浅谈消能减震技术的应用.pdf

2014年2月 ? 第40卷 总第177期 2014年 第1期 Sichuan Building Materials DOI:10. 3969/ j. issn. 1672 -4011. 2014. 01. 035 浅谈消能减震技术的应用 苏 雨, 孙钦杰, 王伸远 (安徽理工大学, 安徽 淮南 232001) 作者简介:苏雨(1987 - ),男,安徽淮南人,在读硕士研究生,主要从 事土木工程结构方向的研究。 摘 要: 本文结合建筑抗震设计规范中的相关内容, 介绍了消能减震技术在国内外的发展概况、 消能减震的基 本原理、 技术特点及应用范围、 消能减震结构体系、 消能 器以及在抗震设计和加固中的应用, 并通过工程应用实例 说明其消能减震作用, 从而为该技术的应用和发展提供参 考。 关键词: 地震; 消能减震; 阻尼器 中图分类号: TU352 1文献标志码: B 文章编号:1672 -4011(2014)01 -0073 -03 1 国内外发展概况 地震是一种突发性的破坏性极强的自然灾害, 罕遇的 大地震会给建筑物及构筑物带来严重的破坏, 造成极大的 人员伤亡和经济财产损失。 而我国是一个地震多发区, 特 大地震也时有发生, 如唐山大地震和汶川大地震; 所以在 建筑结构设计中如何防止地震作用下建筑物的破坏就显得 尤其重要。 消能减震技术是作为一种结构被动控制措施, 从动力 学观点看, 是通过在建筑物的某些部位(如柱间、 剪力墙、 节点、 连接缝、 楼层空间、 相邻建筑物间等)设置消能器以 增加结构阻尼, 从而减少结构在风和地震作用下的反应。 从能量观点来看, 是将地震输入结构的能量引向特别设置 的机构和元件加以吸收和耗散, 从而保护主体结构的安全。 消能减震技术因其效果明显、 构造简单、 造价低廉、 使用 范围广、 维修方便等特点越来越受到国内外学者的重视。 美国是开展消能减震技术研究较早的国家之一。 早在 1972 年竣工的纽约世界贸易中心大厦的双塔楼安装了粘弹 性阻尼器, 有效的控制了结构的风振反应, 增加了人体的 舒适度。 西雅图哥伦比亚大厦(77 层)、匹兹堡大厦(64 层) 等许多工程也采用了该项技术。 日本是应用消能减震技术较多的国家。 日本 Omiya 市 31 层的 Sonic 办公大楼共安装了240 个摩擦阻尼器, 东京的 日本航空公司大楼使用了高阻尼性能阻尼器。 我国自 20 世纪 80 年代起也一直致力于消能减震技术 的研究工作和工程实践应用。 目前, 已经自行研制出了一 些消能减震装置、 提出了一些新型消能减震结构体系、 做 了许多消能装置的力学性能试验研究和减震结构体系的地 震模拟振动台试验研究, 得到了大量富有学术价值的研究 成果, 消能减震技术在我国工程结构中的应用范围和应用 形式越来越广泛。 北京饭店、 北京火车站、 中国革命历史 博物馆、 北京展览馆等的抗震鉴定与加固改造中, 采用了 粘滞流体消能器; 东南大学在宿迁市交通大厦中采用粘滞 性阻尼器进行减震设计。 2 基本原理 传统的结构抗震设计主要致力于保证机构自身具有一 定的强度、 刚度和延性, 以满足一定的抗震设计要求。 事 实表明, 在大震作用下, 结构主体经常会产生不可修复的 损伤甚至破坏, 造成的损失是巨大的、 难以接受的。 这种 仅靠自身性质抗震的结构在地震作用中处于被动受力状态, 因此是一种消极的抗震方式。 为使结构更有效地抵抗地震 作用, 以隔震、 减震为技术特点的技术逐渐发展起来, 并 且许多设备都已在现实结构特别是地震区建筑和超高层建 筑中得到广泛的应用。 结构消能减震体系是把结构物的某些非承重构件(如支 承, 剪力堵, 连接件等)设计成消能杆件, 或在结构的某部 位(层间空间, 结点, 联接缝等)装设阻尼器(目前主要有: 摩擦阻尼器、 软钢阻尼器、 铅阻尼器、 粘弹性阻尼器、 调 谐液体阻尼器、 调谐质量阻尼器等)。 