耗能减震技术研究与应用
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摘 要:回顾和总结了国内外关于耗能减震技术研究与应用的状况,包括耗能减震的原理与特点,几种耗能减震器的性能特性和恢复力模型,耗能减震结构的性能与特点,耗能减震结构体系的分析与设计方法,耗能减震结构的工程应用等,提出了耗能减震技术未来发展的一些方向和有待进一步研究的若干问题。
关键字:耗能 减震 恢复力模型 耗能器
1 引言
耗能减震结构是指在结构中某些部位设置耗能元件或耗能器的结构。它利用耗能元件或耗能器的滞回变形耗能来吸收和消耗地震输入结构的能量,以减小结构的地震反应,从而减轻其破坏,达到减震控震的目的。耗能减震结构由于减震机理明确、减震效果显著、安全可靠、经济合理,可用于不同烈度区不同抗震要求的结构。它既可用于单层、多层建筑,又可用于高层建筑,不但适用于新建建筑,还适用于现存建筑物的抗震加固和震后修复,因而具有广泛的应用前景。近年来,耗能减震结构已在许多国家得到应用,一些国家已经编制或正在制定有关的设计指南或设计规程。目前我国正在修订的建筑抗震设计规范已经增加了有关隔震和耗能减震的内容。
2 耗能减震建筑设计的基本要求
耗能减震建筑设计应满足下述基本要求:
耗能减震建筑应选择Ⅰ、Ⅱ类场地,且宜选择对抗震有利的地段,避开不利地段;当无法避开时,应采取有效措施;
耗能减震建筑的平面、立面布置,主体结构、支撑结构材料和施工应满足国家标准《建筑结构抗震设计规范》的要求;
耗能减震建筑的总高度、层数及高宽比可按国家标准《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》和《高层建筑钢结构设计与施工规程》的规定降低1度考虑;
耗能器应具有以下特性;
(a)具有足够的吸收或耗散地震能量的能力和恰当的阻尼,耗能器附加给结构基本振型的阻尼比宜大于10%;
(b)具有良好的变形跟踪能力,并确保在强震作用下不会出现失稳现象;
(c)具有足够的初始刚度;
(d)具有优良的耐久性,能长期保持其初始性能,其耐久性应大于建筑物的设计基准期;
(e)构造简单、施工简便,易维护性好;
(f)造价低廉。
(5)耗能减震建筑中的耗能元件或耗能器应沿结构的两个主轴方向分别设置。耗能器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。沿竖向至少应设置2组耗能装置,而且这两组耗能装置必须从建筑底层连续布置;
(6)耗能器与斜撑、填充墙、梁或梁柱节点的连接,应符合《建筑结构抗震设计规范》的有关规定。
3 耗能装置的恢复力模型
目前研究开发的耗能器种类和形式很多,但大体上可分为速度相关型、滞变相关型和复合型三大类。
3.1速度相关型耗能器的恢复力模型
许多学者提出了各式各样的描述黏(弹)性阻尼器力与变形之间关系的计算模型,如复刚度模型、开尔文模型、Maxwell模型等【1】。黏弹性阻尼器所受外力与变形之间的关系可简化为F
(1)
式中。其中和分别是黏弹性材料的储存弹性模量和损失模量。A和δ分别是阻尼器中黏弹性材料的受剪面积和厚度。对于黏滞阻尼器在活塞运动的频率较小(低于4Hz)时,可采用简化的Maxwell模型来描述其特征
(2)
式中X是活塞的位移;F是黏滞耗能器提供的阻尼力;C0是黏滞阻尼系数。
3.2滞变型耗能器的恢复力模型
软钢类耗能器具有类似的滞回性能,可采用相似的计算模型,仅其特征参数不同,低周反复加载试验表明,该类耗能器的最理想的数学模型可采用Ramberg-Osgood模型,但由于其不变于计算分析,故可采用图2(a)所示的折线型弹性-应变硬化模型来表示。各类摩擦耗能器的滞回曲线形状近似“矩形”,具有较好的库仑特性,且基本不受荷载的大小、频率、循环次数等的影响,故可采用图2(b)所示的刚塑性恢复力模型。
