阻尼器应用研究耗能减震加固技术.docx

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阻尼器应用研究耗能减震加固技术

1.2.1传统抗震加固技术

在以上三个阶段的发展过程中，我国在抗震加固技术方面开展了大量的试验研究并取得了丰富而系统的研究成果，同时在工程实践中也积累了丰富的经验，针对不同结构类型形成了一套比较完备的加固技术方法。

需要进行抗震加固的建筑中，钢筋混凝土结构占相当的比例，本文是以钢筋混凝土框架结构为研究对象，下面就现阶段对钢筋混凝土框架结构的主要抗震加固技术方法作一介绍。

现阶段比较成熟并被广泛应用的主要抗震加固方法可以分为四大类3：

A.增设支撑加固法（图1-1）

在主要的框架内部或外部附设若干钢支撑，同时提高框架梁、柱的强度和变形能力。

增设支撑的施工方法的优点是重量较轻，工期较短，可以确保结构的强度和延性。

在建筑的外围框架中增设支撑施工的同时，房屋的内不还能照常使用，此类工程实例很多；但是也有缺点，采用钢支撑，通常都是按受拉杆件设计，在往复地震作用下容易产生屈曲破坏，且耗能能力有限，震后需要替换。

B.框架柱加固法

通过加固原结构柱可以提高原构件的承载力，该身构件的延性，此外还可以使“强梁弱柱”体系改变为“强柱弱梁”体系，从而达到抗震加固的目的。

此方法主要有下面几种：

加大截面法（图1-2），又称为外包混凝土加固法，即通过在原混凝土构件外，叠浇新的钢筋混凝土，增大结构构件截面面积或配筋，达到提高结构的承载力和刚度的目的。

根据构件的受力特点、薄弱环节等，可以设计成单侧、双侧、三侧或四面加大截面。

增设翼墙法（图1-3），通过现浇或预制单片翼墙加强框架柱，使塑性铰离开框架柱，转移到翼墙上，迫使地震破坏远离框架柱，形成较理想的弯剪破坏防倒塌机理。

粘钢或碳纤维（CFRP）补强法（图1-4），在柱子外侧粘贴钢板或者高强的碳纤维材料，此方法高强高效，自重轻又不增大柱子截面，但是造价也是较高。

C.增设抗震墙加固法（图1-5）

在框架间插入抗震墙，有效地提高结构的抗侧力强度和刚度，减小结构的变形，但结构的延性将随之下降。

此方法盈利传递简单，刚度和强度高，可靠性好，同时该墙体不需要用特殊材料，故造价也较低；但是由于增加的墙体重量大，基础必需有足够可承载力或者进行加固，同时也妨碍了采光、通风、出入等建筑的使用功能，工期也很长。

1.2.2耗能减震加固技术

1）被动控制

1972年美籍华裔学者J.T.PYao结合现代控制理论，提出土木工程结构控制的概念其研究和应用已有30多年的历史。

结构控制是指在结构某个部位设置一些控制装置，当结构振动时，被动或主动地施加一组控制力或改变结构的动力特性，减小结构振动反应，以满足结构安全性和舒适性的要求。

按是否需要外部能量输入，结构减震控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制四类[15][16][17]。

被动控制不需要提供外部能量，而通过减震、隔震装置来消耗振动能量，同时阻止振动在结构中的传播，它具有构造简单、造价低、易于维护且无需外界能源支持等优点而被广泛应用。

被动控制主要包括基础隔震、耗能减震和调谐减震[18][19]。

2）耗能减震

耗能减震[22][23]的概念由Kelleyetal.（1972）andSkinneretal.（1975）提出[24]，进而得到了广泛的认同。

耗能减震技术是把结构物中的某些构件（如支撑、剪力墙等）设计成耗能部件或在结构物的某些部位（节点或连接处）设置阻尼器，在小荷载作用下，耗能杆件和阻尼器能处于弹性状态，在强烈地震作用下，耗能装置首先进入非弹性状态，大量消耗输入结构的能量，使主体结构避免进入明显的非弹性状态从而保护主体结构小受破坏[16]。

耗能减震加固方法作为一种新型的抗震加固方法，吸收了传统的延性结构的设计思想，同时又克服了延性构件损坏后难以修复的缺点，它所使用的耗能器及其支撑构件和连接构件可预先制作、现场安装，因而施工方便简单、施工周期短且不改变原貌，更重要的是减震效果显著，造价低，开辟了耗散能量减震的新方法[4][5]，已在新建工程、建筑抗震加固及震后修复工程中得到广泛的应用。