在风或小震作用下, 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, 结构物仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。 当 出现中、 大地震时, 消能构件或装置率先进入消能状态, 其消耗的能量可占输入结构的地震能量的 90%, 从而保护 主体结构及构件在强烈地震中免遭破坏。 根据震动台试验 可知, 消能减震结构与传统抗震结构, 其地震反应减少 40% 60%。 消能减震有阻尼减震和吸能减震两种方式。 基本原理: 在消能减震结构体系中, 消能(阻尼)装置 或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状 态, 充分发挥耗能作用, 消耗掉输入结构体系的大量地震 能量, 使结构本身需消耗的能量很少, 这意味着结构反应 将大大减小, 从而有效地保护了主体结构, 使其不再受到 损伤或破坏。 从能量守恒的角度, 减震消能的基本原理可阐述如下, 即结构在地震中任意时刻的能量方程为: 传统抗震结构: Ein = Er + Ed + Es 消能减震结构: Ein = Er + Ed + Es + Ea 式中 Ein地震过程中输入结构体系的地震能量; Er结构体系地震反应的能量, 即结构体系震动的动 能和势能; Ed结构体系自身阻尼消耗的能量 (一般不超过 5%); Es主体结构或承重构件的非弹性变形(或损坏)所消 耗的能量; Ea消能(阻尼)装置或耗能元件耗散或吸收的能量。 37 2014年2月 ? 第40卷 总第177期 2014年 第1期 Sichuan Building Materials 对于传统的抗震结构, 由于 Ed 只占有总能量的很少一 部分, 一般不超过 5%, 可以忽略, 为了最终结构的地震反 应, 即使 Er 趋向于零, 必然导致主体结构及承重构件的损 坏、 严重破坏或倒塌(Es 趋向于 Ein),以消耗输入结构的地 震能量。 对于消能减震结构, Ed 忽略不计, 消能构件或装 置率先进入弹塑性工作转台, 充分发挥效能作用, 大量消 耗输入结构的地震能量(Ea 趋向于 Ein)。 这样既保护主体 结构及承重构件免遭破坏(Es 趋向于零),又可迅速衰减结 构的地震反应(Er 趋向于零),确保结构在地震中的安全。 3 技术特点及应用范围 结构消能减震技术是一种积极的、 主动的抗震对策, 不仅改变了结构抗震设计的传统概念、 方法和手段, 而且 使得结构的抗震(风)舒适度、 抗震(风)能力、抗震(风)可 靠度和灾害防御水平大幅提高。 采用消能减震结构技术的 抗震结构体系与传统抗震结构体系相比, 具有以下优越性: 1) 安全性: 通过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 强震中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, 确保结构在强震中的安全。 2) 经济性: 消能减震结构是通过“柔性消能”的途径 来减少结构的地震反应, 因而可减少剪力墙的设置, 减少 构件的截面, 减少配筋, 而其耐震安全度反而提高, 可节 约结构造价 5% 10%。 3) 技术合理性: 消能减震结构则是通过消能构件或装 置, 使结构在出现变形时大量迅速消耗能量, 保证主体结 构在强震中的安全。 消能结构体系具有上述优越性, 被广泛应用于以下结 构: 高层建筑, 超高层建筑; 高柔结构, 高耸结构, 高耸 塔架; 大跨度桥梁; 柔性管道、 管线; 既有高耸建筑或结 构物抗震(或抗风)性能的提高。 4 消能减震结构体系 结构消能减震体系由主体结构和消能部件(消能装置和 连接件)组成, 可以按照消能部件的不同“构件形式”分为 以下类型: 1) 消能支撑: 可以代替一般的结构支撑, 在抗震(风) 中发挥支撑的水平刚度和消能减震作用, 消能装置可以做 成方框支撑、 圆框支撑、 交叉支撑、 K 型支撑等。 