耗能减震结构.docx
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耗能减震结构
9．3耗能减震结构设计
9．3．l结构耗能减震原理与耗能减震结构特色
结构耗能减震技术是在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、
节点、连结缝或连结件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置耗能（阻尼）装置（或元件），经过耗能（阻尼）装置产生摩擦，曲折（或剪切、扭转）弹塑（或粘弹）性滞回变形耗能来耗散或汲取地震输人结构中的能量，以减小主体结构地震反响，
进而防止结构产生损坏或坍毁，达到减震控震的目的。
装有耗能（阻尼）装置的结构称为耗能减震结构。
耗能减震的原理能够从能量的角度来描绘，如图9．11结构在地震中随意时辰的能量方程为：
传统抗震结构Ein=Ev+Ec+Ek+Eh
耗能减震结构Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed式中Ein——地震过程中输入结构系统的能量；
Ev——结构系统的动能；
Ec——结构系统的粘滞阻尼耗能；
Ek——结构系统的弹性应变能；
Eh——结构系统的滞回耗能；
Ed——耗能（阻尼）装置或耗能元件耗散或汲取的能量。
图9.11结构能量变换门路对照
a）地震输人b）传统抗震结构c）消能减震结构
在上述能量方程中，因为Ev和Ek只是是能量变换，不可以耗能,Ec只占总能量的很小部分（约5％左右），能够忽视不计。
在传统的抗震结构中，主要依靠Eh耗费输入结构的地震能量，
但因结构构件在利用其自己弹塑性变形耗费地震能量的同时，构件自己将遇到损害甚至损坏，某一结构构件耗能越多，则其损坏
越严重。
在耗能减震结构系统中，耗能（阻尼）装置或元件在主
体结构进入非弹性状态前领先进入耗能工作状态，充足发挥耗能作用，耗散大批输入结构系统的地震能量，则结构自己需耗费的能量极少，这意味着结构反响将大大减小，进而有效地保护了主体结构，使其不再遇到损害或损坏。
一般来说，结构的损害程度与结构的最大变形max和滞回耗能Eh（或积累塑性变形）成正比，能够表达为：
Df（max,Eh）
在耗能减震结构中，因为最大变形和构件的滞回耗能较之传
统抗震结构的最大变形和滞回耗能大大减少，所以结构的损害大
大减少。
耗能减震结构拥有减震机理明确，减震成效明显，安全靠谱，
经济合理，技术先进，合用范围广等特色。
当前，已被成功用于
工程结构的减震控制中。
9．3．2耗能减震装置的种类与性能
9．3．2．1耗能减震装置的种类与性能
耗能减震装置的种类好多，依据耗能体制的不一样可分为摩擦
耗能器。
钢弹塑性耗能器、铅挤压阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞
阻尼器等；依据耗能器耗能的依靠性可分为速度有关型（如粘弹
性阻尼器和粘滞阻尼器）和位移有关型（如摩擦耗能器、钢弹塑
性耗能器和铅挤压阻尼器）等。
（1）摩擦耗能器
图912Pall型摩擦耗能器及典型滞回曲线
摩擦耗能器是依据摩擦做功而耗散能量的原理设计的。
当前已有
多种不一样结构的摩擦耗能器，如Pall型摩擦耗能器、摩擦筒制震器、
限位摩擦耗能器、摩擦滑动螺栓节点及摩擦剪切铰耗能器等。
图9．12
（a）（b）为Pall等设计的摩擦耗能装置，它是一可滑动而改变形状
的机构。
机构带有摩擦制动板，机构的滑移受板间摩擦力控制，而摩
擦力取决于板间的挤压力，能够经过松紧节点板的高强螺栓来调理。
该装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动设计，而在激烈地震
作用下，其主要构件还没有发生折服，装置即产生滑移以摩擦功耗散
地震能量，并改变了却构的自振频次，进而使结构在强震中改变
动力特征，达到减震目的。
（怎样设计，怎样计算）
摩擦耗能器种类好多，但都拥有很好的滞回特征，滞回环呈
矩形，耗能能力强，工作性能稳固等特色。
图
9．12（c）为典
