消能減震技術在防震減災中的應用

鄭維成,趙　婕,王世偉,張慶文

(西南林業大學土木工程學院,云南 昆明 650224)

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消能減震技術在防震減災中的應用

鄭維成,趙婕,王世偉,張慶文

(西南林業大學土木工程學院,云南 昆明 650224)

簡要介紹了消能減震技術在防震減災中的發展現狀、消能減震的基本原理,列舉了消能減震裝置的類型以及在國內的某些實際工程的應用實例,并講述了目前國內減震設計最常用的分析方法,最后對消能減震技術的應用進行了展望并提出有待進一步研究的問題。

耗能；減震；阻尼器；彈塑性

地震嚴重威脅到人類生命及財產安全。為了避免和減輕其帶來的損失,抗震專家們不斷地探索和完善抗震理論與技術。

地震使得結構物振動,大的振動影響結構物正常使用,還可能導致主體結構損傷甚至破壞。有時雖然主體結構未破壞,但由于裝修、室內昂貴設備儀器的破壞導致重大經濟損失。經地震工程專家們的努力,研究了一套完整有效的抗震理論以減輕震害。其原理是用結構本身的塑性變形來耗散地震能,其損傷可能是不可修復,局限性較大,屬于消極被動抗震方法。

對于消能減震技術,從動力學角度看,是設置消能器以增加結構阻尼,衰減結構振動；從能量方面看,是以耗能器來耗散地震能,增加結構體系安全性。只有在達到中強震時,消能構件才有部分進入非線性,提供的較大阻尼耗散大量地震能,確保主體安全。消能減震較傳統抗震的優勢:

1)安全,消能裝置可大量吸收地震能,結構體系安全得到提高；

2)經濟,采取“柔性消能”,使得構件尺寸減小,剪力墻布置和配筋減少；

3)適用性廣,基本不用維護,即使大震后損壞更換也很方便。

1　消能減震技術的發展現狀

20世紀70年代,一個新研究領域——結構振動控制在土木工程界提出。20世紀80年代初,這個領域被王光遠院士引入國內。隨后,國內展開控振、減隔震的深入研究,已從開始的理論研究,向著工程應用發展,并取得了一系列豐碩的成果，逐步朝標準化、規范化、產業化的方向邁進[1-2]。

1992年,美國制定了一系列條款,規定在減震設計中,耗能器可出現彈塑性,但要求結構體系應在彈性范圍內工作。次年,又出臺了消能減震技術規定,其中明文要求減震設計應用動力時程分析法,而不能用等效側力法。

1995年,周云等提出了消能減震技術標準化如何推進的一些建議[1]。2001年,我國頒布了新抗震規范——《建筑抗震設計規范(GB 50011—2001)》,新增減隔震設計部分基本原則與方法。后來又頒布了《建筑消能減震技術規程(JGJ 297—2013)》等一系列相應的規程。

2003年,日本的《被動控制結構設計·施工手冊》詳述了控振結構的設計方法等，并講述了控制裝置的設計、生產等方面內容[3]。

消能減震技術不斷地發展,為使得規范化以及更好地推廣應用,相應的設計、施工規程陸續出現。目前,國內雖已研制開發出各種類型耗能器以適應不同建筑的要求,但還不夠規范化、產業化,這阻礙了我國消能減震技術的進一步推廣應用。

2　結構消能減震原理

2.1能量耗散原理

震后結構能量平衡方程：

EEQ=EP+ED+EH(未設阻尼器)

(1)

(2)

式中：EEQ為輸入結構體系的地震能；

ED為體系阻尼耗能；

EP為主體結構塑性變形能；

EH為主體結構滯回耗能；

2.2阻尼器的設置要點

阻尼器應分別沿結構的兩個主軸方向設置,總體遵從分散對稱的原則；通過綜合分析來確定其數量和具體分布。

2.3阻尼器應滿足下列要求

1)初始剛度足夠,并滿足下列要求：

速度線性相關型剛度應滿足

Kb≥(6π/T1)Cv

(3)

式中：Kb為支承構件在阻尼器方向剛度；

Cv為阻尼器的線性阻尼系數；

T1為消能體系的基本自振周期。

位移型耗能器恢復力模型宜滿足

ΔUpy/ΔUsy≤2/3

(4)

(Kp/Ks)(ΔUpy/ΔUsy)≥0.8

(5)

式中：Kp為阻尼器水平向的初始剛度;

ΔUpy為阻尼器的屈服位移;

Ks為設耗能器的結構層間剛度;

ΔUsy為設耗能器結構層間屈服位移。

2)能夠長期保持良好的性能。

3)結構簡單、施工方便、易維護,連接可靠。

2.4結構加阻尼器后的附加有效阻尼比

附加有效阻尼比估算：

ζa=Wc/(4πWs)

(6)

式中：ζa為減震體系阻尼比；

Wc為耗能體系在結構預期位移下一個循環消耗的總能量；

Ws為耗能體系在預期位移下總應變能。

3　消能減震裝置的類型

根據耗能機理的差異分為三大類：位移相關型(位移型)和速度相關型(速度型)和復合類型[5-6]。

3.1位移型阻尼器

位移型阻尼器的制作材料一般塑性性能較好,耗能能力強,類型有金屬屈服型和摩擦型等。金屬屈服型阻尼器一般使用軟鋼、鉛等材料制成[6-9]。其優點：構造簡單,造價低；震后易更換；耗能穩定,有效減震。