2) 消能剪力墙: 可以代替一般结构的剪力墙, 在抗震 (风)中发挥支撑的水平刚度和消能减震作用, 消能剪力墙 可以做成竖缝剪力墙、 横缝剪力墙、 斜缝剪力墙、 整体剪 力墙等。 3) 消能支撑或悬吊构件: 对于某些线构件(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, 支撑或悬吊结构即可发挥消能减震作用。 4) 消能节点: 在结构的梁柱节点或梁节点处安装消能 装置。 当结构产生侧向位移、 在节点处产生角度变化或转 动式错动时, 消能装置即可发挥消能减震作用。 5) 消能连接: 在结构的缝隙处或结构构件之间的连接 处设置消能装置。 当结构在缝隙或连接处产生相对变形时, 消能装置即可发挥消能减震作用。 消能减震设计时, 应根据罕遇地震下的预期结构位移 控制要求, 设置适当的消能部件。 消能部件可根据需要沿 结构的两个主轴方向分别设置, 宜设置在层间变形较大的 位置, 其数量和分布应通过综合分析合理确定, 并有利于 提高整体结构的消能能力, 形成均匀合理的受力体系。 5 消能器 消能减震中的附加耗能元件或装置一般称为阻尼器。 消能部件中安装有消能器(又称阻尼器)等消能减震装置, 阻尼器通常安装在支撑处、 框架和剪力墙的连接处、 梁柱 连接处以及上部结构与基础连接处等有相对变形或相对位 移的地方。 在建筑结构的消能减震中, 常用消能器分为: 1) 摩擦阻尼器: 摩擦耗能器是一种耗能性能良好、 构 造简单、 造价低、 制作方便的减振装置。 普通摩擦耗能器 通过开有狭长槽孔的中间钢板相对于上下两块铜垫板的摩 擦运动而耗能, 调整螺栓的紧固力可改变滑动摩擦力的大 小。 2) 软钢阻尼器: 软钢阻尼器是结构被动控制中耗能减 震装置的一种, 在地震或风振时, 通过软钢发生塑性屈服 滞回变形而耗散输入结构中的能量, 从而达到减震的目的。 3) 铅阻尼器: 铅橡胶复合阻尼器的构造主要是由薄钢 板、 橡胶、 铅、 挤压头、 连接板及保护层所组成。 薄钢板、 橡胶、 连接板中央预先留有圆孔, 并通过高温高压硫化为 一体, 铅在硫化后通过挤压灌入预留孔中。 薄钢板可经特 殊处理以提高阻尼力和屈服后刚度。 4) 粘弹性阻尼器: 粘弹性阻尼器的消能减震结构在工 程抗震中发挥着重要的作用。 Foss 提出了复模态分析方法 的理论, 通过将原来耦合的方程作一次 Foss 变换, 得到解 耦的运动方程, 从而可求得结构在地震作用下的反应。 运 用复模态理论将基础隔振结构运动方程解耦, 分析在地震 作用下的反应。 5) 调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper, TLD):TLD 是一种主要用于高层建筑和高耸结构振动控制的水箱, 它 利用结构上固定容器中液体的惯性和黏性耗能减小结构的 振动, 是一种被动控制装置。 6) 调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper 缩写 TMD): TMD 是一种简单、 便于安装、 易于维修和更换的控制结构 装置。 研究结果表明, TMD 的阻尼比在 0 05 0 1 范围内, 减振效果好, 但超过 0 2 时, 减振效果不明显; TMD 质量 比小于 0 01 时, 减振效果不明显, 随着 TMD 质量比的增 大, 控制效果越来越好, 但大于某一值时(一般 0 03),此 时减振效果不明显; TMD 的频率与原结构的频率比在 0 95 左右时控制效果较佳。 如何合理选用阻尼器要根据工程的实际情况确定。 当 地震发生时, 随着结构受力和变形的增大, 消能杆件和阻 尼器率先进入非弹性变形状态, 产生较大阻尼, 大量消耗 输入结构的地震能量, 从而使主体结构具有足够的侧向刚 度, 避免进入明显的非弹性状态, 并迅速衰减结构的地震 反应, 从而保护主体结构在强地震中免遭损坏。 