型的滞回曲线。
摩擦耗能器一般安装在支撑上形成摩擦耗能支
撑。
（2）钢弹塑性耗能器
软钢拥有较好的折服后性能，利用其进入弹塑性范围后的良
好滞回特征，当前已研究开发了多种耗能装置，如加劲阻尼
（ADAS）装置、锥形钢耗能器、圆环（或方框）钢耗能器、双环钢耗能器、加劲圆环耗能器。
低折服点钢耗能器等。
这种耗能器拥有滞回性能稳固，耗能能力大，长久靠谱其实不受环境与温度
影响的特点。
加劲阻尼装置是由数块相互平行的X形或三角形钢板通
过定位件组装而成的耗能减震装置，如图9.13（a）所示。
它一
般安装在人字形支撑顶部和框架梁之间，在地震作用下，框架层
间相对变形惹起装置顶部有关于底部的水平运动，使钢板产生弯
曲折服，利用弹塑性滞回变形耗散地震能量。
图9．13u）为8
块三角形钢板构成的加劲阻尼装置的滞回曲线。
双环钢环耗能器由两个简单的耗能圆环构成，这种耗能器既
保存了圆环钢耗能器变形大、结构简单、制作方便的特色，又提
高了初始的承载能力和刚度，使其耗能能力大为改良。
试验研究表示，这种耗能器的滞回环为典型的纺锤形，形状饱满，拥有稳固的滞变回路。
加劲圆环耗能器由耗能圆环和加劲弧板构成，即在圆环耗能
器中附带弧形钢板以提升圆环钢耗能器的刚度和阻尼，改良圆环钢耗能器承载能力和初始刚度较低的弊端。
试验研究表示，加劲圆环耗能器工作性能稳固，适应性好，变形能力强，耗能能力可
随变形的增大而提升，并且拥有多道减震防线和多重耗能特征。
低折服点钢是一种折服点很低、延性滞回性能很好的资料，
图9．14所示为钢材型号为BT－I。
YP100、宽厚比D/t为40
的折服点钢耗能器试验后的形状和滞回曲线。
能够看出，该类耗
能器拥有较强的耗能能力，滞回曲线形状饱满，性能稳固。
（3）铅耗能器
铅是一种结晶金属，拥有密度大、熔点低、塑性好、强度低
等特色。
发生塑性变形时晶格被拉长或错动，一部分能量将变换
成热量，另一部分能量为促进再结晶而耗费，使铅的组织和性能
答复至变形前的状态。
铅的动向答复与再结晶过程在常温下进
行，耗时短且无疲惫现象，所以拥有稳固的耗能能力。
图9．15
为利用铅挤压产生塑性变形耗散能量的原理制成的阻尼器。
图
9．15（a）为缩短管型，图9．15（b）为鼓凸轮型，中间心轴相
对钢管运动时，铅被挤呀压经过中心轴与壁间形成的挤压口而产
生塑性变形耗散能量。
铅挤压耗能器拥有有“库仑摩擦”的特色，
图915铅挤压阻尼器及典型滞回曲线
其滞回曲线基本呈矩形，如图9．15（C），在地震作用
下，挤压力和耗能能力基本上与速度没关。
别的，还有益用铅产
生剪切或弯剪塑性滞回变形耗能原理制成的铅剪切耗能器I形铝
耗能器等。
（4）粘弹性阻尼器
粘弹性阻尼器是由粘弹性资料和拘束钢板所构成。
典型的粘
弹性阻尼器如图9.16（a）所示，它是由两个T形拘束钢板夹一
块矩形钢板所构成，T形拘束钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹
性资料，在频频轴向力作用下，拘束T形钢板与中间钢板产生相
对运动，使粘弹性资料产生来去剪切滞回变形，以汲取和耗散能
量。
图9.16（b）为粘弹性阻尼器的典型滞回曲线，能够看出，其滞回环呈椭圆形，拥有很好的耗能性能，它能同时供给刚度和阻尼。
因为粘弹性资料的性能受温度、频次和应变幅值的影响，所以粘弹性阻尼器的性能受温度、频次和应变幅值的影响，
有关研究结果表示，其耗能能力跟着温度的增添而降低；跟着频次的增添而增添，但在高频下，跟着循环次数的增添，耗能能力
渐渐退化至某一均衡值。
当应变幅值小于50％时，应变的影响
不大，但在大应变的激励下，跟着循环次数的增添，耗能能力逐
渐退化至某一均衡值。
（5）粘滞阻尼器
粘滞阻尼器主要有筒式粘滞阻尼器、粘滞阻尼墙系统等。
筒
式粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘滞流体构成。
活塞上开有小
孔，并能够在充有硅油或其余粘性流体的缸内作来去运动。
当活
塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞的小孔内经过，对二者
