金屬耗能結(jié)構(gòu)構(gòu)件減震技術(shù)

金屬耗能結(jié)構(gòu)構(gòu)件減震技術(shù)李國強(qiáng)同濟(jì)大學(xué)基本概念基本概念結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗能構(gòu)件（阻尼器）結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件設(shè)計(jì)要求

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的功能

提供結(jié)構(gòu)剛度提供結(jié)構(gòu)承載力支撐框架結(jié)構(gòu)P抵抗靜力（如風(fēng)）消耗結(jié)構(gòu)地震輸入能量結(jié)構(gòu)耗能越好，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)越小。哈哈耗能構(gòu)件的功能

耗能構(gòu)件（阻尼器）的分類

位移型阻尼器提供結(jié)構(gòu)剛度速度型阻尼器不提供結(jié)構(gòu)剛度FV耗能結(jié)構(gòu)構(gòu)件偏心支撐梁段

定義：同時(shí)具備耗能功能和結(jié)構(gòu)功能的構(gòu)件耗能結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)要求

滿足風(fēng)、地震下的正常使用結(jié)構(gòu)剛度要求滿足重力、風(fēng)、小震下的承載力要求

中震、大震下盡量耗能減震

滿足中震、大震下塑性變形低周疲勞要求

滿足易更換要求耗能鋼支撐減震技術(shù)

——屈曲約束（防屈曲）支撐普通支撐：地震下易屈曲破壞1995年,日本阪神地震2008年,汶川地震支撐防屈曲問題屈曲約束支撐撐的概念屈曲約束支撐撐構(gòu)件組成示示意圖通過外加套筒筒，約束支撐撐不發(fā)生屈曲曲。屈曲約束支撐撐的優(yōu)點(diǎn)——具有結(jié)構(gòu)功能能的耗能阻尼尼器屈曲約束支撐撐的優(yōu)點(diǎn)承載力高普通支撐軸向向承載力設(shè)計(jì)計(jì)值屈曲約束支撐撐軸向承載力力設(shè)計(jì)值承載能力比普普通支撐提高高2-10倍減小相鄰構(gòu)件件受力普通支撐受壓壓屈曲，受拉拉與受壓承載載力差異很大大，支撐的內(nèi)內(nèi)力由支撐受壓承載載力控制，而與支支撐相鄰構(gòu)件件的內(nèi)力由支撐受拉承載載力控制。屈曲約束支撐撐的優(yōu)點(diǎn)屈曲約束支撐撐受拉與受壓壓承載力差異異很小，可大大大減小與支支撐相鄰構(gòu)件件的內(nèi)力。大大減小人字字型支撐因受受壓支撐屈曲曲產(chǎn)生的不平平衡力對梁的的影響

很大不平衡力力屈曲約束支撐撐的優(yōu)點(diǎn)循環(huán)加載累積積軸向塑性變變形≥200ΔbyΔby為支撐軸向屈屈服變形美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)協(xié)會鋼結(jié)構(gòu)抗抗震規(guī)范規(guī)定定ANSI/AISC341-05屈曲約束支撐撐最大累積塑塑性變形要求求屈曲約束支撐撐最大變形要要求中國《建筑抗震設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范》(GB50011)結(jié)構(gòu)層間要求求支撐最大容許許軸向變形加載制度1防屈曲支撐試試驗(yàn)應(yīng)按以下下加載幅值及及順序進(jìn)行：：依次在1/300、1/200、1/150、1/100支撐長度的拉拉伸和壓縮往往復(fù)各3次變形。2滯回曲線應(yīng)飽飽滿、穩(wěn)定，，最后一級變變形第3次循環(huán)的承載載力應(yīng)不低于于歷經(jīng)最大承承載力的85%。2008年上海市標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)《高層建筑鋼結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程程》2010年國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范》中國屈曲約束束支撐性能標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)TJ-I型BRB支撐:純鋼約束型TJ-II型BRB支撐：填充約束型構(gòu)造難點(diǎn)：連接段不壓折折國產(chǎn)屈曲約束束支撐研制TJ型屈曲約束支支撐試驗(yàn)TJ型屈曲約束支支撐試驗(yàn)結(jié)果果序號芯板材料屈服承載力(t)最大相對變形相當(dāng)于層間位移角最大拉力(t)最大壓力(t)應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)屈服位移Dy(mm)累計(jì)塑性變形(