6 工程应用实例 1) 泉州市天都广场写字楼(17 层)工程在基础和上部 房屋结构之间设置了一种特殊装置 隔震层, 这种隔震 (下转第 77 页) 47 2014年2月 ? 第40卷 总第177期 2014年 第1期 Sichuan Building Materials 650 100 650 100 矩管立柱 热浸镀锌 角钢横梁 热浸镀锌 30mm厚花岗石 两侧铝单板 700 505050 1500 幕墙钢立桩 图 11 箱型梁幕墙构造图 在本工程中, 幕墙门头是双面石材幕墙, 考虑到幕墙 构造的情况下, 采用方钢管空间桁架的方式。 空间桁架的 用钢量小、 位移小, 外包石材可以采用轻巧的转接件加角 钢横梁的构造, 而平面框架外包石材的转接件悬挑长度较 长、 立柱型号较大, 对于空间桁架, 由于方钢管表面平整, 焊接难度低, 所以最后选择方钢管空间桁架。 幕墙构造详 见图 10 和图 11。 3 结 论 本文以一个幕墙工程为例, 建立两种体系不同型钢截 面共四个力学模型, 通过 ANSYS 有限元软件计算分析, 并 对比分析结果, 得到以下结论: 1) 一般在相同初始条件的情况下, 幕墙门头的结构体 系中, 平面框架由位移控制, 空间桁架由应力控制, 所以 平面框架的内力比空间桁架小, 位移比空间框架大。 2) 最大应力的位置, 平面框架是在主梁或立柱的跨 中, 空间桁架是在次桁架的支座; 最大位移的位置, 平面 框架是在主梁的跨中, 空间桁架是在主桁架横梁的跨中。 3) 对主体结构的作用力, 空间框架的支座反力叠加后 的作用力小于平面框架。 总的来说, 幕墙门头的设计需要根据建筑设计的要求, 选择合理的幕墙结构体系和幕墙的构造方式, 完成幕墙设 计, 达到建筑设计要求的效果。 本文以某一具体的石材幕墙工程为实例而进行的计算 分析, 对于不同的工程, 设计师需要根据具体工程的情况 和建筑设计要求进行具体的设计和计算。 ID: 000877 参 考 文 献: 1 JGJ133 -2001 金属与石材幕墙工程技术规范S. 2 GB50017 -2003 钢结构设计规范S. 3 GB/ T21086 -2007 建筑幕墙S. 4 许彦特. 南京基德广场高空大跨度钢结构及幕墙安装J. 建 筑技术,2011,42(11): 1023 -1026. 5 周元,余继军. 桁架结构合理化设计探讨J. 施工技术,2012, 41(S):712 -714. 6 赵民,陈冲,刘大任. 地铁口框架幕墙结构有限元分析J. 沈 阳建筑大学学报:自然科学报,2012,28(3):549 -554. 7 张岩寿,王湘安. 钢桁架结构安全性分析J. 低温建筑技术, 2012,34(3):37 -39. (上接第 74 页) 层是由橡胶隔震支座和阻尼器组成。 橡胶隔震支座由复合 材料体和上、 下连接件三部分组成。 复合材料体是由一层 钢板一层橡胶交替叠合而成, 在垂直方向具有很高的强度, 能支撑起建筑物重量; 水平方向很轻柔, 可以有效隔离地 震能量向上部房屋结构的输入。 通过橡胶隔震支座剪压试 验, 垂直力模拟房屋等质量, 水平推动支座底部移动模拟 地震时的地面移动, 检测移动量的数值是 22 cm, 相当于 8 度地震区遇到罕遇地震时支座的移动量。 可见, 罕遇地震 时隔震支座能把房屋安全托起。 事实上, 泉州地区受台湾 海峡多次大地震的影响, 采用隔震技术的建筑在地震时, 隔震房屋自身变形很小、 只有微略的平动, 根本感觉不到 震感, 而同样周边未设置隔震层的建筑物却明显感到强烈 的震感。 2) 泉州市侨乡体育馆为使建筑物内的梁与柱在交叉处 有一定的灵活性, 采用了具有像橡皮筋那样伸展性的钢缆 绳, 贯穿在预制混凝土框架内, 钢缆绳会让地震造成建筑 物变形, 但随后立刻恢复原状