單元的定義主結(jié)構(gòu)減震結(jié)構(gòu)消能部件消能器+支承構(gòu)件6日本的減震結(jié)構(gòu)中阻尼器比例不明

4%その他

2%質(zhì)量系9%摩擦系7%黏弾性

5%黏滯17%油13%軟鋼43%能量耗散裝置類型分類：1. 位移相關(guān)型阻尼器金屬消能器:

主要為金屬屈服消能器和BRB（屈曲約束支撐）摩擦消能器:

PALL型摩擦裝置（板式摩擦阻尼器）、雙向摩擦消能器、Sumitome型摩擦消能器、筒制振器、摩擦剪切鉸消能器等鉛阻尼器:鉛擠壓阻尼器、鉛剪切阻尼器、鉛節(jié)點(diǎn)阻尼器、異型鉛阻尼器等黏彈性阻尼器:瀝青橡膠組合黏彈性阻尼器、黏彈性橡膠剪切阻尼器、超塑性硅氧橡膠黏彈性剪切阻尼制震系統(tǒng)、杠桿黏彈性阻尼器等加勁X型軟鋼阻尼器(ADAS)X-shapes ADAS開孔式軟鋼加勁消能器改進(jìn)的軟鋼阻尼器（HADAS）HADAS試驗(yàn)照片ADAS滯回特性屈曲約束支撐屈曲約束支撐構(gòu)造示意圖普通支撐與屈曲約束支撐的受力性能比較屈曲約束支撐的幾種典型的截面形式屈曲約束支撐的幾種典型的截面形式屈曲約束支撐生產(chǎn)情況薄弱點(diǎn)屈曲約束支撐滯回曲線低屈服點(diǎn)剪切鋼板消能器試驗(yàn)A.

典型黏彈性阻尼器加載頻率0.5Hz，剪切加載位移45mm。缺點(diǎn)：1、溫度變化影響阻尼力大小；2、單個(gè)阻尼力小。2.

速度相關(guān)型阻尼器試驗(yàn)情況f=0.7,n=60,d=40mm

No.5096004002000-402040-20

0-200-400-600Disp.(mm)Force(kN)Horizontal

Load(kN)800.0

700.0

600.0

500.0

400.0

300.0

200.0

100.0

0.0

0.0

50.0

100.0 150.0 200.0 250.0

300.0

HorizontalVel(mm/s)實(shí)測值 115%理論值 85%理論值B.

黏滯流體阻尼器筒式流體阻尼器一般由缸體、活塞和黏滯流體組成。筒體黏滯流體阻尼器結(jié)構(gòu)簡圖(1)油缸蓋活塞導(dǎo)桿油缸阻尼孔 液壓油 副缸黏滯流體阻尼器結(jié)構(gòu)簡圖Kd1Kd2CdKd粘滯阻尼器構(gòu)造圖及分析模型單耳環(huán)鉸座缸體堵 介質(zhì) 活塞 活塞桿

堵單耳環(huán)鉸座DL阻尼器機(jī)構(gòu)圖f=0.7,n=60,d=40mm

No.5096004002000-40-20400 20-200-400-600Disp.(mm)Force(kN)

dd1 d

2K

Kd1

Kd

2

K

K阻尼力性質(zhì)F C Sgn(V)V

d vFd－阻尼力；Cv－阻尼系數(shù)；V－阻尼器活塞相對運(yùn)動(dòng)速度；α－阻尼器速度指數(shù)。阻尼力公式阻尼器的位移－阻尼力曲線-70-60-40-300-200-1000100-30(mm)f=1.5hzF(kN)300200-50Displacement-70-60-40-300-200-1000100200-30(mm)f=0.8hzF(kN)

