消能減震技術

1、 消能減震施工技術消能減震施工技術 傳統(tǒng)的抗震方法是房屋上部結(jié)構和基礎牢牢地連傳統(tǒng)的抗震方法是房屋上部結(jié)構和基礎牢牢地連 接在一起，地震時，地面運動能量經(jīng)過基礎輸入到房接在一起，地震時，地面運動能量經(jīng)過基礎輸入到房 屋結(jié)構，致使房屋結(jié)構發(fā)生振動、變形，甚至倒塌。屋結(jié)構，致使房屋結(jié)構發(fā)生振動、變形，甚至倒塌。 “消能隔震消能隔震”的基本思想是使基礎和上部房屋結(jié)構分的基本思想是使基礎和上部房屋結(jié)構分 離離, ,隔離地震能量向建筑物的輸入。實現(xiàn)地震時地動隔離地震能量向建筑物的輸入。實現(xiàn)地震時地動 而建筑物基本不動，達到保證建筑物安全的目的。而建筑物基本不動，達到保證建筑物安全的目的。 1、消能減震結(jié)

2、構的概念、消能減震結(jié)構的概念 o 消能減震的力學原理就是在結(jié)構會產(chǎn)生相對運 動的部位增設一些阻尼器之類的消能裝置，當 結(jié)構受到地震作用時，這些阻尼器在結(jié)構相對 運動的強迫作用下，產(chǎn)生抵抗結(jié)構相對運動的 阻力運動，這些阻尼力在運動過程中做功，通 常以導致阻尼器發(fā)熱而耗散掉部分結(jié)構相對運 動的能量，從而減小結(jié)構的地震響應，即減小 結(jié)構的損壞或保證結(jié)構的正常使用功能。 結(jié)構消能減震建筑的特點結(jié)構消能減震建筑的特點 o 消能減震裝置可同時減少結(jié)構的水平和豎向 的地震作用，適用范圍較廣，結(jié)構類型和高 度均不受限制 o 消能減震裝置應使結(jié)構具有足夠的附加阻尼， 以滿足罕遇地震下預期的結(jié)構位移要求 o 由于

3、消能減震結(jié)構不改變結(jié)構的基本形式， 除消能部件和相關部件外，結(jié)構設計仍可按 照規(guī)范對相應結(jié)構類型的要求執(zhí)行 2、消能減震結(jié)構的分類、消能減震結(jié)構的分類 o 位移相關型消能裝置 o 速度相關型消能裝置 o 其他類型的消能裝置 2.1 位移相關型消能裝置 o 鉛阻尼器。鉛阻尼器利用鉛具有密度大、熔 點低、塑性高、強度底、耐腐蝕、潤滑能力 強等特點，使得該消能器有較高的延性和柔 性，在變形過程中可以吸收大量的能量，并 有較強的變形綜合能力。同時，通過動態(tài)回 復與再結(jié)晶過程，鉛的組織和性能還可恢復 至變形前的狀態(tài)。鉛消能器類型主要有鉛擠 壓阻尼器、鉛剪切阻尼器、鉛節(jié)點阻尼器、 異型鉛阻尼器等。 2.1

4、 位移相關型消能裝置 o 粘彈性阻尼器。粘彈性阻尼器同時具有彈性剛度和 耗能性能。最早的粘彈性阻尼器是美國 3M 公司研 制開發(fā)的，它由兩塊 T 型鋼板夾一塊矩形鋼板組 成，T 型約束鋼板與中間鋼板間夾有一層粘彈性材 料，這層材料的剪切變形與其相對應的剪應力存在 相位差，從而產(chǎn)生剪切滯回特性，增加了結(jié)構的阻 尼。彈性與粘性都對降低結(jié)構的動力反應起作用。 該消能器目前己得到廣泛的應用。近年來開發(fā)出的 裝置還有瀝青橡膠組合粘彈性阻尼器、粘彈性橡膠 剪切阻尼器、超塑性硅氧橡膠粘彈性剪切消能制震 系統(tǒng)、杠桿粘彈性阻尼器等 。 2.2 速度相關型消能裝置 o 粘滯流體阻尼器。粘滯流體阻尼器曾廣泛應用于軍

