1、结构消能减震技术结构消能减震技术1、结构消能减震的基本概念地震发生时地面震动引起结构物的震 动反应,地面地震能量向结构物输入。结构 物接收了大量的地震能量,必然要进行能量 转换或消耗才能最后终止震动反应。消能减震技术是将结构的某些构件设 计成消能构件,或在结构的某些部位装设消 能装置。在风或小震作用时,这些消能构件 或消能装置具有足够的初始刚度,处于弹性 状态,结构具有足够的侧向刚度以满足正常 使用要求;当出现大风或大震作用时,随着 结构侧向变形的增大,消能构件或消能装置 率先进入非弹性状态,产生较大阻尼,大量 消耗输入结构的地震或风振能量,使主体结 构避免出现明显的非弹性状态, 且迅速衰减
2、结构的地震或风振反应(位移、速度、加速 度等),保护主体结构及构件在强地震或大 风中免遭破坏或倒塌,达到减震抗震的目 的。消能部件(消能构件或消能装置及其 连接件)按照不同“构件型式”分为消能支撑、 消能剪力墙、消能支承或悬吊构件、消能节 点、消能连接等。 消能部件中的消能器(又 称阻尼器)分为速度相关型如黏滞流体阻尼 器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼墙、黏弹性阻 尼墙;位移相关型如金属屈服型阻尼器、摩 擦阻尼器等,和其它类型如调频质量阻尼器(TMD )、调频液体阻尼器(TLD)等。 采 用消能减震技术的结构体系与传统抗震结 构体系相比,具有大震安全性、经济性和技 术合理性。技术指标:建筑结构消能减
3、震设计方 案,应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈 度、场地条件、建筑结构方案和建筑使用要求,与采用抗震设计的设计方案进行技术、 经济可行性的对比分析后确定。 采用消能减 震技术结构体系的计算分析应依据 建筑抗震设计规GB50011进行,设计安装做法 应遵循国家建筑标准设计图集 建筑结构消 能减震(振)设计09SG610-2,其产品应符 合建筑消能阻尼器JG/T209的规定。适用围:消能减震技术主要应用于高层 建筑,高耸塔架,大跨度桥梁,柔性管道、 管线(生命线工程),既有建筑的抗震(或抗风) 性能的改善等。传统抗震结构体系,容许结构及承重构 件(柱、粱、节点等)在地震中出现损坏结构 及承重构件
4、地震中的损坏过程, 就是地震能量的“消能”过程。结构及构件的严重破坏或 倒塌,就是地震能量转换或消耗的最终完结构消能减震体系,就是把结构物的某 些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件等) 设计成消能杆件,或在结构的某部位(层间空 间、节点、联结缝等)装设消能装置。在风或 小地震时,这些消能构件或消能装置具有足 够的初绐刚度,处于弹性状态,结构物仍具 有足够的侧向刚度以满足使用要求。 当出现中、强地震时,随着结构侧向变形的增大.消 能构件或消能装置率先进人非弹性状态, 产生较大阻尼,大量消耗输人结构的地震能 量,使主体结构避免出现明显的非弹性状 态,并且迅速衰减结构的地震反应(位移、速 度、加速度
5、等),从而保护主体结构及构件在 强地震中免遭破坏,确保主体结构在强地震 中的安全。消能减震结构体系与传统抗震结构体 系相对比,具有下述优越性:安全性:传统抗震结构体系实质上是把结 构本身及主要承重构件(柱、梁、节点等)作 为“消能”构件。按照传统抗震设计方法容 许结构本身及构件在地震中出现不同程度 的损坏。由于地震烈度的随机变化性和结构 实际抗震能力设计计算的误差,结构在地震 中的损坏程度难以控制; 特别是出现超烈度 强地震时,结构难以确保安全。消能减震结构体系由于特别设置非承 重的消能构件(消能支撑、消能剪力墙等)或 消能装置,它们具有极大的消能能力,在强 地震中能率先消耗结构的地震能量,
6、迅速衰减结构的地震反应,并保护主体结构和构件 免遭损坏,确保结构在强地震中的安全。据我国对消能臧震结构的振动台试验(冼巧玲、周福霖、俞公骅,1995)及国外学 者完成的振动台试验 (Pull,1988 ; Kelly,1990 ; soong , 1992)可知,消能减震结构与传统抗震结构相对比,其地震反应减少40%60%。另外,消能构件(或装置)属“非结构构 件”,即非承重构件,其功能仅是在结构变 形过程中发挥消能作用,而不承担结构的承 载作用,即它对结构的承载能力和安全性不 构成任何影响或威胁。所以,消能减震结构 体系是一种非常安全可靠的结构减震体系。经济性:传统抗震结构采用“硬抗”地震的