的相对运动产生阻尼，进而耗散能量。
图9．17（a）为典型的
油阻尼器，图9．17（b）为油阻尼器的恢复力特征，形状近似为
椭圆。
油阻尼器产生的阻尼力一般与速度和温度有关。
9．3．2．2耗能器的恢复为模型
（1）速度有关型耗能器的恢复力模型
图9．18为速度有关型耗能器的恢复力-变形曲线。
速度相
关型耗能器的恢复力与变形和速度的关系一般能够表示为：
Fd
kd
Cd&
式中kd和Cd——耗能器的刚度和阻尼器系数；
和&—耗能器的相对位移和相对速度。
关于粘滞阻尼器，一般Kd=0，C=C0，阻尼力仅与速度有
关，可表示为:
FdC0&
式中C0粘滞阻尼器的阻尼系数，可由阻尼器的产品型号给定或由试验确立。
关于粘弹性阻尼器，刚度和阻尼系数一般由式下式确立：
AGAG
CdKd
式中η（ω）、G（ω）—粘弹性资料的损失因子和剪切模量，
一般与频次和速度有关，由粘弹性资料特征曲线
确立；
A、δ——粘弹性资料层的受剪面积和厚度；
ω—结构振动的频次。
（2）滞变型耗能器的恢复力模型
软钢类耗能器拥有近似的滞回性能，可采纳相像的计算模
型，仅其特色参数不一样。
该类耗能器的最理想的数学模型可采纳
Ramberg－Osgood模型，但因为其不便于计算剖析，故可采
用图9.19（a）所示的折线型弹性-应变硬化模型来描绘，恢复
力和变形的关系可表示为：
Fdk1y0k1y
式中K1——初始刚度；
a。
——第二刚度系数；
y—折服变形。
摩擦耗能器和铅耗能器的滞回曲线近似为“矩形”，拥有较
好的库仑特征，且基本不受荷载大小、频次、循环次数等的影响，
故可采纳图9.19（b）所示的刚塑性恢复力模型。
关于摩擦耗能器，恢复力可由式（9．20）计算：
FdF0sgn&t
F0-静摩擦力
关于铅挤压阻尼器，恢复力可按式（
9．21）计算：
Fd1ylnA1A2f0
式中β——大于1的系数；
A1——铅变形前的面积；
A2——发生塑性后的截面面积；
f0——摩擦力。
9．3．3耗能减震结构的设计要求
（1）耗能零件的设置
耗能减震结构应依据罕遇地震作用下的预期结构位移控制
要求，设置适合的耗能零件，耗能零件可由耗能器及斜支撑、填
充墙、梁或节点等构成。
耗能减震结构中的耗能零件应沿结构的两个主轴方向分别
设置，耗能零件宜设置在层间变形较大的地点，其数目和散布应经过综合剖析合理确立。
（2）耗能零件的性能要求
耗能零件应知足以下要求：
①耗能器应拥有足够的汲取和耗散地震能量的能力和适合
的阻尼；耗能零件附带给结构的有效阻尼比宜大于10％，超出
20％时宜按20％计算。
②耗能零件应拥有足够的初始刚度，并知足以下要求：
速度线性有关型耗能器与斜撑、填补墙或梁构成耗能零件
时，该零件在耗能器耗能方向的刚度应切合式（
9．22）要求：
kb6T1CV
式中Kb—支承构件在耗能器方向的刚度；
Cv—耗能器的线性阻尼系数；
T1—耗能减震结构的基本自振周期。
位移有关型耗能器与斜撑、填补墙或梁构成耗能零件时，
该零件恢复力滞回模型的参数宜切合以下要求；
UPy/
USy2/3
kp
UPy
0.8
ks
Usy
式中Kp．——耗能零件在水平方向的初始刚度；
Upy——耗能零件的折服位移；
Ks——设置耗能零件的结构层间刚度；
Usy——设置耗能零件的结构层间折服位移。
③耗能器应拥有优秀的持久性能，能长久保持其初始性能；
④耗能器应结构简单，施工方便，易保护。
⑤耗能器与斜支撑、填补墙、梁或节点的连结，应切合钢构
件连结或钢与钢筋混凝土构件连结的结构要求，并能肩负耗能器
施加给连结节点的最大作使劲。
（3）耗能器附带给结构的有效阻尼比和有效刚度
当采纳底部剪力法、振型分解反响谱法和静力非线性法时，
耗能零件附带给结构的有效阻尼比，可按式（
9．25）估量：
aWC/4WS
（9．25）
式中ζα—耗能减震结构的附带阻尼比；
Wc——全部耗能零件在结构预期位移下来去一周所耗费
的能量；
Ws——设置耗能零件的结构在预期位移下的总应变能。
不考虑扭转影响时，耗能减震结构在其水平川震作用下的总
应变能，可按式（9．26）估量：
WS
1
FUii
2
（9.26）