5、 事和航空領域。目前已在建筑和橋梁的振動控制中 得到運用，已研制開發(fā)的粘滯流體阻尼器有筒式流 體阻尼器、粘性阻尼墻系統(tǒng)、油動式阻尼器等。筒 式流體阻尼器一般由缸體、活塞和粘滯流體組成。 活塞上開有小孔，或活塞與筒體之間留有間隙，活 塞可在充有硅油或其它粘滯流體的缸筒內(nèi)作往復運 動，當活塞與筒體間產(chǎn)生相對運動時，流體從活塞 的小孔內(nèi)通過，或從活塞與筒體之間的間隙中通過， 對兩者的相對運動產(chǎn)生阻力，從而耗散能量。 2.2 速度相關型消能裝置 o 電磁流體阻尼器。電流(ER)變流體和磁流變(MR) 流體是 20 世紀 80 年代末興起的兩類性能極為相 似的可控流體。其流體效應可用電場強度和磁場強 度

6、有效地控制。這些智能材料用于結(jié)構減震的主要 原理是它根據(jù)動力傳感器測得的結(jié)構瞬時振動狀態(tài)， 由 ER(MR)智能可調(diào)參數(shù)結(jié)構構件中的智能可調(diào)阻 尼器在各瞬態(tài)時調(diào)整參數(shù)，從而實現(xiàn)減小整個結(jié)構 地震反應的目的。用這些可控流體設計和制作的消 能器具有結(jié)構簡單，所需驅(qū)動功率小，反應迅速等 特點，而且可和其它減震機構串、并聯(lián)使用，以提 高功效。 2.3 其他類型的消能裝置 o 復合型阻尼器。復合型阻尼器是利用兩種或 兩種以上的消能元件或消能機制設計而成的 新型消能減震裝置。已研制開發(fā)的一些復合 消能器有彈塑性-摩擦型阻尼器、彈塑性-粘 彈性阻尼器、摩擦-粘彈性阻尼器、鉛粘彈 性阻尼器、流體-粘彈性阻尼器

7、等。 2.3 其他類型的消能裝置 o 調(diào)頻質(zhì)量和調(diào)頻液體阻尼器。又稱 TMD 和 TLD。 TMD是在結(jié)構中增設裝有附加質(zhì)量塊的外加機構， 使其自振頻率與結(jié)構自振頻率基本一致，利用共振 原理，將外激勵的能量消耗在外加機構中的質(zhì)量塊 的運動上，從而達到減震的目的。TLD 除了具有 TMD 的功能外，還要求通過增設在結(jié)構上的容器 中的液體的運動來消耗和吸收振動能量，從而達到 減震的目的。這兩種裝置較簡單，易于實施，但是 減震效果受限，對結(jié)構自振頻率的估計精度要求很 高。 2.3 其他類型的消能裝置 o 設置耗能桿件。在結(jié)構中設置一些耗能支撐、 隅撐或一些附屬構件，當?shù)卣鹱饔脮r，利用 這些構件的滯回

8、耗能性能消耗一部分地震能 量以減弱主體結(jié)構的地震反應。這些構件在 地震后產(chǎn)生一定程度的損壞，但其更換方便， 維護成本低廉，因而也是一種耗能的重要方 式。 3、消能減震結(jié)構在工程中的應用、消能減震結(jié)構在工程中的應用 o 消能減震結(jié)構步前已獲得廣泛的應用， 但各種消能減震裝置有其各自的特點和適應 的范圍。 3、消能減震結(jié)構在工程中的應用、消能減震結(jié)構在工程中的應用 o 速度相關型消能器如粘滯流體阻尼器適用各種相對 位移情況，其阻尼力與相對運動速度的相關關系， 在相對運動速度不大600mm/s 及相對運動頻率不 大于3Hz 的工作狀態(tài)下非常穩(wěn)定，其對支撐剛度 的要求是與阻尼力的大小，期望阻尼器耗能的

