结构消能减震技术.doc

结构消能减震技术1、结构消能减震的基本概念 地震发生时地面震动引起结构物的震动反应，地面地震能量向结构物输入。结构物接收了大量的地震能量，必然要进行能量转换或消耗才能最后终止震动反应。消能减震技术是将结构的某些构件设计成消能构件，或在结构的某些部位装设消能装置。在风或小震作用时，这些消能构件或消能装置具有足够的初始刚度，处于弹性状态，结构具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求；当出现大风或大震作用时，随着结构侧向变形的增大，消能构件或消能装置率先进入非弹性状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震或风振能量，使主体结构避免出现明显的非弹性状态，且迅速衰减结构的地震或风振反应（位移、速度、加速度等），保护主体结构及构件在强地震或大风中免遭破坏或倒塌，达到减震抗震的目的。 消能部件（消能构件或消能装置及其连接件）按照不同“构件型式”分为消能支撑、消能剪力墙、消能支承或悬吊构件、消能节点、消能连接等。 消能部件中的消能器（又称阻尼器）分为速度相关型如黏滞流体阻尼器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼墙、黏弹性阻尼墙；位移相关型如金属屈服型阻尼器、摩擦阻尼器等，和其它类型如调频质量阻尼器（TMD）、调频液体阻尼器（TLD）等。 采用消能减震技术的结构体系与传统抗震结构体系相比，具有大震安全性、经济性和技术合理性。 技术指标：建筑结构消能减震设计方案，应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求，与采用抗震设计的设计方案进行技术、经济可行性的对比分析后确定。采用消能减震技术结构体系的计算分析应依据建筑抗震设计规范GB50011 进行，设计安装做法应遵循国家建筑标准设计图集建筑结构消能减震(振)设计09SG610-2，其产品应符合建筑消能阻尼器JG/T209 的规定。 适用范围：消能减震技术主要应用于高层建筑，高耸塔架，大跨度桥梁，柔性管道、管线(生命线工程)，既有建筑的抗震(或抗风)性能的改善等。 传统抗震结构体系，容许结构及承重构件(柱、粱、节点等)在地震中出现损坏结构及承重构件地震中的损坏过程，就是地震能量的“消能”过程。结构及构件的严重破坏或倒塌，就是地震能量转换或消耗的最终完成。结构消能减震体系，就是把结构物的某些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件等)设计成消能杆件，或在结构的某部位(层间空间、节点、联结缝等)装设消能装置。在风或小地震时，这些消能构件或消能装置具有足够的初绐刚度，处于弹性状态，结构物仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。当出现中、强地震时，随着结构侧向变形的增大消能构件或消能装置率先进人非弹性状态，产生较大阻尼，大量消耗输人结构的地震能量，使主体结构避免出现明显的非弹性状态，并且迅速衰减结构的地震反应(位移、速度、加速度等)，从而保护主体结构及构件在强地震中免遭破坏，确保主体结构在强地震中的安全。 消能减震结构体系与传统抗震结构体系相对比，具有下述优越性：安全性：传统抗震结构体系实质上是把结构本身及主要承重构件(柱、梁、节点等)作为“消能”构件。按照传统抗震设计方法容许结构本身及构件在地震中出现不同程度的损坏。由于地震烈度的随机变化性和结构实际抗震能力设计计算的误差，结构在地震中的损坏程度难以控制；特别是出现超烈度强地震时，结构难以确保安全。 消能减震结构体系由于特别设置非承重的消能构件(消能支撑、消能剪力墙等)或消能装置，它们具有极大的消能能力，在强地震中能率先消耗结构的地震能量，迅速衰减结构的地震反应，并保护主体结构和构件免遭损坏，确保结构在强地震中的安全。 据我国对消能臧震结构的振动台试验(冼巧玲、周福霖、俞公骅，1995)及国外学者完成的振动台试验(Pull，1988；Kelly，1990；soong，1992)可知，消能减震结构与传统抗震结构相对比，其地震反应减少40%60%。 