300-50Displacement雙阻尼器支撐詳圖黏滯阻尼器及其耗能滯回環(huán)f=0.7,n=60,d=40mm

No.5092000

-40-2002040-200-400-600Disp.(mm)Force(kN)同濟(jì)大學(xué)土木學(xué)院阻尼器性能

600400上海世茂廣場裝的阻尼器—主樓與裙房之間的連接消能支撐照片(3)消能支撐照片(4)都江堰中學(xué)減震加固單斜、人字支撐節(jié)點(diǎn)連接黏滯阻尼墻?基本原理：利用流體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼力?材料：阻尼液（烴類高分子材料）?基本特性：速度比例性?依存性：溫度依存性黏滯阻尼墻特性（和防屈曲支撐相比）循環(huán)性能好→對于持續(xù)時(shí)間長，循環(huán)次數(shù)多的地震也十分有效產(chǎn)品形狀類似建筑剪力墻→設(shè)置方便，不妨礙使用。單個(gè)產(chǎn)品噸位大（～400T）→集中設(shè)置，減少設(shè)置位置。黏滯阻尼墻?基本原理：利用流體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼力?材料：阻尼液（烴類高分子材料）?基本特性：速度比例性?依存性：溫度依存性黏滯阻尼墻特性（和防屈曲支撐相比）循環(huán)性能好→對于持續(xù)時(shí)間長，循環(huán)次數(shù)多的地震也十分有效產(chǎn)品形狀類似建筑剪力墻→設(shè)置方便，不妨礙使用。單個(gè)產(chǎn)品噸位大（～400T）→集中設(shè)置，減少設(shè)置位置。黏滯阻尼墻構(gòu)造The

NANBA

Park

Tower阻尼墻情況黏滯阻尼墻The

NANBA

Park

Tower阻尼墻情況黏滯阻尼墻試驗(yàn)0.5Hz(10,20,30mm)38剪切板、BRB(屈曲約束支撐)安裝示意阻尼器現(xiàn)場安裝照片J-3試件基本信息節(jié)點(diǎn)區(qū)2節(jié)點(diǎn)區(qū)3節(jié)點(diǎn)區(qū)1剪切板：芯材高度400mm，最大抗剪承載力約500kN。通常試驗(yàn)是低速在反力架中進(jìn)行檢驗(yàn)剪切板阻尼器在高速偽動(dòng)力試驗(yàn)下表現(xiàn)金屬阻尼器力學(xué)檢測概況1）力學(xué)性能測試：檢驗(yàn)阻尼器的屈服承載力、最大承載力、屈服位移、極限位移、延性系數(shù)、彈性剛度、第二剛度（屈服后剛度）、滯回曲線以及耗能能力。2）疲勞性能測試：檢驗(yàn)阻尼器的耐疲勞特性（30圈循環(huán)加載）。檢測方案：試驗(yàn)序號(hào)加載頻率(Hz)加載位移(mm)循環(huán)次數(shù)加載波形0020.05±42正弦波0030.05±82正弦波0040.05±122正弦波0070.05±2030正弦波0090.05±402正弦波0100.05±502正弦波0110.05±5030正弦波50t金屬屈服型阻尼器基本性能試驗(yàn)曲線-100-200-300-4000-5

-4

-3

-2

-1

012345阻尼力/kN400300200100位移/mm±4mm位移加載±8mm位移加載±12mm位移加載-500-400-300-200-1000100200300400500阻尼力/kN位移/mm-30-25-20-15

-10

-5 0 5 10152025

30±20mm位移加載-600-500-400-300-2000100200300400500600-50

-40

-30

-20

-10

0-10010

20

30

40

50位移/mm阻尼力/kN±40mm位移加載-600-500-400-300-2000100200300400500600-60

-50

-40

-30

-20

-10-100

010

20

30

40

50

60阻尼力/kN位移/mm±50mm位移加載4003002001000位移/mm5 -20 -15 -10 -5-10010 15 20 2-200-300-400±20mm位移疲勞加載試驗(yàn)50t金屬屈服型阻尼器產(chǎn)品疲勞性能試驗(yàn)曲線第三十圈

第一圈阻尼力/kN第三十圈位移/mm50 60

第一圈誤差約為14.5%阻尼力/kN6005005004003002001000-2055-60-50-40-30-20-10010203040-100-200-300-400-500-500-600±50mm位移疲勞加載試驗(yàn)Fd

r

k

d

1

r

y

z010020030050070001020405060阻尼力/kN位移/mm平均屈服位移加載曲線最小屈服位移加載曲線最大屈服位移加載曲線平均值+15%600最大設(shè)計(jì)屈服點(diǎn)平均值-15%400平均設(shè)計(jì)屈服點(diǎn)最小設(shè)計(jì)屈服點(diǎn)300.10 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40屈服

