耗能減震結構設計與應用

1、耗能減震結構設計與應用1.1耗能減震的概念1 耗能減震的概念與原理1.1耗能減震的概念附加阻尼增加01234560.080.060.040.020.00T(s)阻尼比0.05阻尼比0.10阻尼比0.15剛度剛度1.2 耗能減震的原理0.120.10隔震結構 傳統結構2月27日14時34分在智利（南緯35.8度，西經72.7度）發(fā)生8.8級地震，震源深度33公里。地震位于智利比奧比奧大區(qū)，距離康塞普西翁（Concepcin）100公里，距離特木科 （Temuco）110公里,距離該國首都圣地亞哥320公里。震源位于地下55公里。根據智利官方報道，截止2010年4月7日，在此次大地震中，死亡486

2、人、失蹤79人、海嘯致使 80萬人受傷或無家可歸，總損失達300億美元。災區(qū)道路阻斷、缺水短電，有報道稱震中附近的兩個城市損失慘重。地震還使200萬人受到影響，150萬棟房屋被毀，6個地區(qū)進入災難緊急狀態(tài)。2耗能減震建筑的地震考驗一幢帶消能減震鋼支撐超高層建筑一幢設有金屬球顆粒阻尼器高層建筑這也是近年來鮮有的經歷大地震考驗的消能減震高層及超高層結構工程實例。3消能減震裝置的類型與性能圖2.1-1 典型粘滯耗能器示意圖3.1粘滯阻尼器粘滯耗能器是根據流體運動，特別是當流體通過節(jié)流孔時能產生粘滯阻力的原理而制成的，是一種無剛度、速度相關型的耗能器。常見的粘滯耗能器主要有： 缸式粘滯流體耗能器 粘滯

3、阻尼墻 圓筒式粘滯耗能器3.2 粘彈性阻尼器金屬耗能器根據金屬材料的不同可分為鋼耗能器、鉛耗能器和形狀記憶合金耗能器。鋼耗能器又包括軟鋼制成的耗能器和低屈服點鋼制成的耗能器。3.3 鋼阻尼器（a）X形加勁耗能器（c）開孔式加勁耗能器（b）三角形耗能器圖2.3-1 加勁耗能器3.3.1軟鋼耗能器由于軟鋼在進入塑性范圍后具有良好的滯回特性，因此被用來制造各種類型的耗能減震裝置。不銹鋼板蝶形墊片墊片外板剎車片中板摩擦面外板3.4 摩擦耗能器發(fā)展始于20世紀70年代末?？梢苑譃?種類型：摩擦耗能節(jié)點；板式摩擦耗能器；筒式摩擦耗能器；復合型摩擦耗能器。板式墊片（1）板式摩擦耗能器（2）鋼管摩擦耗能器3.

4、5防屈曲耗能支撐FFBucklingConventionalBraceNo Buckling( Yielding )Buckling RestrainedBracePPTensionCompressionTensionCompression(Buckling Restrained Part)UnbondingMaterialsCore SteelMemberSteel TubeConcrete(Mortar)TabPlateBucklingRestrainedBrace1在同一種耗能機制下，可利用多個耗能元件協同工作共同耗能；2在同一種耗能（阻尼）減震器中，綜合利用不同的耗能機制共同耗能；即耗

5、能（阻尼）減震器同時利用兩種或兩種以上的耗能方式耗能；3耗能（阻尼）減震器應具有多道耗能減震防線（或多級耗能元件）；4具有良好的變形跟蹤能力，其承載和耗能能力具有隨變形增大變化的自適應能力。3.6 復合型耗能器分類摩擦阻尼器摩擦耗能位移相關粘滯流體 粘滯流體阻尼器 速度相關粘彈性 粘彈材料阻尼器 速度相關軟鋼 金屬屈服阻尼器 位移相關防屈曲 桿件屈曲耗能支撐 位移相關工作原理 技術水平需關注的問題自恢復能力差耐久性差，僅地震超高壓試驗溫度影響僅地震僅地震高聳結構大跨結構多/高層結構復雜結構橋梁結構應用范圍 應用程度發(fā)展方向新型高性能阻尼器研發(fā)結構減振新方案/新體系設計/分析(性能指標量化)標準