另外，消能构件(或装置)属“非结构构件”，即非承重构件，其功能仅是在结构变形过程中发挥消能作用，而不承担结构的承载作用，即它对结构的承载能力和安全性不构成任何影响或威胁。所以，消能减震结构体系是一种非常安全可靠的结构减震体系。经济性：传统抗震结构采用“硬抗”地震的途径，通过加强结构、加大构件断面、加多配筋等途径中提高抗震性能，因而，抗震结构的造价大大提高。 消能减震结构是通过“柔性消能”的途径以减少结构地震反应，因而，可以减少剪力墙的设置，减小构造断面，减少配筋，而其耐震安全度反而提高。据国内外工程应用总结资料。采用消能减震结构体系比采用传统抗震结构体系，可节约结构造价510%。若用于旧有建筑结构的耐震性能改造加固，消能减震加固方法比传统抗震加固方法，节省建造价10%60%。技术合理性：传统抗震结构体系是通过加强结构，提高侧向刚度以满足抗震要求的：但结构越加强刚度越大，地震作用(荷载)也越大只能再加强结构。如此恶性借环，其结果，除了安全性、经济性问题外，对于采用高强、轻质材料(强度高、断面小、刚度小)的高层建筑、超高层建筑、夫跨度结构及桥梁等的技术发展，造成严重的制约。 消能减震结构则是通过设置消能构件或装置，使结构在出现变形时大量迅速消耗地震能量，保护主体结构在强地震中的安全。结构越高、跨度越大，消能减震效果越显著。因而，消能减震技术必将成为采用高强轻质材料的高柔结构(超高层建筑、大跨度结构及桥梁等)的合理新途径。 由于消能减震结构体系有上述优越性，已被广泛、成功地应用于“柔性”工程结构物的减震(或抗风)。一般来说，层数越多、高度越高、跨度越大、变形越大，消能减震效果越明显。所以多被应用于下述结构： 高层建筑，超高层建筑；高柔结构，高耸塔架；大跨度桥梁；柔性管道、管线(生命线工程)；旧有高柔建筑或结构物的抗震(或抗风)性能的改善提高。 结构消能减震体系由主体结构和消能构件(或装置)组成，可按消能构件的不同“构件型式”和消能装置的不同“消能型式”分类，详见下图所示。2、消能构件的不同构造形式 结构消能减震体系中的消能构件(或装置)，按照其构造形式可以做成： 图2 消能支撑 消能构件的不同构造形式消能支撑：消能支撑可“代替一般的结构支撑，在抗震(或抗风)中发挥支撑的水平刚度和消能减震作用。消能支撑可以做成方框支撑、圆框支撑、交叉杆支撑、斜杆支撑、K形支撑、双K形支撑等。消能剪力墙：消能剪力墙可代替一般结构的剪力墙，在抗震(或抗风)中发挥剪力墙的水平刚度和消能减震作用。消能剪力墙可做成竖缝剪力墙、横缝剪力墙、斜缝剪力墙、周边缝剪力墙、整体剪力墙、分离式剪力墙等。 消能节点：在结构的梁柱节点或粱节点处装设消能装置。当结构产生侧向位移，在节点处产牛角度变化、转动式错动时消能装置即发挥消能减震作用。 消能联结：在结构的缝隙处或结构构件之间的联结处设置消能装置。当结构在缝隙或联结处产生相对变形时，消能装置即发挥消能减震作用。消能支撑或悬吊构件：对于某些线结构(如管道、线路等)，设置各种支撑或悬吊消能装置。当线结构发生震动时，支承或悬吊件即发挥消能减震作用。3、消能装置的不同消能形式 消能构件中装设有消能装置；消能装置的功能是，当构件(或节点)发生相对位移或转动时，产生较大的阻尼从而发挥消能减震作用。为了达到最佳消能效果，要求消能装置提供最大的阻尼，即当构件(或节点)在力(或弯矩)作用下发生位移(或转动)时，所做的功最大。 为了使消能装置具有较大的消能能力可以采用多种消能形式，一般有下述几种：摩擦消能：如摩擦消能支撑，摩擦节点(图2-6-16)；钢件(梁、板、棒)非弹性消能装置(图2-6-17)；材料塑性变形消能：如挤压铅阻尼器(图2-6-18)；材料粘弹性消能装置(图2-6-19)；液体阻尼消能：如液体阻尼泵；混合式：几种消能形式混台应用； 2-6-16 摩擦消能装置 图2-6-17消能阻尼装置 图2-6-18铅挤压阻尼器 图2-6-19 粘弹性材料阻尼装置结构消能减震的实质是：在结构内设置消能构件(或消能装置)，它们能为结构提供较大的阻尼，在地震时大量消耗输入结构的震动能量，有效衰减结构的地震反应。