0.09后

0.08剛

0.07度

0.06比

0.050.040.030.020.010加44載4位8

移5/2mm50t金屬屈服型阻尼器屈服后剛度比曲線50t金屬屈服型阻尼器產(chǎn)品檢測結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明試件的全部測試值均滿足或超過國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑消能阻尼器》（JG/T

209-2012）中有關(guān)金屬屈服型阻尼器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。500kN金屬屈服型消能器檢測結(jié)果產(chǎn)品型號(hào)MYD-S×450×3最大設(shè)計(jì)屈服承載力(kN)450最小設(shè)計(jì)屈服承載力(kN)173平均設(shè)計(jì)屈服承載力(kN)325最大承載力(kN)552最大設(shè)計(jì)屈服位移(mm)3.0最小設(shè)計(jì)屈服位移(mm)1.15平均設(shè)計(jì)屈服位移(mm)2.15極限位移(mm)（最大設(shè)計(jì)屈服位移的16倍，最小設(shè)計(jì)屈服位移的40倍）50（可經(jīng)受30次循環(huán)加載）彈性剛度(kN/mm)150屈服后剛度(kN/mm)1.67屈服剛度比(0.011)0.011疲勞試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)位移50mm下Nt≧30次循環(huán)要求四大類阻尼器歸納油阻尼器F

CuF

u曲線：橢圓油節(jié)流阻抗型筒型F

CuF

u曲線：橢圓+四邊形高分子化合物剪切、流動(dòng)阻抗型平面型、多層型、筒型黏滯阻尼器黏彈性阻尼器F

K()u

C()uF

u曲線：傾斜橢圓丙烯、二烯等化合物剪切阻抗型平面型、筒型軟鋼、摩擦阻尼器F

Kf

(u)F

u曲線：雙線性鋼材、鉛、摩擦塑性滯回阻抗型平面型、筒型試驗(yàn)加載視頻層間位移角為1/47試驗(yàn)加載視頻層間位移角1/50試驗(yàn)加載視頻層間位移角1/403、剪切變形軟鋼消能器性能研究芯材高度400mm，最大抗剪承載力約500kN。試驗(yàn)加載工況注：J1每個(gè)加載工況進(jìn)行3個(gè)加載循環(huán)，J2、J3每個(gè)加載工況進(jìn)行5個(gè)加載循環(huán)。受試驗(yàn)室加載設(shè)備能力限制，在試驗(yàn)前利用千斤頂和反力架在試件的兩柱頂分別施加300kN的壓力并力爭在試驗(yàn)過程中保持不變。柱的軸壓比約為0.147。試驗(yàn)中采用正弦波加載，通過位移控制，具體的加載工況如下表所列。加載工況加載頻率(Hz)10.8加載位移(mm)2481016202428323640加載速度(mm/s)13255063101126151141161181200加載頻率(Hz)0.70.640.580.530.490.450.4加載位移(mm)45505560657080加載速度(mm/s)198200200200200198（僅J1）200（僅J3）滯回曲線對比對三個(gè)試件分別取梁右端與地面的相對位移為橫坐標(biāo)，取作動(dòng)器出力為縱坐標(biāo)有：-1000-800-600-400-20002004006008001000-80-60-40-200204060力/kN位移剪切板加載65m斜撐型加載65mm,f=0.49Hzm,f=0.49Hz人字撐加載65mm,f=0.49Hzδ=61mm，f=0.49Hz，v=188

mm/s，θ=1/47-1000-800-600-400-2000200400600800100080

-80-60-40-20020406080力/kN位移剪切板加載60m斜撐型加載60mm,f=0.53Hzm,f=0.53Hz人字撐加載60mm,f=0.53Hzδ=56mm，f=0.53Hz，v=186mm/s，θ=1/51黏滯阻尼器最斜向撐型δ1=34大位移mm人字撐型δ2=31mm黏滯阻尼器最斜向撐型δ1=31大位移mm人字撐型δ2=29mmδ=51mm，f=0.58Hz，v=186mm/s，θ=1/56δ=45mm，f=0.64Hz，v=181mm/s，