6、/規(guī)程完善推廣應用4、消能減震結構設計內容與步驟消能減震結構設計內容消能裝置選擇消能裝置布置位置消能裝置布置數量子框架設計設計地震設計要求滿足結構特性選擇合適的消能器位置計算消能器的剛度和阻尼消能減震結構的分析足夠的阻尼比結束否是否無消能器結構的分析和設計確定結構所需的阻尼比或設計流程4.1 消能減震結構的概念設計3.8.1 隔震與消能減震設計，可用于抗震安全性、使用功能有較高要求或專門要求的建筑?！菊f明】2008 年局部修訂改為非強制性要求。本次修訂，將使用功能“特殊”要求改為“較高或專門”要求，并明確用于抗震安全性較高要求的建筑，不限于2001 版的8、9 度設防地區(qū)。4.1.1 適用范圍

7、和設防目標12.1.4 消能減震設計可用于鋼、鋼筋混凝土、鋼-混凝土混合等結構類型的房屋。消能部件應對結構提供足夠的附加阻尼，尚應根據其結構類型分別符合本規(guī)范相應章節(jié)的設計要求。有減震需求，有相對位移或相對速度的一切結構。3.8.2 采用隔震或消能減震設計的建筑，當遭遇到本地區(qū)的多遇地震影響、抗震設防烈度地震影響和罕遇地震影響時，可按高于本規(guī)范1.0.1 條的基本設防目標進行設計。【說明】本次修訂，1.0.1 條將設防目標分為基本目標和專門目標兩種情況，本條文字相應調整。當結構采用隔震和消能減震設計方案，具有可能滿足提高抗震性能要求的優(yōu)勢，故推薦其按較高的設防目標進行12.1.6 建筑結構的隔

8、震設計和消能減震設計，尚應符合相關專門標準的規(guī)定；也可按抗震性能目標的要求進行性能化設計?！菊f明】本條與2001 版的規(guī)定相比，明確提醒可采用隔震、消能減震技術進行結構的抗震性能化設計。隔震與消能減震技術是實現性能化設計的有效方法12.1.2 建筑結構隔震設計和消能減震設計確定設計方案時，除應符合本規(guī)范第3.5.1 條的規(guī)定外，尚應與采用抗震設計的方案進行對比分析。（3.5.1 結構體系應根據建筑的抗震設防類別、抗震設防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結構材料和施工等因素，經技術、經濟和使用條件綜合比較確定。）消能減震結構設計是結構抗震設計的手段方法之一！消能減震設計是實現結構“小震不壞、中震

9、可修、大震不倒”的有效、可靠、經濟的方法！消能減震設計是實現結構性能化抗震設計的最為直接、最有效的手段和方法！1）耗能減震結構應選擇I、II類場地，且宜選擇對抗震有利的地段，避開不利地段；當無法避開時，應采取有效措施；4.1.2耗能減震結構場地4.1.3耗能減震結構體系2）耗能減震結構的平面、立面布置，主體結構、支撐結構材料和施工應滿足國家建筑抗震設計規(guī)范（GB2010-5001）的要求；12.3.8 當消能減震結構的抗震性能明顯提高時，主體結構的抗震構造要求可適當降低。降低程度可根據消能減震結構地震影響系數與不設置消能減震裝置結構的地震影響系數之比確定，最大降低程度應控制在1 度以內。本條是

10、新增的。當消能減震的地震影響系數不到非消能減震的50%時，可降低一度。不要被裝飾蒙蔽了雙眼！4.1.4 消能器的選擇、數量確定及布置原則消能部件布置均勻布置避免薄弱層位移和速度最大位置4.1.4.2 消能器的布置原則動力特性相近d Wcj/4Ws消能器數量附加阻尼比計算原結構設計減震結構分析原結構分析期望阻尼比阻尼比法nj14.1.4.3 消能減震裝置數量確定期望4.2 消能減震結構分析方法消能減震結構的分析方法取決于：（1）主體結構和消能器在地震作用下所處的狀態(tài)；（2）消能器的類型：位移相關型還是速度相關型。4.2.1 消能減震結構分析選擇X非線性結構/非線性耗能器非線性結構非線性結構/線性