7、 途径,通过加强结构、加大构件断面、加多 配筋等途径中提高抗震性能,因而,抗震结 构的造价大大提高。消能减震结构是通过“柔性消能”的途径 以减少结构地震反应,因而,可以减少剪力 墙的设置,减小构造断面,减少配筋,而其 耐震安全度反而提高。 据国外工程应用总结资料。采用消能减震结构体系比采用传统抗 震结构体系,可节约结构造价 5 %10%。若用于旧有建筑结构的耐震性能改造加固, 消能减震加固方法比传统抗震加固方法, 节省建造价10%60%。技术合理性:传统抗震结构体系是通过加 强结构,提高侧向刚度以满足抗震要求的: 但结构越加强.刚度越大,地震作用 (荷载)也越大.只能再加强结构。如此恶性借环,
8、 其结果,除了安全性、经济性问题外,对于 采用高强、轻质材料(强度高、断面小、刚度 小)的高层建筑、超高层建筑、夫跨度结构及 桥梁等的技术发展,造成严重的制约。消能减震结构则是通过设置消能构件 或装置,使结构在出现变形时大量迅速消耗 地震能量,保护主体结构在强地震中的安 全。结构越高、跨度越大,消能减震效果越 显著。因而,消能减震技术必将成为采用高 强轻质材料的高柔结构(超高层建筑、大跨度 结构及桥梁等)的合理新途径。由于消能减震结构体系有上述优越性, 已被广泛、成功地应用于“柔性”工程结构物 的减震(或抗风)。一般来说,层数越多、高 度越高、跨度越大、变形越大,消能减震效 果越明显。所以多被
9、应用于下述结构: 高层建筑,超高层建筑;高柔结构,高 耸塔架;大跨度桥梁;柔性管道、管线(生命线工程):旧有高 柔建筑或结构物的抗震(或抗风)性能的改善 提高。结构消能减震体系由主体结构和消能 构件(或装置)组成,可按消能构件的不同“构 件型式”和消能装置的不同“消能型式”分类, 详见下图所示。厂I甬能支捧2、消能构件的不同构造形式结构消能减震体系中的消能构件(或装置),按照其构造形式可以做成:消能构件的不同构造形式1消能支撑:消能支撑可“代替一般的结构 支撑,在抗震(或抗风)中发挥支撑的水平刚 度和消能减震作用。消能支撑可以做成方框 支撑、圆框支撑、交叉杆支撑、斜杆支撑、K形支撑、双K形支撑
10、等。2消能剪力墙:消能剪力墙可代替一般结构 的剪力墙,在抗震(或抗风)中发挥剪力墙的 水平刚度和消能减震作用。消能剪力墙可做 成竖缝剪力墙、横缝剪力墙、斜缝剪力墙、 周边缝剪力墙、整体剪力墙、分离式剪力墙轻就力力甲 廣蜀时力堆(0界诞酣力血心周也捷四力垢3消能节点:在结构的梁柱节点或粱节点 处装设消能装置。当结构产生侧向位移,在 节点处产牛角度变化、转动式错动时消能 装置即发挥消能减震作用。(b)蠻消能糕4消能联结:在结构的缝隙处或结构构件之 间的联结处设置消能装置。 当结构在缝隙或 联结处产生相对变形时,消能装置即发挥消 能减震作用。5消能支撑或悬吊构件:对于某些线结构(如 管道、线路等),
11、设置各种支撑或悬吊消能装 置。当线结构发生震动时,支承或悬吊件即 发挥消能减震作用。3、消能装置的不同消能形式消能构件中装设有消能装置;消能装置 的功能是,当构件(或节点)发生相对位移或 转动时,产生较大的阻尼从而发挥消能减 震作用。为了达到最佳消能效果,要求消能 装置提供最大的阻尼,即当构件(或节点)在 力(或弯矩)作用下发生位移(或转动)时,所做 的功最大。 为了使消能装置具有较大的消能能力可以采用多种消能形式,一般有 下述几种:1摩擦消能:如摩擦消能支撑,摩擦节点(图2-6-16);2钢件(梁、板、棒)非弹性消能装置 (图2-6-17);3材料塑性变形消能:如挤压铅阻尼器 (图2-6-18);4材料粘弹性消能装置(图2-6-19);5液体阻尼消能:如液体阻尼泵;6混合式:几种消能形式混台应用;2-6-16 摩擦消能装置划耳乱龙券图2-6-17消能阻尼装置图2-6-18铅挤压阻尼器图2-6-19 粘弹性材料阻尼装置结构消能减震的实质是: 在结构设置消能构件(或消能装置),它们能为结构提供较 大的阻尼,在地震时大量消耗输入结构的震 动能量,有效衰减结构的地震反应。
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