9、起始 行程狀態(tài)相關聯(lián)的，與結(jié)構的層間剛度不直接相關 它的耗能性能及耐疲勞性能較好，較大的溫差環(huán)境 溫度對其阻尼力大小有些輕微影響但目前對其耗能 性能的耐久性尚無可靠數(shù)據(jù)說明，即是說位于室內(nèi) 正常環(huán)境下，經(jīng)年或更長時間后的耗能性能的變化 情況尚無可靠資料證明。 3、消能減震結(jié)構在工程中的應用、消能減震結(jié)構在工程中的應用 o 對于金屬阻尼器，存在疲勞斷裂問題，如要求小震 下起作用則對支撐剛度要求較高，通常適用于相對 位移不太大的情況；摩擦阻尼器在小震情況下基本 無耗能作用，只有剛度貢獻，且對于預壓應力的精 度要求較高；對于鉛阻尼器應考慮鉛對環(huán)境的污染， 同樣只適用相對位移不太大的情況；粘彈性阻尼器

10、 的缺陷是其儲存模量與損失模量的特性，與溫度變 化和阻尼器相對剪切變形的頻率密切相關溫度高時 模量降低，故而耗能特性降低，但其模量是隨著頻 率增高而增大，但該兩模量的比值卻對溫度變化和 加載頻率不敏感； 3、消能減震結(jié)構在工程中的應用、消能減震結(jié)構在工程中的應用 o 5.12大地震后首個消能減震加固工程(使用 粘滯阻尼器) o 摩擦消能器在加固工程中的應用 o 粘彈性消能器在加固工程中的應用 3.1 3.1 工程實例工程實例1 1 o都江堰市北街小學試驗外國語學校藝術大樓,為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框 架結(jié)構,框架層數(shù)為5層,總高度18m。按照7度抗震設防,但在5.12 特大地震中,原結(jié)構還是遭到了破壞

11、,1層柱柱頂受損(圖1),1,2層 墻體出現(xiàn)裂縫(圖2),局部墻體破碎,局部樓梯構件受損。 通過進 行結(jié)構抗震驗算,發(fā)現(xiàn)原結(jié)構多數(shù)梁柱不滿足抗震要求,如果逐個 構件采用傳統(tǒng)加固方法進行加大截面,將帶來很大的工程量和較長 的施工工期。同時,加大柱子截面,將減小建筑的使用面積,最后通 過論證,提出采用消能減震加固技術對原結(jié)構進行抗震加固的方案。 首先加固受損柱頂,對節(jié)點區(qū)域混凝土鑿面,剔除損壞部位破損的 混凝土,并用吹風機吹凈混凝土表面粉塵,然后采用比原結(jié)構混凝 土強度等級高一級的C35混凝土修補料對混凝土破壞的節(jié)點進行修 補找平,再對節(jié)點采用外包鋼法對節(jié)點做加固處理(圖3,4)。最后, 用錨栓將

12、鋼板固定在柱子上(圖5)。 圖1、一層柱柱頂受損 圖2、墻體出現(xiàn)裂縫 圖3、節(jié)點包鋼注膠加固 圖4、節(jié)點加固施工 圖5、錨栓固定鋼板 工程實例工程實例1 1 o 該加固工程使用的消能裝置是上海材料研究所研制 開發(fā)的粘滯阻尼器(圖6),粘滯性阻尼器是消 能減 震控制技術中的一種消能裝置,被安裝于結(jié)構某部 位(如節(jié)點、連接縫或連接件、樓層空間等),在小 震作用下,阻尼器處于彈性狀態(tài),給結(jié)構提供剛度, 結(jié)構體系具有足夠的抗側(cè)剛度。在中、強地震作用 下,隨著結(jié)構側(cè)向位移的增大,阻尼器進入彈塑性狀 態(tài),產(chǎn)生較大阻尼力,通過把地震中傳入結(jié)構的能量 轉(zhuǎn)化為阻尼介質(zhì)的熱能,大量消耗傳入結(jié)構中的地 震能量,以確