11、耗能器線性耗能器線性結構/非線性耗能器線性結構/線性耗能器圖 耗能減震結構分析的四種情況主體結構消能器分析方法彈塑性彈塑性線 性線 性非線性線 性非線性線 性靜力彈塑性分析方法靜力彈塑性分析方法振型分解反應譜法振型分解反應譜法彈塑性時程分析方法彈塑性時程分析方法彈塑性時程分析方法彈性時程分析方法4.1.3 在彈性時程分析和彈塑性時程分析中，消能減震結構的恢復力模型應包括結構恢復力模型和消能部件的恢復力模型。4.1.6 消能減震結構采用彈塑性時程法分析法計算時，根據主體結構構件彈塑性參數和消能部件的參數確定消能減震結構非線性分析模型，相對于彈性分析模型可有所簡化，但二者在多遇地震下的線性分析結果

12、應基本一致。4.3 消能減震結構分析模型4.3.1 消能減震結構分析模型4.1.7 采用靜力彈塑性分析方法分析時應滿足下列要求：1 消能部件中消能器和支撐根據連接形式不同，可采用串聯模型或并聯模型，將消能器剛度和支撐的剛度進行等效，在計算中消能部件采用等剛度的連接桿代替。2 結構目標位移的確定應根據結構的不同性能來選擇，宜采用結構總高度的1.5作為頂點位移的界限值。普通結構按離散方式來劃分模型，主要可分為層間模型、桿系模型和有限元模型（FEM）。耗能減震結構體系則是由主體結構和耗能支撐（包括耗能器和支撐）所組成，故其分析模型可采用與普通結構相同的分析模型，唯一的差別就是必須考慮耗能支撐對結構模

13、型的影響。4.3.2 消能器的恢復力模型在分析模型中，與消能器連接的支撐必須真實模擬，不能假設支撐的剛度；不能改變消能器與支撐的連接方式。3.3.3 消能減震結構的總阻尼比應為結構阻尼比和附加阻尼比的總和，結構阻尼比應根據主體結構處于彈性或彈塑性工作狀態(tài)分別確定。3.3.4 消能減震結構的總剛度應為結構剛度和消能部件附加給結構的有效剛度之和。4.4 附加剛度和阻尼比計算6.3.2 消能部件附加給結構的實際有效剛度和有效阻尼比，可按下列方法確定：1位移相關型消能部件和非線性速度相關型消能部件附加給結構的有效剛度可采用等價線性化方法確定。2消能部件附加給結構的有效阻尼比可按下式計算：nj11.基本

14、思路利用振型分解的概念，將多自由度體系分解成若干個單自由度系統的組合，引用單自由度體系的反應譜理論來計算各振型的地震作用，然后再按一定的規(guī)律將各振型的動力反應進行組合以獲得結構總的動力反應。4.5 消能減震結構分析方法4.5.1基于等價線性化的振型分解反應譜法耗能減震結構：首先必須根據耗能減震結構體系非線性的特點對其進行一些處理，然后才能使用振型分解法進行分析。由于某些類型耗能器的恢復力出現較強的非線性（如軟鋼類耗能器、摩擦耗能器），從而導致結構動力方程的非線性，使其不能應用經典的振型分解法求解，需要對耗能減震器非線性力進行等價線性化處理。 X C X KXF MX g M X C X K X

15、 MX g =C =. . .KsKeCs CeK 將耗能減震結構體系的非線性運動方程：M等效線性化后按振型分解法求解，運動方程可寫為：. . . Csj *Cej *原結構的阻尼矩陣一般采用Rayleigh阻尼，通常是滿足正交條件的，即耗能器附加給結構的阻尼矩陣通常不滿正交條件。但是簡化計算可作近似處理，忽略阻尼矩陣的非正交項，則有：ii ji jTCs j 0ii ji jTCe j 0忽略非經典阻尼矩陣非正交項的結構反應誤差不超過10%，大多數情況下誤差不超過5%，即使振型阻尼比大于20%時仍能保持這樣的精度。時程分析方法，亦稱直接動力法，是根據選定的地震波和結構恢復力特性曲線，通過線性

