結構消能減震技術.docx

結構消能減震技術1、結構消能減震的基本概念 地震發(fā)生時地面震動引起結構物的震動反應，地面地震能量向結構物輸入。結構物接收了大量的地震能量，必然要進行能量轉換或消耗才能最后終止震動反應。消能減震技術是將結構的某些構件設計成消能構件，或在結構的某些部位裝設消能裝置。在風或小震作用時，這些消能構件或消能裝置具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態(tài)，結構具有足夠的側向剛度以滿足正常使用要求；當出現(xiàn)大風或大震作用時，隨著結構側向變形的增大，消能構件或消能裝置率先進入非彈性狀態(tài)，產生較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震或風振能量，使主體結構避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)，且迅速衰減結構的地震或風振反應（位移、速度、加速度等），保護主體結構及構件在強地震或大風中免遭破壞或倒塌，達到減震抗震的目的。 消能部件（消能構件或消能裝置及其連接件）按照不同“構件型式”分為消能支撐、消能剪力墻、消能支承或懸吊構件、消能節(jié)點、消能連接等。 消能部件中的消能器（又稱阻尼器）分為速度相關型如黏滯流體阻尼器、黏彈性阻尼器、黏滯阻尼墻、黏彈性阻尼墻；位移相關型如金屬屈服型阻尼器、摩擦阻尼器等，和其它類型如調頻質量阻尼器（TMD）、調頻液體阻尼器（TLD）等。 采用消能減震技術的結構體系與傳統(tǒng)抗震結構體系相比，具有大震安全性、經濟性和技術合理性。 技術指標：建筑結構消能減震設計方案，應根據(jù)建筑抗震設防類別、抗震設防烈度、場地條件、建筑結構方案和建筑使用要求，與采用抗震設計的設計方案進行技術、經濟可行性的對比分析后確定。采用消能減震技術結構體系的計算分析應依據(jù)建筑抗震設計規(guī)范GB50011 進行，設計安裝做法應遵循國家建筑標準設計圖集建筑結構消能減震(振)設計09SG610-2，其產品應符合建筑消能阻尼器JG/T209 的規(guī)定。 適用范圍：消能減震技術主要應用于高層建筑，高聳塔架，大跨度橋梁，柔性管道、管線(生命線工程)，既有建筑的抗震(或抗風)性能的改善等。 傳統(tǒng)抗震結構體系，容許結構及承重構件(柱、粱、節(jié)點等)在地震中出現(xiàn)損壞結構及承重構件地震中的損壞過程，就是地震能量的“消能”過程。結構及構件的嚴重破壞或倒塌，就是地震能量轉換或消耗的最終完成。結構消能減震體系，就是把結構物的某些非承重構件(如支撐、剪力墻、連接件等)設計成消能桿件，或在結構的某部位(層間空間、節(jié)點、聯(lián)結縫等)裝設消能裝置。在風或小地震時，這些消能構件或消能裝置具有足夠的初紿剛度，處于彈性狀態(tài)，結構物仍具有足夠的側向剛度以滿足使用要求。當出現(xiàn)中、強地震時，隨著結構側向變形的增大消能構件或消能裝置率先進人非彈性狀態(tài)，產生較大阻尼，大量消耗輸人結構的地震能量，使主體結構避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)，并且迅速衰減結構的地震反應(位移、速度、加速度等)，從而保護主體結構及構件在強地震中免遭破壞，確保主體結構在強地震中的安全。 消能減震結構體系與傳統(tǒng)抗震結構體系相對比，具有下述優(yōu)越性：安全性：傳統(tǒng)抗震結構體系實質上是把結構本身及主要承重構件(柱、梁、節(jié)點等)作為“消能”構件。按照傳統(tǒng)抗震設計方法容許結構本身及構件在地震中出現(xiàn)不同程度的損壞。由于地震烈度的隨機變化性和結構實際抗震能力設計計算的誤差，結構在地震中的損壞程度難以控制；特別是出現(xiàn)超烈度強地震時，結構難以確保安全。 消能減震結構體系由于特別設置非承重的消能構件(消能支撐、消能剪力墻等)或消能裝置，它們具有極大的消能能力，在強地震中能率先消耗結構的地震能量，迅速衰減結構的地震反應，并保護主體結構和構件免遭損壞，確保結構在強地震中的安全。 據(jù)我國對消能臧震結構的振動臺試驗(冼巧玲、周福霖、俞公驊，1995)及國外學者完成的振動臺試驗(Pull，1988；Kelly，1990；soong，1992)可知，消能減震結構與傳統(tǒng)抗震結構相對比，其地震反應減少40%60%。 