比如国外的有纽约世贸大厦、墨西哥市长大楼[4]等[25]，国内有北京饭店[7][8]、东北某政府大楼[9]等[10][11][12][13]。

耗能减震体系适用于高层建筑、超高层建筑和高耸构筑物，对抗震和抗风都有效，而且性能可靠，但装设数量少时作用小大，数量多时造价显著增加[16]。

3）耗能减震装置的分类

耗能减震装置[18][4]主要有金属耗能器、摩擦耗能器、粘弹性耗能器、粘滞耗能器，前两种耗能器的耗能特性主要与耗能器两端的相对位移有关，称为位移相关型耗能器，后两种耗能器的耗能特性主要与各类耗能器两端的相对速度有关，称为速度相关型耗能器。

此外，研究人员还结合以上各类耗能器的耗能机制和特性，研究开发了具有多种耗能机制的复合型耗能器。

A.金属耗能器

金属耗能器主要是由各种不同的金属材料（如软钢、低屈服点钢和铅等）制成，利用金属材料屈服时产生的塑性滞回变形来耗散能量的减震装置。

目前较具特色的软钢阻尼器是三角形软钢阻尼器（TADAS）和X形软钢阻尼器（XADAS）两种（图1-1）,分别是Whittaker等人和Khe-ChyuanTsai等人研究开发的，是目前应用较多的软钢阻尼器。

值得提出的是：

日本和美国新近出现的抑制屈曲支撑软钢阻尼器（图1-2），在其内核钢支撑和外包层之间形成无粘结滑移界面，防止内核钢支撑在压力作用下屈曲，从而获得丰满的滞回曲线[30][31]。

该阻尼器具有方便耐用、滞回耗能性能良好的特点，逐渐得到工程界的广泛认可和积极地应用[32][33]。

图1-1X型和三角型软钢阻尼器图1-2防屈曲钢支撑阻尼器

Fig.1-1X-shapeandTriangularDamperFig.1-2SteelBuckling-restrainedBrace

B.摩擦耗能器

摩擦耗能器主要是由金属组合构件和摩擦片在一定预紧力下组成一个能够产生滑动摩擦的机构，利用滑动摩擦做功耗散能量的减震装置。

1980年Pall等首先设计出限位滑移螺栓节点和Pall摩擦耗能器[35]（图1-3）[36]，随后研究人员相继开发出由不同材料、摩擦介质和不同机械组合方式组成的各类摩擦耗能器。

各类传统的摩擦耗能器普遍具有典型的库仑特性，其滞回曲线接近理想矩形，在反复荷载作用下其耗能能力强，工作性能稳定，基本不出现退化现象。

图1-3Pall摩擦阻尼器

Fig.1-3FrictionalEnergyDissipator

C.粘弹性耗能器

粘弹性耗能器主要是由具有弹性和粘性双重特性高分子聚合物制成的粘弹性材料和约束钢板所组成，依靠粘弹性材料产生的剪切变形或拉压变形来耗散能量的减震装置。

粘弹性材料最早于20世纪50年代应用于航空、航天和军工业进行振动控制，在土木工程中最早用于结构的风振反应控制，用于结构的地震反应控制则开始于最近十几年。

最早的典型粘弹性耗能器是美国3M公司生产的由粘弹性材料和约束钢板叠合粘结而成的剪切型粘弹性耗能器（图1-4）[37][38]。

粘弹性耗能器在小变形情况下便能进入工作耗能状态，表现出一定的弹性和粘性特性，其滞回曲线呈椭圆形，具有良好的耗能能力；耗能能力随环境温度和加载频率的增加会有所降低，粘弹性耗能器中大部分粘弹性材料由于受到钢板的包裹，避免了直接接触空气，使其老化性能有很大提高，具有良好的耐久性；在正常环境温度下和设计剪应变范围内，耗能器具有良好的疲劳稳定性能。

图1-4粘弹性阻尼器

Fig.1-4ViscoelasticDamper

D.粘滞耗能器

粘滞耗能器一般是由缸筒、活塞、阻尼孔、粘滞流体材料和导杆等部分组成（图1-5），利用活塞与缸筒之间相对运动时所产生的压力差挤压迫使粘滞流体材料从阻尼孔中通过，从而产生阻尼力，通过粘滞耗能耗散能量。

粘滞耗能器最早应用于机械工程、军用装备和航空领域的振动控制。

1990年，Constantinou等开始研制应用于土木工程结构的粘滞耗能器[24]。

粘滞耗能器作为典型的速度相关型耗能器，激振频率、相对速度、外界温度等对粘滞耗能器的性能具有不同程度的影响，但在微小的变形条件下，粘滞耗能器便能开始进入耗能工作状态，其滞回曲线呈饱满的椭圆形或近似矩形，具有较强的耗能能力；粘滞耗能器仅为结构提供附加阻尼，且恢复力与位移存在90的相位差，因此对结构自振周期影响不大，与耗能器连接的构件、节点的受力也比其它类型的耗能器有利。