16、加速度法、Wilson- 法等逐步積分的方法對動力方程進行直接積分，從而求得結構在地震過程中每一瞬時的位移、速度和加速度反應。該方法能夠精確反映整個地震過程中，結構從彈性到彈塑性階段的內力變化，以及構件開裂、損壞直至結構倒塌破壞全過程。4.5.2時程分析法(a) 單自由度摩擦耗能結構體系(b) 恢復力模型的疊加(c) 疊加后結構的分析模型圖4.4-6 單自由度摩擦耗能結構體系及其分析模型5.4.3 靜力彈塑性(Push-over)分析方法靜力彈塑性（Push-over）分析方法，是指在結構上施加豎向荷載作用并保持不變，同時沿結構的側向施加某種分布形式的水平荷載或位移，隨著水平荷載或位移的逐級增

17、加，按順序計算結構由彈性狀態(tài)進入彈塑狀態(tài)性的反應，并記錄在每級加載下開裂、屈服、塑性鉸形成以及各種結構構件的破壞行為，以此來發(fā)現結構薄弱環(huán)節(jié)及可能的破壞機制等，并根據不同性能水平的抗震需求（如目標位移）對結構抗震性能進行評估。X & X &任何建筑結構在地震作用下的動力方程可表示為：MCKXMI &靜力彈塑性分析法是將輸入結構的特定地震波等效為一系列的靜力荷載，并逐級增大這個靜力荷載，此時每步等效靜力荷載下的動力方程為：MCKXFeX & X & XgPush-over法的基本原理就是在結構的分析模型上以某種方式側向力，并使該側向力逐級單調增加，直至結構

18、達到預定的狀態(tài)：形成機構、位移超限或達到目標位移，以此來分析結構或構件從彈性狀態(tài)進入彈塑性狀態(tài)的反應，判斷其變形能力是否滿足預定設計和使用功能的要求。4.5.3 Push-over法整個Push-over分析包括選擇合適的側向加載方式、等效單自由度體系的建立、荷載-位移曲線的建立以及結構抗震性能的評估。當結構進入彈塑性階段時，只能近似對其反應進行描述，在高階振型對結構的地震反應影響較大時，采用Push-over分析法得到的計算結果具有較大的誤差。因此，在選用Push-over法進行結構分析時，應滿足以下條件：結構剛度和質量沿高度分布均勻，地震反應以第一振型（基本振型）為主。能量法的概念最初是豪

19、斯納（Housner G.W.）于1956年提出來的，并首次將能量的平衡關系應用于簡單結構的抗震設計之中。4.5.4能量分析法 能量分析法的思想是在地震過程中輸入（耗能減震）結構體系的能量必須與結構體系內部能量的存儲、轉換和消能相平衡。Ein EvEcEkEhEd能量分析法的基本原理是保證地震過程中輸入結構的能量不超過結構所允許的耗能能力。Ein Ed式中忽略了Ev 、 Ec 、 Ek 、 Eh 等因素的影響、一方面簡化了計算，另一方面可作為結構的安全儲備。4.6 消能減震結構設計步驟期望阻尼比設計法采用振型分解反應譜法、時程分析法和靜力彈塑性分析時所用的期望阻尼比循環(huán)設計方法就是以結構所需求

20、的阻尼比作為首要的設計參數，通過對現有的設計方法進行較小的修正，再通過循環(huán)迭代計算分析，從而完成裝設耗能器結構的設計。設計地震設計要求滿足結構特性結束是否無耗能器結構的分析和設計確定結構所需的阻尼比或選擇合適的耗能器位置計算耗能器的剛度和阻尼耗能減震結構的分析否足夠的阻尼比圖5.2-1耗能減震結構的設計流程圖4.7 主體結構設計消能子框架示意圖子框架設計重要構件考慮極限阻尼力附加彎矩等消能支撐消能器4.7 消能子結構設計消能部件子框架3.4.3 在消能器極限位移或極限速度對應的阻尼力作用下，與消能器連接的支撐、墻（支墩）應處于彈性工作狀態(tài)；消能部件與主體結構相連的預埋件、節(jié)點板等應處于彈性工作