Dy)1BLY1601211/801/402562812.121.458422Q1951721/801/402512661.462.773613BLY2251301/801/401851991.422.004834Q235871/1001/501361361.561.733765BLY2257101/801/4092711051.309.07337TJ型屈曲約束支支撐試驗(yàn)結(jié)果果性能與境外產(chǎn)產(chǎn)品相當(dāng)，部分指標(biāo)的要要求更高，價(jià)格低，供貨貨周期短。技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)境外產(chǎn)品本項(xiàng)目產(chǎn)品日本美國臺灣地區(qū)最大變形能力L/100L/100L/100L/80最大累積塑性視需要定200δy200δy>200δy最大屈服承載力≥1500噸

<1000噸

<1000噸

≥3600噸產(chǎn)品價(jià)格高高較高低一半供貨時(shí)間較慢慢較慢快一倍日本新日鐵支支撐TJ型支撐TJ型屈曲約束支支撐與境外產(chǎn)產(chǎn)品對比應(yīng)用效果結(jié)構(gòu)共8層，層高一層層4.2米，以上各層層3.6米。橫向框架架間距為8.4米，2.5米，8.4米；縱向間距距為8.4米，共6榀。結(jié)構(gòu)地震烈度度為8度0.2g。II類場地的ELCENTRO波附加節(jié)點(diǎn)質(zhì)量量：100kN恒載線載：50kN/m活載線載：20kN/m柱截面：箱型型400×400×12××12梁截面：HN500××200屈曲約束支撐撐：TJⅠ-d160屈服噸位為160T核心面積8631mm2承載力設(shè)計(jì)值值為1464kN普通支撐方案案，支撐截面面為屈曲約束束支撐等效核核心面積1.8倍應(yīng)用效果大震分析結(jié)果果與對比比較項(xiàng)屈曲約束支撐方案普通支撐方案基底剪力3114kN5133kN最大樓層剪力曲線大震分析結(jié)果果與對比——最大層間位移移曲線屈曲約束支撐撐方案普普通支撐方方案大震分析結(jié)果果與對比——最不利塑性狀狀態(tài)屈曲約束支撐撐方案普普通支撐方方案替代了日本進(jìn)進(jìn)口產(chǎn)品采用了108根TJI型防屈曲支撐撐降低工程用鋼鋼量約2000噸節(jié)省鋼結(jié)構(gòu)部部分造價(jià)2400萬元上海世博中心心采用了24根TJII型防屈曲支撐撐支撐屈服承載載力1000噸、長度為17m，世界超大防防屈曲支撐節(jié)省工程造價(jià)價(jià)700萬元上海虹橋交通通樞紐(總建筑面積：：150萬m2)東方體育中心心采用普通支撐撐：Φ300mm采用屈曲約束束支撐：Φ200mm鐵路天津西站站人民日報(bào)社新新主樓中國商用飛機(jī)機(jī)總裝廠房采用防屈曲支支撐的世界最最高建筑世界最大防屈曲支支撐工程（支撐屈屈服承載力3600噸、長度為48m）天津117大廈(高度：597m)甘肅玉樹紅旗小學(xué)學(xué)阿富汗Marriott五星級酒店北京嘉和嘉事醫(yī)藥物流倉庫天津西站站房淮安開元國際大酒店世博中心寧波梅墟小學(xué)山東郯城縣醫(yī)院合肥包河小學(xué)山西圖書館蘭州云天酒店玉樹紅旗小學(xué)武漢保利文化廣場銀川平羅四中TJ型BRB應(yīng)用推廣情況已用于全國26個(gè)?。ㄊ校┑?00多個(gè)重大和重要工程出口國外耗能鋼板剪力墻減減震技術(shù)——屈曲約束（防屈曲曲）鋼板墻缺點(diǎn)：在水平剪力作用下下易面外屈曲，滯滯回曲線捏攏嚴(yán)重重普通鋼板剪力墻普通鋼板剪力墻典典型的滯回曲線普通鋼板墻屈曲約束鋼板墻基基本組成屈曲約束鋼板墻滯滯回曲線優(yōu)點(diǎn)：在水平剪力作用下下不發(fā)生屈曲，滯滯回曲線飽滿屈曲約束鋼板墻大高寬比墻三種屈曲約束鋼板板墻小高寬比墻開縫墻混凝土蓋板約束芯芯板構(gòu)造鋼箱蓋板約束芯板板構(gòu)造兩種屈曲約束鋼板板墻的約束板大高寬比屈曲約束鋼板墻試驗(yàn)試件（高寬比大于2）芯板蓋板試驗(yàn)架帶混凝土板的鋼板板剪力墻試驗(yàn)框架和反力架架沒有捏攏現(xiàn)象板厚試件1：30mm試件2：25mm試件3：25mm材料兩端板：Q345中間板：BLY225芯板小高寬比屈曲約束鋼板墻試驗(yàn)試件（高寬比小于1）加載裝置