图1-5粘滞阻尼器

Fig.1-5ViscousDampingWall

2.1耗能减震结构的耗能原理

耗能减震技术主要通过在结构的某些部位增设耗能器或耗能部件，为结构提供一定的附加刚度或附加阻尼，在地震作用或风荷载作用下主要通过耗能部件来耗散输入结构的能量，以减轻结构的动力反应，从而更好地保护主体结构的安全，是一种有效、安全、经济且日渐成熟的工程减震技术[18]。

耗能减震的原理可以从两个角度来考虑：

a）从能量的角度来考虑。

根据UangandBertero（1988）提出的能量概念，地震时结构的能量转换可表示为[24]：

原结构

（2-1）

耗能减震结构

（2-2）

其中：

在原结构中，由于动能和势能都是能量转换，不能耗能，而结构阻尼耗能也只有总能量的5%左右[4]，可忽略，只有结构的滞回耗能占主要部分，所以结构易于损伤破坏。

一般说来，结构损伤

与结构的最大变形

和滞回耗能

成正比，可表达为

（2-3）

由于在耗能减震结构中，原结构的最大变形和滞回耗能都会大大减小，所以耗能减震加固能很好的保护原结构。

b）从结构振动力学角度考虑。

下面为便于理解，通过对单质点体系强迫振动的情况来分析结构阻尼对结构振动的影响[41]。

单自由度体系运动

（2-4）

其解为

（2-6）

其中：

动力放大系数

（2-7）

式（2-6）可理解为质点的振动反应等于静力反应

乘以结构动力放大系数β。

所以，β值是决定结构体系振动反应的关键函数。

如果β>1，则结构强迫振动为“放大”效应。

如果β<1，则结构强迫振动为“衰减”效应，其分界线为β=1，此时

。

分析式（2-7）和图2-1，可知结构阻尼对M值的影响如下[41][42]：

（1）在

的范围内，若结构体系阻尼比越小，则β值越大，结构振动为“放大”效应。

若结构体系阻尼比越大，则β值越小，结构振动为“衰减”效应。

（2）当结构体系阻尼比

时，在（

）的所有数值范围内，结构动力放大系数β永远小于1。

图2-1单质点强迫振动

曲线

Fig.2-1

CurvesofSDOFForcedVibration

由以上分析可知，由于大多数结构自身的阻尼比仅约5%，当地震发生时结构振动将处于“放大”效应状态，对安全是很不利的。

通过安装消能器来增加主体结构的阻尼，将使结构的振动反应呈现“衰减”状态。

而当为主体结构提供的阻尼达到一定的数值时，则在任何外力（地震、风等）冲击下，都能确保有效控制结构的振动反应[42]。

3.1耗能减震技术与传统技术的比较

消能减震装置既可用于新建工程既又可用于现有建筑的抗震加固，应用消能减震技术开辟了抗震加固的新途径，具有概念简单，加固机理明确，加固效果显著，施工简便，安全可靠的特点，适用于不同烈度不同加固要求的建筑，己越来越为各国专家学者和工程师们所重视，是一种具有广泛应用前景的新技术。

传统的加固方法往往单靠提高结构的承载力和刚度来抵御地震，然而地震作用随结构刚度的增加而增加[6]。

在高烈度地区，单靠提高建筑结构的承载力和刚度来抵御地震是不经济的，有些建筑有特殊抗震要求或采用传统的加固方法不能满足抗震设防要求，同时由于传统的加固方法施工复杂、有时尚需加强基础或新增加基础，施工周期长，干扰用户。

这种情况下，采用消能减震技术进行抗震加固是非常有效的，而且比较适用于钢筋混凝土框架结构。

与传统的加固方法相比，采用消能减震技术进行抗震加固具有的优越性见表3-1。

表3-1传统加固方法与耗能减震加固方法的比较

对比内容

传统加固方法

耗能减震加固方法

采用原理

提高结构的强度和刚度，以“硬抗”为主

采用附加耗能装置消耗地震能量，以柔克刚

做法

加大截面、增设墙体、粘贴钢板，或改变、增加原结构

增设耗能装置为非结构构件，对主体结构无太大影响

加固后结构的性能

刚度和延性难以达到良好的匹配，易造成刚度突变、局部应力集中、薄弱层转移

以非承重构件作为耗能赶建，改变了结构的动力特性，保护了主题结构的安全，且不改变结构的原貌

强震中的状态

发生非弹性变形，剧烈震动，容易破坏或倒塌

主体结构部件不进入明显的非弹性状态，振动反应较小

施工方法

较复杂，有时需要加强基础，施工周期长，干扰性大

控制装置构造简单，易于安装，施工周期短，干扰性小

经济性

材料用量大，人工费用高

节省材料，人工费用低

3.2.1方案分析