3.3复合型耗能器
复合型耗能器结合了不同耗能元件的特点,故不能简单地采用叠加原理将其各自的特性相加。该类耗能器的恢复力模型取决于单个耗能元件的恢复力性质、耗能元件的组合方式、耗能机制及各自恢复力大小的匹配等许多因素,作者在试验的基础上,对以摩擦元件和线性恢复力元件组合成的复合耗能器的恢复力模型进行了研究【2】。
4 耗能减震装置的研究与开发
结构控制可分为主动控制、被动控制、半主动控制和混合控制。目前已研制开发的耗能减震装置种类很多,归纳起来主要分为以下几类:
4.1钢耗能器
钢材在进入塑性范围后具有良好的滞回特性,因而被用来制造各种类型的耗能装置,主要包括加劲阻尼(ADAS)装置,锥形钢耗能装置、圆形钢耗能器、双环耗能器、低屈服点钢阻尼器等【3~5】。这类耗能器具有滞回性能稳定、耗能能力强、长期可靠及不受环境与温度影响的特点。
4.2铅阻尼器
铅具有较高的延性、柔性和变形跟踪能力,故在变形过程中可以吸收大量的能量。同时,通过自身的回复与再结晶过程,其组织和性能还可恢复至变形前的状态。目前已研制开发的铅阻尼器类型有铅挤压阻尼器、铅剪切阻尼器、铅节点阻尼器、异型铅阻尼器等【6】。这类阻尼器的共同特点是在小变形下即可获得良好的耗能能力。
4.3摩擦耗能器
目前已提出各种不同构造形式和摩擦材料的耗能装置,主要有Pall型摩擦装置、Sumitome型摩擦筒制振器、滑移型长孔螺栓节点耗能器、双向摩擦耗能装置等【7】。这些耗能器具有较好的库伦特性,可提供较大的结构附加阻尼,且构造简单、取材容易、制作方便,因而具有广泛的应用前景。
4.4黏滞流体阻尼器
黏滞流体阻尼器利用其内部活塞前后压力使黏滞流体阻尼孔产生阻尼力,从而耗散能量。已研制开发出的黏滞流体阻尼器主要有筒式流体阻尼器、黏性阻尼墙(VDWS)、油动式阻尼器等【8,9】。
4.5黏弹性阻尼器
黏弹性阻尼器主要依靠黏弹性材料的剪切滞回耗能特性来增加结构的阻尼,减小结构的动力反应。较早的黏弹性阻尼器是美国3M公司研制,通过夹在两层T型钢板间的黏弹性材料的变形来吸收能量。近年来开发出的装置还有沥青橡胶组合黏弹性阻尼器、黏弹性橡胶剪切阻尼器、超塑性硅氧橡胶黏弹剪切阻尼制震系统、杠杆黏弹性阻尼器等【3,4】。
4.6电感应式耗能器
电感应式耗能器是由意大利学者Marioni首先研制成功的【7】,其基本原理是将震(振)动所引起的地面运动转化为内部电流,再通过电路短路的方式将电能转化为热能耗散掉,从而保证结构的安全。目前,研制出的电感应式耗能器有转动式电感应耗能器和线式电感应耗能器。试验测试表明,该耗能器的耗能量与转子的转速呈正比,提供的阻尼力为一常量,且滞回曲线饱满,接近矩形,工作性能稳定。
4.7智能型耗能装置
随着功能材料和智能系统研究的深入,能够实现结构环境自适应和损伤自修复能力的新型高效智能耗能器被开发出来,主要包括:
(1)记忆合金阻尼器形状记忆合金(SMA)是一种兼有感知和驱动功能的新型材料,它具有高阻尼特性和大变形超弹性特性,能够重复屈服而不产生永久变形,具有很好的耗能能力。
(2)可控流体耗能器电流变(ER)流体和磁流变(MR)流体是80年代末兴起的两类性能极为相似的可控流体,其各自的流变效应可用电场强度和磁场强度有效地控制。将可控流体用于结构减震的主要原理是它根据“感觉神经”―动力传感器测得的结构瞬时振动状态,由ER(MR)智能结构构件中的ER(MR)智能可调阻尼器按某种控制策略自动调整智能结构构件的参数,从而减小主体结构上的地震反应。