式中Fi——质点i的水平川震作用标准值；
Ui——质点i对应与水平川震作用标准值的位移。
速度线性有关耗能器在水平川震作用下所耗费的能量Wc
可按式（9．27）估量：
WC22/T1Cjcos2ju2j
式中T1———耗能减震结构的基本自振周期；
Cj——第j个耗能器的线性阻尼系数；
θj——第j个耗能器的耗能方向和水平面的夹角；
uj——第j个耗能器两头的相对水平位移。
当耗能器的阻尼系数和有效刚度与结构振动周期有关时，可
取相应于耗能减震结构基本自振周期的值。
位移有关型、速度非线性有关型和其余种类耗能器在水平川
震作用下所耗费的能量Wc，可按式（9．28）估量；
WCAj（9．28）
式中Aj——第j个耗能器的恢复力滞回环在相对水平位移为
uj时的面积。
耗能器的有效刚度可取耗能器的恢复力滞回环在相对水平
位移为uj时的割线刚度。
当采纳非线性时程剖析法时，耗能器附带给结构的有效阻尼
比和有效刚度宜依据耗能器的恢复力模型确立。
（4）耗能减震结构系统的抗震计算剖析
耗能减震结构系统的抗震计算剖析，一般状况下，宜采纳静
力非线性剖析或非线性时程剖析方法。
当耗能减震系统的主要结
构构件基本处于弹性工作阶段时；可采纳线性剖析方法作简化估
算，并依据结构的变形特色和高度等，分别采纳底部剪力法、振
型分解反响谱法和时程剖析法。
剖析时，耗能减震结构的总刚度应为结构刚度和耗能零件有
效刚度的总和；耗能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和耗能
零件附带给结构的有效阻尼比的总和；耗能零件有效刚度和有效
阻尼比，应经过试验确立。
本章小结
1．隔震和耗能减震是建筑结构减少地震灾祸的新技术、新
方法和新门路。
隔震系统经过延伸结构的自振周期减少结构的水
平川震作用，已被外国强震记录所证明。
耗能减震系统经过耗能
器增添结构阻尼来减少结构在风作用下的位移是公认的事实，对
减少结构水平易竖向的地震反响也是有效的。
2．隔震技术有多种方案，如橡胶支座隔震、摩擦滑移隔震、
转动隔震、支撑式摇动隔震和混淆隔震等。
但当前研究和应用最
多的是橡胶支座隔震，此中尤以铅芯橡胶支座应用最为宽泛，它
能在竖向支承结构的同时，供给水平向柔性和恢复力，并能供给
所需的滞变阻尼。
隔震层的地点宜设置在上部结构和基础之间，
即结异，隔震层以下的结构设置计算也更复杂，需作特意研究。
3、隔震结构方案确准时应综合考虑建筑高度和层数、最大
高宽比、结构种类、场所等要素，经技术与经济比较后确立。
4．隔震支座部署时应力争使质量中心和刚度中心一致。
5．隔震结构的抗震计算一般采纳时程剖析法，对砌体结构
及其基本周期相当的结构可采纳底部剪力法。
6．隔震结构的结构举措对上部结构、下部结构、隔震支座
的搁置与连结、穿越隔震层管线的连结、隔震结构与周边防震缝
及隔震结构与地面之间的水平隔绝缝等作出了要乞降规定。
7．耗能器依据耗能的体制和资料不一样，可分为摩擦耗能器、
钢弹塑性耗能器。
铅耗能器、粘弹性阻尼器。
粘滞阻尼器、记忆合金耗能器、铅粘弹性阻尼器及摩擦一弹
塑性耗能器等。
依据耗能性能和阻尼力与位移或速度的依靠性可
分为位移有关型和速度有关型。
8．耗能器拥有较宽的合用范围，不一样种类的结构、不一样高度的结构均合用，同时，耗能器不改变结构的基本形式，所以，
耗能零件外的结构设计可按一般结构种类的要求履行。
设计需要
解决的问题是：
耗能零件在结构中的散布和数目，耗能器附带给
结构的阻尼比和刚度计算，耗能减震系统在罕遇地震作用下的位
移计算以及耗能零件与主体结构的连结结构等。
思考题
gi隔震结构和传统抗震结构有何差别和联系？
92隔震和耗能减震有何异同？
93隔震装置有哪些性能要求？
94隔震结构的部署应知足哪些要求？
95什么是水平向减震系数？
怎样取值？
9．6怎样进行隔震结构在罕遇地震作用下的变形验
算？
97耗能器有哪些种类？
其性能特色是什么？
9．8耗能零件附带给耗能减震结构的有效刚度和有
效阻尼比应怎样取值？
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