θ=1/64-1000-800-600-400-20002004006008001000-80-60-40-20020406080力/kN位移剪切板加載55m斜撐型加載55mm,f=0.58Hzm,f=0.58Hz人字撐加載55mm,f=0.58Hz-1000-800-600-400-20002004006008001000-80-60-40-20020406080力/kN位移剪切板加載50m斜撐型加載50mm,f=0.64Hzm,f=0.64Hz人字撐加載50mm,f=0.64Hzδ=41mm，f=0.7Hz，v=180mm/s，

θ=1/70δ=36mm，f=0.8Hz，v=181mm/s，

θ=1/80-1000-800-600-400-20002004006008001000-80-60-40-20020406080力/kN位移剪切斜撐板加載45m型加載45mm,f=0.7Hzm,f=0.7Hz人字撐加載45mm,f=0.7Hz-1000-600-800-400-20002004006008001000-60-40-200204060力/kN位移剪切板加載40mm,f=0.8Hz斜撐型加載40mm,f=0.8Hz人字撐加載40mm,f=0.8Hz尼器最大位移黏滯阻斜向撐

型δ1=28mm2人字撐

型δ

=27mm黏滯阻斜向撐尼器最型δ

=25大位移mm人字撐1型δ2=24mm黏滯阻斜向撐尼器最大位移型δ

=22mm人字撐1型δ2=21mm黏滯阻尼器最大位移=19mm斜向撐型δ1人字撐型δ2=18mmδ=32mm，f=0.8Hz，v=161mm/s，

θ=1/90δ=28mm，f=0.8Hz，v=141mm/s，

θ=1/102δ=24mm，f=0.8Hz，v=121mm/s，

θ=1/120δ=21mm，f=1Hz，v=132mm/s，

θ=1/137-1000-800-600-400-20002004006008001000-60-40-200204060力/kN位移剪切板加斜撐型加載36mm,f=0.8載36mm,f=0.8HzHz人字撐加載36mm,f=0.8Hz-1000-800-600-400-20002004006008001000-60-40-200204060力/kN位移剪切板加斜撐型加載32mm,f=0.8載32mm,f=0.8HzHz人字撐加載32mm,f=0.8Hz-1000-800-600-400-20002004006008001000-60-40-200204060力/kN位移剪切板加斜撐型加載28mm,f=0.8載28mm,f=0.8HzHz人字撐加載28mm,f=0.8Hz-1000-800-600-400-20002004006008001000-30-20-100102030力/kN位移剪切板加載24mm,f=1Hz斜撐型加載24mm,f=1Hz人字撐加載24mm,f=1Hz器最大位移黏滯阻尼斜向撐型δ1=16mm人字撐型δ2=16mmV=80.4mm/sFd=521kN移黏滯阻尼斜向撐型器最大位δ1=13mm人字撐型V=65.3mδ2=13mmm/sFd=505kN黏滯阻尼器斜向撐型δ1最大位移=11mm人字撐型δ2=11mmsVF=55.3mm/d=343kN黏滯阻尼器最大位移斜向撐型δ1=9mm人字撐型δ2=9mmV=56.5mm/sFd=494kNδ=12mm，f=1Hz，v=75mm/s，

θ=1/239δ=7mm，f=1Hz，v=44mm/s，

θ=1/410δ=5.5mm，f=1Hz，v=35mm/s，

θ=1/522δ=2mm，f=1Hz，v=12.6mm/s，

θ=1/1435-1000-800-600-400-20002004006008001000-30-20-100102030力/kN位移剪切板加載16mm,f=1Hz斜撐型加載16mm,f=1Hz人字撐加載16mm,f=1Hz-1000-800-600-400-20002004006008001000-30-20-100102030力/kN位移剪切板加載10mm,f=1Hz斜撐型加載10mm,f=1Hz人字撐加載10mm,f=1Hz-400-300-200-1000100200300400-10

-8-6-4-202 468 10力/kN剪切板加載8mm,f=斜撐型加載8mm,f=1Hz1Hz人字撐加載8mm,f=1Hz-400-300-200-1000100200300400-10