13、保主體結(jié)構在中、強震中的安全使用。 圖6、粘滯阻尼器構造示意 工程實例工程實例1 1 o 該5層樓加固工程共用20個粘滯阻尼器,最大 出力為700kN(表1)。根據(jù)消能器的布置原則 和振型分解反應譜法計算的樓層位移角確定: 在1層安裝10個型號為KZ2700Sx100X的粘滯 阻尼器和4個型號KZ2700Sx100F的粘滯阻尼 器(圖7); 圖7、1層阻尼器布置結(jié)構平面 工程實例工程實例1 1 o 在2層安裝4KZ2700Sx100X的粘滯阻尼器和4 個型號為KZ2700Sx100F的粘滯阻尼器(圖8）。 根據(jù)計算結(jié)果,支撐采用字形(圖9)、斜拉 (圖10)的鋼支撐。 圖8、2層阻尼器布置結(jié)構

14、平面 圖9、字形支撐 圖10、斜拉支撐 工程實例1 o該學校使用粘滯阻尼器來消能減震,加固因地震受損房屋在我國 還是首次。本次加固費用約為160萬元;而進行傳統(tǒng)加固至少要 對基礎和13層共32根柱子做截面加大處理,每根柱子加固費用 大約為5萬元,另傳統(tǒng)加固過程中損壞的墻體樓面板以及水電管 線等恢復費用約為20萬元,總計費用預計約為180萬元。采用粘 滯性阻尼器加固節(jié)省了不低于10%的費用。而且使用阻尼器技術 加固,不會壓縮房屋使用面積,拆除工作量小,施工干擾性小且周 期短,基本上終身不用維護。 安裝阻尼器的消能減震結(jié)構,將有 效減少結(jié)構的地震反應,使結(jié)構不產(chǎn)生過大的振動,確保結(jié)構不 發(fā)生破壞倒

15、塌。在將安全度提高一度的情況下,主體結(jié)構的截面 尺寸也不用增加,結(jié)構體系的安全度仍能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求, 可以獲得顯著的經(jīng)濟效益,可降低造價10%20%。在相同的結(jié)構 體系下,安裝粘滯阻尼器可大大提高結(jié)構的可靠度。本項目的工 程中,雖僅安裝了少量阻尼器(20個),但減震效果明顯,且使結(jié)構 抗震設防烈度成功提高一度。 3.2 工程實例2 o 聯(lián)邦電子科研大樓位于加拿大首都渥太華,它建于 1993年,在2003年增加了1層。這是一幢3層的混 凝土框架結(jié)構的建筑,帶有1層的地下室。基于對里 邊重要的科研設備裝置的安全考慮,工程人員決定 采用摩擦耗能支撐對其進行加固。摩擦支撐的布置 如圖11所示,在兩

16、條斜支撐的交點處共安裝23個滑 移為300kN的摩擦耗能器(圖12)。摩擦耗能器的 使用使整個加固工程變得很經(jīng)濟,而且這些阻尼器 可以吸收地震能量,保護建筑及其里面的設備。 圖11、三位分析模型中摩擦阻尼支撐的布置 圖12、摩擦耗能器在安裝過程和安裝完成 3.3 工程實例3 o 潮汕星河大廈位于汕頭市金環(huán)路東側(cè),總建 筑面27976.8平米 ,地下1層,地上總高度 98.70米。分塔樓和裙房兩部分,裙樓4層,塔 樓25層(設計22層,后加3層)。結(jié)構平面形狀 為橢圓形。結(jié)構形式為鋼管混凝土組合結(jié)構, 結(jié)構體系為核心剪力墻筒外框架體系。 潮 汕星河大廈由于原設計為22層,施工至12層 時,業(yè)主提