小高寬比屈曲約束鋼板墻試驗(yàn)加載裝置試件1小高寬比屈曲約束鋼板墻試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果試件2試件3彎曲桿的寬厚比b/t高寬比l/b鋼板開豎縫屈曲約束鋼鋼板墻試驗(yàn)b/t=37.5l/b=3b/t=45l/b=3開豎縫屈曲約束鋼鋼板墻試驗(yàn)鋼板墻框架柱芯板鋼箱蓋板（內(nèi)部構(gòu)構(gòu)造）梁屈曲約束鋼板墻框架試驗(yàn)1試件設(shè)計(jì)試件1：單調(diào)加載試件2：反復(fù)加載試件3：反復(fù)加載屈曲約束鋼板墻框架試驗(yàn)2加載裝置單調(diào)加載試件頂層層曲線單調(diào)加載試件底層層曲線屈曲約束鋼板墻框架試驗(yàn)單調(diào)加載試驗(yàn)結(jié)果屈曲約束鋼板墻框架試驗(yàn)反復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果屈曲約束鋼板剪力力墻與框架柱中剪力比率試件I與試件II滯回曲線對比大高寬比鋼板屈曲約束鋼板墻：剛度與承載1初始剛度A=鋼板表面積As=Hb0大高寬比墻小高寬比墻大高寬比鋼板2屈服承載力Mp屈服彎矩Qp純剪切屈服剪屈曲約束鋼板墻：：剛度與承載將鋼板墻等效成支撐等效支撐距離鋼板板墻邊緣的偏心距距e如果鋼板墻不靠柱柱，e=0如果鋼板墻靠柱，，e=50mm工程應(yīng)用-框架結(jié)構(gòu)中國博覽會會展綜綜合體，總建筑面面積147萬m2。建成后將成為世世界上規(guī)模最大的的會展綜合體。工程應(yīng)用-框架結(jié)構(gòu)商業(yè)中心單體防屈曲鋼板墻的布布置防屈曲鋼板墻E-X～E-YE-B～E-CE-K～E-I芯板厚(mm)16620屈服承載力（kN)8580337012740解決了門洞對結(jié)構(gòu)構(gòu)布置的影響問題題不受荷載方向變化化的影響參與承擔(dān)豎向荷載載墻板尺寸達(dá)7m高x3m寬最不利組合下應(yīng)力力云圖2.3倍設(shè)計(jì)荷載作用下下1倍設(shè)計(jì)荷載作用下下耗能連梁（墻）減減震技術(shù)尼加拉瓜美洲銀行行聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)的啟示林同炎T.Y.Lin（1912-2003）美國加州大學(xué)伯克克利分校教授，美美國林同炎國際顧顧問公司名譽(yù)董事事長，第一位亞裔裔美國工程院院士士，中國科學(xué)院外外籍院士，1986年獲美國國家科學(xué)學(xué)獎(jiǎng)18層框筒-聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)連梁20世紀(jì)60年代尼加拉瓜大地地震，美洲銀行僅僅連梁處輕微破壞壞，而周邊建筑倒倒塌原因：1）小震和風(fēng)作用時(shí)時(shí)，連梁聯(lián)系聯(lián)肢肢墻整體工作，剛剛度較大；2）中震、大震時(shí)，，連梁屈服，聯(lián)肢肢墻獨(dú)立工作，結(jié)結(jié)構(gòu)剛度減小、周周期增長、地震作作用減小，同時(shí)連連梁屈服耗能減震震。聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)的啟示耗能鋼連梁-聯(lián)肢剪力墻耗能鋼板墻-聯(lián)肢剪力墻優(yōu)點(diǎn)：剛度與原實(shí)體墻相相當(dāng)屈服限制在鋼板墻墻墻整體延性好，震震后便于修復(fù)墻耗能減震耗能鋼連梁（鋼板板墻）聯(lián)肢剪力墻墻設(shè)計(jì)方法1）混凝土墻的整體體分析可參照傳統(tǒng)統(tǒng)聯(lián)肢墻，采用連連續(xù)化方法或有限限元方法2）鋼連梁（鋼板墻墻）的設(shè)計(jì)原則為為：小震不壞、中中震和大震鋼連梁梁（鋼板墻）先于于混凝土墻屈服3）設(shè)Vd為混凝土墻小震下下底部剪力，鋼連連梁（鋼板墻）按按Vd下不屈服設(shè)計(jì)4）混凝土墻按1.35Vd下不屈服設(shè)計(jì)Vd鋼連梁（鋼板墻））與混凝土墻連接接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求該節(jié)點(diǎn)的承載力，，應(yīng)大于考慮強(qiáng)化化影響的鋼連梁（（鋼板墻）