21、狀態(tài)，且不應出現滑移或拔出等破壞。4.9 連接與構造5消能器的檢測確保結構安全：理想與現實保護設計者：促進生產商提高質量：3.2.3 消能器的抽樣和檢測應符合下列規(guī)定：1 消能器的抽樣應由監(jiān)理單位根據設計文件和本規(guī)程的有關規(guī)定進行。2 消能器的檢測應由具備資質的第三方進行。5.6.1消能器的性能檢驗，應符合下列規(guī)定：1對黏滯消能器，抽檢數量不少于同一工程同一類型同一規(guī)格數量的20，且不應少于2個，檢測合格率為100，該批次產品可用于主體結構。檢測合格后，消能器若無任何損傷、力學性能仍滿足正常使用要求時，可用于主體結構。2 對黏彈性消能器，抽檢數量不少于同一工程同一類型同一規(guī)格數量的3，當同一類

22、型同一規(guī)格的消能器數量較少時，可在同一類型消能器中抽檢總數量的3，但不應少于2個，檢測合格率為100，該批次產品可用于主體結構。檢測后的消能器不應用于主體結構。3對摩擦消能器、金屬消能器和復合型消能器，抽檢數量不少于同一工程同一類型同一規(guī)格數量的3，當同一類型同一規(guī)格的消能器數量較少時，可在同一類型消能器中抽檢總數量的3，但不應少于2個，檢測合格率為100，該批次產品可用于主體結構。檢測后的消能器不應用于主體結構。4 對屈曲約束支撐，抽檢數量不少于同一工程同一類型同一規(guī)格數量的3，當同一類型同一規(guī)格的消能器數量較少時，可在同一類的屈曲約束支撐中抽檢總數量的3，但不應少于2個，檢驗支撐的工作性能

23、和拉壓反復荷載作用下的滯回性能，檢測合格率為100，該批次產品可用于主體結構。檢測后的檢測后的屈曲約束支撐不應用于主體結構屈曲約束支撐不應用于主體結構。5.6.2 產品檢測合格率未達到100%，應在同批次抽檢產品數量加倍抽檢；加倍抽檢的檢測合格率為100%，該批次產品可用于主體結構；加倍抽檢的檢測合格率仍未達到100%，該批次消能器不能在主體結構中使用。8.18.28.38.48.58.68.7一般規(guī)定消能部件進場驗收消能部件的施工安裝順序施工測量和消能部件的安裝、校正消能部件安裝的焊接和緊固件連接施工安全和施工質量驗收消能部件的維護6消能部件的施工、驗收和維護加固施工開始標記鋼筋檢測準備工作

24、到達現場驗證安裝支座（連接件）安裝阻尼支撐安裝阻尼器密封、油漆完成檢修結束準備工作安裝工作日本某耗能減震加固工程的施工全程(a)標記(c)鉆孔(b)檢測鋼筋(d)打磨外表(e)到達現場(g)預應力釘的張力調整(f)安裝阻尼支撐(h)密封、油漆(i)完成消能器檢查內容及維護（目測檢查）支撐目測檢查內容及維護7地震反應觀測系統的設置3.1.10 抗震設防烈度為7、8、9度時，高度分別超過160m、120m、80m的大型公共消能減震結構，應按規(guī)定設置建筑結構的地震反應觀測系統，建筑設計應預留觀測儀器和線路的位置和空間。8 設計文件中應注明的問題3.1.4確定消能減震結構設計方案時，消能部件的布置應符

25、合下列規(guī)定：3 消能部件的設置，應便于檢查、維護和替換，設計文件中應注明消能器使用的環(huán)境、檢查和維護要求。3.2.2應用于消能減震結構中的消能器應符合下列規(guī)定：2 消能器的性能參數和數量應在設計文件中注明耗能器已經從作為結構附加保護系統的第二道防線發(fā)展成為結構構件的一部分，并取代傳統的結構抗震構件。耗能減震器可用于有抗震或抗風要求的一切結構，應用極為廣泛。一般來說，結構越高、越柔、跨度越大、變形越大，或抗震設防烈度越高，耗能減震效果越顯著。8 耗能器在工程中的應用聯邦緊急救援署(FEMA)建筑抗震安全理事會(BSSC)起草的抗震規(guī)程(FEMA450)，2004年由國家地震災害減輕計劃(NEHRP)ACT4010 消能減震結構設計的依據2005年版的美國鋼結構建筑抗震設計規(guī)范（Seismic P