-8-6-4-202468 10力/kN位移剪切板加載4mm,f=斜撐型加載4mm,f=1Hz1Hz人字撐加載4mm,f=1Hz黏滯阻尼器最大位移斜向撐型δ1=3mm人字撐型δ2=3mmV=18.8mm/sFd=418kN黏滯阻尼器斜向撐型δ1最大位移=1.4mm人字撐型δ2=1.2mmVF=8.8mm/sd=374kN黏滯阻尼器最位移大位移1斜 向撐型δ

=0.8mm人 字撐型δ2=0.8mmV=Fd5mm/=343ksN消能器力學(xué)性能比較：金屬消能器（位移相關(guān)型）：小震下剛度較大，可以耗能（但BRB不能耗能）。耐久性好，大震過后可能要置換，位移行程受到一定約束。黏滯阻尼器（速度相關(guān)型）：小震下剛度貢獻(xiàn)小，可以耗能（但是要考慮間隙）。耐久性受到一定約束（30-40年），位移行程不受限制。兩種阻尼器到大震（大位移情況下）時(shí)，減震效果基本一致。三個(gè)消能框架試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思考：1、在大震位移激勵(lì)下，三個(gè)試件的滯回曲線形狀相近。金屬消能器、黏滯消能器在大震下具有近似相同的耗能能力。2、黏滯阻尼器的連接大多數(shù)是軸銷、螺栓方式，存在一定的間隙誤差，阻尼器活塞桿位移小于框架的實(shí)測位移。這種誤差在框架小震位移下對耗能滯回圈形狀影響較大。但是目前計(jì)算軟件考慮不了這種間隙。3、既然大震下的兩種類型消能器耗能終極結(jié)果基本一致，小震位移下軸銷、螺栓連接間隙影響在計(jì)算中無法模擬，為此建議參照隔震設(shè)計(jì)的減震系數(shù)概念，采用基本烈度下消能器的耗能產(chǎn)生的有效阻尼比作為評(píng)價(jià)消能減震結(jié)構(gòu)的基本附加有效阻尼比。4、金屬消能器大多數(shù)采用焊接接頭，連接間隙較小，但是由于鋼材力學(xué)特性，小震下金屬消能器基本不耗能或耗能很小，如果小震下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)計(jì)算不把中震下得到的有效阻尼效果計(jì)入似乎過于保守。4、連接節(jié)點(diǎn)可靠性試驗(yàn)開孔U型鋼套法注結(jié)構(gòu)膠，對穿螺栓目的：通過試驗(yàn)檢驗(yàn)非圍套加固措施的可靠性。4、連接節(jié)點(diǎn)可靠性試驗(yàn)安裝鋼板U型鋼套法焊接鋼板，成U型鋼套目的：通過試驗(yàn)檢驗(yàn)非圍套加固措施的可靠性。全包鋼套施工工藝全包鋼套法植入固定鋼板的化學(xué)螺栓安裝鋼板，并在鋼板上預(yù)留排氣孔及灌入孔焊接鋼板成全包鋼套灌入粘結(jié)劑節(jié)點(diǎn)U型鋼套法?

U型鋼套法主要通過設(shè)置在梁側(cè)面和柱側(cè)面的對穿螺栓，以及柱內(nèi)側(cè)的兩個(gè)植筋螺栓來保證阻尼器的阻尼力可以傳遞到結(jié)構(gòu)梁柱上。因此螺栓部分的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。?

鑒于梁柱側(cè)面的螺栓主要承受剪彎作用，參考剪力螺栓群的強(qiáng)度校核，本次試驗(yàn)的螺栓布置滿足強(qiáng)度要求。U型鋼套法J-1試件裂縫分布情況U型鋼套外邊緣處斜裂縫寬度明顯大于鋼板下裂縫連接節(jié)點(diǎn)可靠裂縫較為稀少U型鋼套法J-2試件裂縫分布情況梁上U型鋼套外混凝土被壓碎，梁底縱向鋼筋被壓屈，

U型鋼套使得構(gòu)件薄弱點(diǎn)轉(zhuǎn)移到套外?？偨Y(jié)及分析裂縫對比中可以看出：柱上鋼套、梁上鋼套和阻尼器連接板焊接在一起形成一個(gè)剛度相對原節(jié)點(diǎn)區(qū)較大的一個(gè)剛域，剛域處變形較小，構(gòu)件塑性鉸被轉(zhuǎn)移到梁鋼套外。在無條件安裝圍套情況