17、出增加3層,結(jié)構變?yōu)?5層。 工程實例3 o 經(jīng)初步設計分析,Y方向在小震作用下,結(jié)構 的層間位移個別樓層不滿足建筑抗震設計 規(guī)范和高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程 的要求,經(jīng)采用傳統(tǒng)加固方案和采用消能減 震加固方案對比分析后,確定采用消能減震 加固方案。 本工程的耗能部件采用由廣州 大學周云教授研制的復合型鉛粘彈性阻尼器 (圖13)。 工程實例3 o 根據(jù)耗能支撐的布置原則和振型分解反應譜 法計算的層間變形確定: 在第4,6,7,11,16,20,24層安裝阻尼器,每層 4個,對稱布置。第6,7層阻尼器安裝于4軸及 7 軸,其余安裝于5軸及6軸。圖14為阻尼器 結(jié)構布置平面圖。阻尼器連接放置做法見

18、圖 15。 圖13、復合型鉛粘彈性阻尼器 圖14、阻尼器布置結(jié)構平面 圖15、阻尼器安裝立面 工程實例3 o 加固工程在采用了28個復合型鉛粘彈性阻尼器后, 結(jié)構的阻尼比由5%增大至11%,最大層間位移角由 1/740減小至1/893,滿足高層建筑混凝土結(jié)構技 術規(guī)程所規(guī)定的框架剪力墻結(jié)構的最大層間位 移角限值。復合型鉛粘彈性阻尼器能有效地增加結(jié) 構的阻尼比,減小結(jié)構的層間位移,達到了減震的目 的。 該工程是國內(nèi)高層鋼鋼筋混凝土混合結(jié)構 中安裝阻尼器的第一個工程,也是采用消能減震技 術進行高層建筑結(jié)構加層的第一個工程。 4、消能減震加固在災后重建加固中的特殊、消能減震加固在災后重建加固中的特殊

19、 優(yōu)越性優(yōu)越性 o 建筑結(jié)構本身是一個整體,當其抗震設防烈度需要 提高一度的時候,不滿足要求的就是結(jié)構的抗側(cè)剛 度。可選用的加固方法有傳統(tǒng)的加固方法和消能減 震加固方法等。 選用傳統(tǒng)的加固方法進行加固,則 要對整個建筑結(jié)構的梁柱截面進行加固,如果僅加 固個別樓層的梁柱,則容易造成剛度的突變,在不加 固的樓層形成薄弱環(huán)節(jié),則結(jié)構整體的抗震性能提 高得不顯著 或者達不到設防烈度提高一度的目的。 也就是說,形成了“木桶效應”。 4、消能減震加固在災后重建加固中的特殊、消能減震加固在災后重建加固中的特殊 優(yōu)越性優(yōu)越性 o 對整個樓的梁柱進行增加強度和剛度,增強 結(jié)構的整體剛度,結(jié)構更“剛”了,則結(jié)構在

20、 地震中吸收的地震能量就更多。也就是說, 形成了一定范圍內(nèi)的惡性循環(huán),勢必要大幅 度地提高加固成本。傳統(tǒng)加固方法主要通過 加大截面、增設墻體、粘貼鋼板等方法提高 結(jié)構的強度和剛度,以“硬抗”為主,通常需 要加強基礎,構件截面的加大壓縮使用空間, 施工周期長,干擾性大,材料用量大,人工費 用高。 4、消能減震加固在災后重建加固中的特殊、消能減震加固在災后重建加固中的特殊 優(yōu)越性優(yōu)越性 o 選用消能減震加固技術對建筑結(jié)構進行加固, 根據(jù)建筑結(jié)構的特點,可以在某些控制部位 加阻尼器,阻尼器系統(tǒng)僅是整個結(jié)構的一個 附屬系統(tǒng),可以顯著改善結(jié)構的動力特性,是 一種局部加固,整體性能提高的加固方法。 是一種“柔中帶剛”的減震加固思路,與原 結(jié)構相比,加固后的結(jié)構在地震中吸收的地 震能量并沒有顯著的增加,阻尼器在結(jié)構中 發(fā)揮其吸收地震能量減小結(jié)構反應的作用而 且不增加結(jié)構的負擔。 4、消能減震加固在災后重建加固中的特殊、消能減震加固在災后重建加固中的特殊 優(yōu)越性優(yōu)越性 o 消能減震加固方法主要通過附加的耗能裝置 改變結(jié)構的動力特性,在大震作用下消耗地 震能量,以“柔”克