结构消能减震技术.docx

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结构消能减震技术

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：

①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。

②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5％～10%。

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%。

②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：

①高层建筑，超高层建筑；②高柔结构，高耸塔架；③大跨度桥梁；

④柔性管道、管线（生命线工程）；⑤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

①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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：

①摩擦消能：

如摩擦消能支撑，摩擦节点（图2-6-16）；

②钢件（梁、板、棒）非弹性消能装置（图2-6-17）；

③材料塑性变形消能：

如挤压铅阻尼器（图2-6-18）；

④材料粘弹性消能装置（图2-6-19）；

⑤液体阻尼消能：

如液体阻尼泵；

⑥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。