防屈曲支撐(BRB)是最常用裝置之一。一般由芯材、鋼套筒及無粘結填充材料組成(圖1),芯材是由特定強度的鋼板制成的主受力單元。

圖1　BRB基本組成圖

BRB技術最先是在1973年由日本提出；隨后,美國也開始對其進行了相應的研究。普通支撐要增大截面滿足穩定性,過大剛度的結構使得地震慣性力擴大,形成惡性循環。BRB剛度與承載力分離,體系剛度不改變但承載力大大提高,彌補了普通支撐的缺陷；BRB在大震下能很好地保護結構安全,一般不需維護,即便更換也容易[4]。國內工程應用有2010年建成的上海世博中心(圖2)等。

圖2　上海世博中心

3.2速度型阻尼器

速度型阻尼器一般用黏滯材料制成,包括黏滯阻尼器和黏彈性阻尼器等[6-9]。其優點：無論振動大小,它都可以產生阻尼力；大震后也不易損壞,即使更換也較容易；只提供阻尼不提供剛度,對結構周期無影響,有效控制結構振動反應。

最常用耗能裝置之一是黏滯阻尼器。其組成主要有缸體、活塞、阻尼孔、黏滯材料和導桿(圖3)。黏滯材料通過阻尼孔流動以平衡活塞與缸筒相對運動時產生的壓力差值,產生的阻尼將大部分地震能量吸收,有效削弱結構的振動；但其工藝要求較高,流體材料易滲漏。

圖3　黏滯阻尼器構造簡圖

黏滯阻尼器最早是應用于軍事、航天等減震結構,其后才發展到防震減災工程中,并取得了良好的減震效果。目前,國外黏滯阻尼器的工程應用較多,而國內對流體阻尼器的系統化研究,還遠落后于國外。我國這方面的首個工程是在1999年,北京飯店用流體阻尼器進行了加固,2015年建成的設黏滯阻尼器的宿遷第一人民醫院(圖4)等；自20世紀90年代初,國內學者開始對流體阻尼器理論及應用進行了初步的探索[4-6,10]。

圖4　宿遷市第一人民醫院

3.3復合類型的消能減震裝置

把兩種以上的耗能元件或機制結合而制成的耗能裝置。如鉛-粘彈性耗能器,鉛-約束屈曲支撐,鋼屈服-摩擦耗能器等[7-9]。

4　減震設計方法

消能減震設計方法有：反應譜法、時程分析法、性能優化法、能力譜法、位移法、能量法、性能目標確定阻尼器參數法、改進的層串模型分析法等[11-16]。

4.1時程分析法

時程分析法,主要用于超高層構筑物的分析及抗震研究等。根據選擇的地震波和結構恢復力特性曲線,用逐步積分法對動力微分方程直接積分,得出地震作用下減震結構的內力變化及構件變形以至結構倒塌的全過程。時程分析法一般步驟:

1)根據場地類別及設防烈度等條件選擇若干條強震記錄,作為設計輸入波；

2)根據結構體系特性,建立合理的結構振動模型;

3)依據材料、構件類型及受力情況,合理選擇恢復力模型,并確定相應的恢復力特性參數及折線剛度值；

4)建立地震力下結構振動微分方程；

5)用逐步積分法求解方程,得出地震作用全過程結構的反應;

6)根據結構彈塑性反應內力、位移等指標,判別結構是否滿足要求。

4.2性能優化法

性能優化法,是通過基頻等效原則把多層結構簡化為一單質點體系,然后配置阻尼器裝置,使在彈性范圍內降低該體系位移反應、加速度反應的性能分析,也稱Kasai法。以軟鋼摩擦阻尼器為例,其基本步驟如下:

1)在無阻尼器下,求出結構最大位移；

2)求出減震后位移的降低率；

3)根據減震性能曲線比較位移降低率,選擇滿足要求的組合；

4)求出所需阻尼器剛度,進而得到阻尼器的屈服變形和延性系數。

4.3能力譜法

能力譜法,即靜力非線性法,此法近年來在消能減震設計中應用廣泛,其原理是：把反應譜曲線和能力譜曲線以相同的格式轉換出來,以兩曲線相交點的位移來評估結構在給定地震作用下的性能。能力譜法的基本步驟：

1)根據結構構件及耗能器的特性得到推覆曲線，進而確定結構的有效阻尼比；

2)集成結構有效總剛,再進行模態分析,把推覆曲線轉換為能力譜曲線,把反應譜轉換為需求譜；

3)采用能力譜方法評價擬減震結構抗震性能;

4)查找規范,確定結構減震性能及設防目標要求；

5)確定減震初步方案,確定附加阻尼比;

6)確定耗能器的類型、形式及數量,確定耗能器布置方案；

7)采用能力譜方法分析減震結構性能,評估設防目標是否滿足。

5　結　語

消能減震技術彌補了傳統抗震缺陷,是抗震領域的一個新思路。簡單可行有效,備受工程抗震界的關注和青睞。應用空間大,前景廣闊,它將來必定會成為防震減災領域的重要手段和主要方法,為有效減輕地震災害作出巨大貢獻。

近四十年來,消能減震技術研究與應用在我國已取得較大進展,并已在部分工程中應用,有效提高了結構抗震性能,但為進一步推廣,仍面臨著一些問題亟待解決和完善。

1)耐久性和可靠性的研究,大變形下耗能性能的研究；

2)應盡早制定相關技術標準和工法,規范化和產業化,以便于推廣應用。

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Application of the Energy Dissipation and Damping Technology in Earthquake Prevention and Disaster Reduction

ZHENGWeicheng,ZHAOJie,WANGShiwei,ZHANGQingwen

2016-06-15

鄭維成(1986—),男,貴州遵義人,碩士在讀。

TU352

B

1008-3707(2016)10-0014-04