(3)压电(磁)材料驱动器一些陶瓷或高分子材料在高压下极化后,内部出现大量的电偶极子,从而获得压电效应和电致伸缩效应,可分别制成压电传感器和压电驱动器,这种系统对实现主动混合控制及分布振动控制是十分有效的【10】。压磁材料是一种铁磁物质,内部存在大量的磁畴,在外力和磁场作用下,会发生取向变化,从而产生压磁和磁致伸缩两种效应,利用其制成的实时振动控制系统具有频响特性好,输出功率大等优点,是一种发展前景很好的振动控制材料。
4.8复合型耗能器
利用两种、两种以上的耗能元件或耗能机制设计新型耗能减震装置的思想【5】,并研制开发了弹塑性-摩擦耗能器、弹塑性-黏弹性耗能器、摩擦-黏弹性耗能器、铅-黏弹性耗能器、流体-黏弹性阻尼器等,对铅橡胶复合阻尼器(MLRD)、软钢-摩擦复合耗能器(MSY-FEDs)等,进行了系列的试验研究【11】。
5 耗能减震结构体系的分析与设计方法
耗能减震器或耗能元件可以安装在主体结构的交叉支撑、人字型支撑或单斜支撑上组成耗能减震结构体系,其具有以下特点:(1)在风载和小震作用下,耗能减震装置处于弹性状态,可以提供足够的附加刚度使耗能减震体系满足正常使用要求;(2)在强烈地震作用下,耗能装置通过滑动或往复滞回变形等方式消耗输入结构体系的地震能量,使主体结构避免进入明显的非弹性状态从而实现保护主体结构的目的;(3)耗能减震系统与主体结构间不产生相对运动。对于n层的耗能减震结构体系在地震作用下的运动方程可写为
(3)
式中:[M]、[C]、[K]分别为主体结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,{F}为耗能减震系统提供的水平恢复力,{y}为地面运动位移影响系数向量,为地面运动加速度时程记录。
5.1基于等价线性化的振型分解法
耗能减震结构体系的运动方程(3)是一非线性方程,为简化地震反应分析,可对其进行等效线性化后按振型分解法求解。运动方程可写为
(4)
式中:为耗能减震体系的质量矩阵;为耗能减震体系的刚度矩阵,可分解为,为主体结构的刚度矩阵,为耗能器的等效水平刚度矩阵;为耗能减震体系的阻尼矩阵,可分解为,为主体结构的阻尼矩阵,为耗能器的等效阻尼矩阵。在进行实际结构设计时,可在振型分解法的基础上,结合运用单自由度体系的反应谱理论,考虑大阻尼、长周期对设计反应谱的影响,按照修正后的反应谱计算出结构的地震反应【2】。
5.2时程分析法
采用前述的基于等价线性化的振型分解法只有当等效阻尼比不是特别大时才能保证良好的精确度。当主体结构进入弹塑性阶段或耗能器非均匀布置时,必需采用时程分析法对耗能减震结构体系进行地震反应分析计算,其力学模型可以采用层间模型或杆系模型。耗能减震结构体系可分解为主体结构和耗能系统两部分,其计算模型可分别由两者的恢复力模型叠加形成。
根据耗能减震结构体系的运动方程式(4),将耗能装置所引起的随时间变化的刚度和阻尼增量加到原结构中,通过如线性加速度法、Wilson-θ法等对动力微分方程求解,可得到整个地震时内耗能减震结构体系在任意时刻的结构地震反应(位移、速度、加速度等)。若其不满足规范的要求,则需重新调整或选择耗能装置直到满足要求。
5.3能量分析法
能量分析法的思想是在地震过程中输入耗能减震结构体系的能量必须与结构体系内部能量的存储、转换和消能相平衡,即
(5)
式中:为地震过程中输入耗能减震体系的总能量,为耗能减震结构体系的势能,为耗能减震结构体系的动能,为主体结构的黏滞阻尼耗能,为主体结构的非弹性变形滞回耗能,为耗能装置的耗能。
工程设计中,为确保主体结构的安全,可近似认为地震能量全部由耗能减震装置吸收或耗散,则上述方程可简化为【12】