另外，消能構件(或裝置)屬“非結構構件”，即非承重構件，其功能僅是在結構變形過程中發(fā)揮消能作用，而不承擔結構的承載作用，即它對結構的承載能力和安全性不構成任何影響或威脅。所以，消能減震結構體系是一種非常安全可靠的結構減震體系。經濟性：傳統(tǒng)抗震結構采用“硬抗”地震的途徑，通過加強結構、加大構件斷面、加多配筋等途徑中提高抗震性能，因而，抗震結構的造價大大提高。 消能減震結構是通過“柔性消能”的途徑以減少結構地震反應，因而，可以減少剪力墻的設置，減小構造斷面，減少配筋，而其耐震安全度反而提高。據(jù)國內外工程應用總結資料。采用消能減震結構體系比采用傳統(tǒng)抗震結構體系，可節(jié)約結構造價510%。若用于舊有建筑結構的耐震性能改造加固，消能減震加固方法比傳統(tǒng)抗震加固方法，節(jié)省建造價10%60%。技術合理性：傳統(tǒng)抗震結構體系是通過加強結構，提高側向剛度以滿足抗震要求的：但結構越加強剛度越大，地震作用(荷載)也越大只能再加強結構。如此惡性借環(huán)，其結果，除了安全性、經濟性問題外，對于采用高強、輕質材料(強度高、斷面小、剛度小)的高層建筑、超高層建筑、夫跨度結構及橋梁等的技術發(fā)展，造成嚴重的制約。 消能減震結構則是通過設置消能構件或裝置，使結構在出現(xiàn)變形時大量迅速消耗地震能量，保護主體結構在強地震中的安全。結構越高、跨度越大，消能減震效果越顯著。因而，消能減震技術必將成為采用高強輕質材料的高柔結構(超高層建筑、大跨度結構及橋梁等)的合理新途徑。 由于消能減震結構體系有上述優(yōu)越性，已被廣泛、成功地應用于“柔性”工程結構物的減震(或抗風)。一般來說，層數(shù)越多、高度越高、跨度越大、變形越大，消能減震效果越明顯。所以多被應用于下述結構： 高層建筑，超高層建筑；高柔結構，高聳塔架；大跨度橋梁；柔性管道、管線(生命線工程)；舊有高柔建筑或結構物的抗震(或抗風)性能的改善提高。 結構消能減震體系由主體結構和消能構件(或裝置)組成，可按消能構件的不同“構件型式”和消能裝置的不同“消能型式”分類，詳見下圖所示。2、消能構件的不同構造形式 結構消能減震體系中的消能構件(或裝置)，按照其構造形式可以做成： 圖2 消能支撐 消能構件的不同構造形式消能支撐：消能支撐可“代替一般的結構支撐，在抗震(或抗風)中發(fā)揮支撐的水平剛度和消能減震作用。消能支撐可以做成方框支撐、圓框支撐、交叉桿支撐、斜桿支撐、K形支撐、雙K形支撐等。消能剪力墻：消能剪力墻可代替一般結構的剪力墻，在抗震(或抗風)中發(fā)揮剪力墻的水平剛度和消能減震作用。消能剪力墻可做成豎縫剪力墻、橫縫剪力墻、斜縫剪力墻、周邊縫剪力墻、整體剪力墻、分離式剪力墻等。 消能節(jié)點：在結構的梁柱節(jié)點或粱節(jié)點處裝設消能裝置。當結構產生側向位移，在節(jié)點處產牛角度變化、轉動式錯動時消能裝置即發(fā)揮消能減震作用。 消能聯(lián)結：在結構的縫隙處或結構構件之間的聯(lián)結處設置消能裝置。當結構在縫隙或聯(lián)結處產生相對變形時，消能裝置即發(fā)揮消能減震作用。消能支撐或懸吊構件：對于某些線結構(如管道、線路等)，設置各種支撐或懸吊消能裝置。當線結構發(fā)生震動時，支承或懸吊件即發(fā)揮消能減震作用。3、消能裝置的不同消能形式 消能構件中裝設有消能裝置；消能裝置的功能是，當構件(或節(jié)點)發(fā)生相對位移或轉動時，產生較大的阻尼從而發(fā)揮消能減震作用。為了達到最佳消能效果，要求消能裝置提供最大的阻尼，即當構件(或節(jié)點)在力(或彎矩)作用下發(fā)生位移(或轉動)時，所做的功最大。 為了使消能裝置具有較大的消能能力可以采用多種消能形式，一般有下述幾種：摩擦消能：如摩擦消能支撐，摩擦節(jié)點(圖2-6-16)；鋼件(梁、板、棒)非彈性消能裝置(圖2-6-17)；材料塑性變形消能：如擠壓鉛阻尼器(圖2-6-18)；材料粘彈性消能裝置(圖2-6-19)；液體阻尼消能：如液體阻尼泵；混合式：幾種消能形式混臺應用； 2-6-16 摩擦消能裝置 圖2-6-17消能阻尼裝置 圖2-6-18鉛擠壓阻尼器 圖2-6-19 粘彈性材料阻尼裝置結構消能減震的實質是：在結構內設置消能構件(或消能裝置)，它們能為結構提供較大的阻尼，在地震時大量消耗輸入結構的震動能量，有效衰減結構的地震反應。