(6)
上式即可作为耗能减震结构体系的能量设计方程。其中忽略了等因素的影响,一方面简化了计算,另一方面可作为结构的安全储备。
6 耗能减震结构的工程应用
耗能减震技术具有广阔的应用范围,其既适用于新建工程,也适用于已有的建筑物的抗震加固、改良;既适用于普通的建筑结构,如住宅、办公楼等,也适用于抗震生命线工程。据不完全统计,至今开展结构减震技术研究的国家达20多个,实际应用工程已超过300余项,取得了明显的效果。
美国是开展结构控制体系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就安装有约10000个黏弹性阻尼器,西雅图哥伦比亚大厦(77层)、匹兹堡钢铁大厦(64层)等许多工程都采用了该项技术。加劲阻尼(ADAS)装置已被用于一幢2层房屋的抗震加固工程中。全美应用流体阻尼器的建筑总数已超过13项,位于加利福尼亚州的一幢4层饭店为柔弱底层结构,采用流体阻尼器进行抗震加固后,使其在保持原有风格的基础上,达到了规范要求。近年来,日本建设中心每月鉴定的采用耗能减震体系的房屋平均为5~10个,全国实际工程已超过百余项,其中均采用了不同的耗能装置或控制技术。
摩擦耗能器已用于我国十余座单层、多层工业厂房结构中,黏性阻尼器已被用于北京饭店和北京火车站的加固工程中。
7 耗能减震技术研究趋向与展望
虽然耗能减震技术的研究和应用已取得很大进展,但在该技术成为常规的技术方法之前,尚须解决以下问题:
(1)综合考虑各种因素的影响(温度、湿度、开裂等),对已有耗能减震装置的可靠性、耐久性进行深入研究;
(2)开发新型、高效、适应性强的耗能减震装置,为大范围推广该技术奠定基础;
(3)进行各种耗能装置的比较、优化分析,给出具体的计算模型,尽快使其标准化、系列化,便于设计中推广使用;
(4)加强对耗能减震器的设置问题及减震效果的定量分析;
(5)耗能减震器与结构或支撑连接构造及安装、施工、维修等的研究;
(6)加快耗能减震装置的生产基地和试点工程的建设,并实施对现有耗能减震结构的监测工作,以深入地对比研究;
(7)加强对耗能减震结构体系的一体化设计研究,加强包括能量设计法在内的耗能减震体系的分析设计方法,并尽快编制耗能减震体系的设计、施工方法与标准,开发相应的结构计算、分析软件;
(8)加强耗能减震技术在震损建筑物加固及现有建筑加层、移位中的研究和应用。
由于耗能减震体系比传统抗震体系更加有效减震,安全、适用、可靠,并节省造价,已成为一种崭新的结构体系。可以预言,耗能减震技术将成为建筑减震防灾的重要手段和方法,将为减轻地震对人类造成的危害作出突出贡献。
参考文献:
1.周云,徐赵东等.黏弹性阻尼器结构的性能.分析方法的研究与应用进展.地震工程与工程振动,1998:18(4)
2.周云.建筑耗能减震新技术与新体系.[博士学位论文]:哈尔滨建筑科技大学.1996
3. Housner GW, Bergman LA, et al. Structure control: past, present, and future. Journal of Engineering Mechanics, 1997, (9): 897~971
4.周云,刘季.耗能减震技术研究与应用进展.世界地震工程,1995,11(1):20~28
5.周云,刘季.新型耗能(阻尼)减震器的开发与研究.地展工程与工程振动,1998,18(1):71~79
6.周云,周福霖,邓雪松.铅阻尼器的研究与应用.世界地震工程,1999,15(1)
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