耗能减震技术在结构减震中的应用研究(文献综述)

文献综述耗能减震技术在结构减震中的应用研究1.前言传统的抗震设计是利用结构本身的抗震性能抵御地震作用，以达到抗震的目的,这是“硬碰硬”式的抗震,是一种消极被动的抗震方法。耗能减震技术[1]原理是通过附加的子结构或者耗能装置，以消耗地震传递给结构的能量为目的，以减小主体结构地震反应或减轻其破坏,达到抗震的目的。1972年新西兰的Kelly等人[2]首先提出金属屈服耗能器，并进行了软钢耗能器的研究和试验。为了改善地震作用下结构的工作性能，近年来国内外已开发出了各种耗能阻尼器。目前,已开发出多种耗能减震装置,它们可归纳为以下三类:(1)金属阻尼器;(2)摩擦耗能减震装置;(3)粘弹性阻尼器。因其减震效果好、构造简单、造价低廉、适用范围广、维护方便等特点，受到各国研究者和工程师的重视。加拿大、意大利、日本、墨西哥、新西兰和美国等国家已将耗能减震装置应用到建筑中以减轻建筑物的地震反应,以及在某些情况下减轻建筑物中设备振动损害的危险性。本文总结了国内外耗能减震技术研究和工程应用的最新进展。2.耗能能减震的概念及原理消能减震技术属于结构减震控制中的被动控制，它是指在结构某些部位设置阻尼装置，通过阻尼装置产生摩擦，弯曲（或剪切，扭转）弹塑性滞回变形消能来消散或吸收地震能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震抗震的目的。装有阻尼（消能）装置的结构称为耗能减震结构。耗能减震的原理[8]可以从能量的角度来描述，如图1所示，结构在地震中任意时刻的能量方程为：（a）地震输入；（b）传统抗震结构；（c）消能减震结构图1结构能量转换途径对比传统抗震结构：invckhEEEEE(1)耗能减震结构：''''invckhdEEEEEE(2)式中：Ein、Ein′——地震过程中输人结构体系的能量；Ev、Ev′——结构体系的动能；Ec、Ec′——结构体系的粘滞阻尼消能；Ek、Ek′——结构体系的弹性应变能；Eh、Eh′——结构体系的滞回消能；Ed——消能(阻尼)装置或消能元件消散或吸收的能量。在上述能量方程中，由于是Ev(或Ev′)和Ek(或Ek′)仅仅是能量转换，不能消能，Ec和Ec′只占总能量的很小部分(约5％左右)，可以忽略不计。在传统的抗震结构中，主要依靠Eh消耗输入结构的地震能量，但因结构构件在利用其自身弹塑性变形消耗地震能量的同时，构件本身将遭到损伤甚至破坏。在消能减震结构体系中，消能(阻尼)装置或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入消能工作状态，充分发挥消能作用，消散大量地震能量，则主体结构需消耗的能量很少，从而有效地保护了主体结构。3.耗能装置的减振及其在实际工程中的应用采用各种阻尼器来控制结构的振动反应是一种典型的被动控制系统，它是通过增加结构的阻尼、耗散结构的振动能量来达到减小结构响应的目的。从能量观点看，地震输入结构的能量是一定的，通过耗能装置消耗掉一部分能量，则结构本身需消耗的能量减小，以至于结构的反应减小。从动力学观点看，耗能装置的作用相当于增大结构的阻尼，从而减小结构的反应。耗能减震装置的种类繁多，其常用的主要有:金属耗能阻尼器、摩擦耗能阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器。3.1金属耗能阻尼器金属耗能阻尼器是利用金属不同形式的弹性滞回变形来消耗能量。一般用低屈服点软钢制作，在大震作用时，阻尼器在主体结构发生塑性变形前首先进入屈服，其屈服荷载较低且相对稳定，同时具有足够的塑性变形能力，以吸收大量的地震能量。要达到以上特性[3]，一种途径是调整钢材中碳和其他微量元素的含量，控制轧制温度，以达到极低屈服点的要求。表1为某钢铁公司生产的极低屈服点钢材化学成分。此种钢材屈服强度在200MPa左右，抗拉强度200～300MPa。表1钢材的化学成分种类CSiMnP极低屈服点钢材≤0.02≤0.02≤0.2≤0.030普通低碳钢≤0.10≤0.35≤1.40≤0.030由于金属在进入塑性状态后具有良好的滞回特性［7］，并在弹塑性滞回变形过程中吸收大量能量，因而被用来制造不同类型和构造的耗能减震器。如新型软钢阻尼器的减震性能研究［7］证明：条型钢阻尼器在平面内受力时表现出良好的塑性性能，首先屈服的位置分布在条形肋两端，且均在圆弧与肋边线连接处，呈多点屈服状态;滞回曲线饱满，塑性变形较大，同时具有较高的初始刚度。目前已开发和利用的主要有:扭转梁耗能器、弯曲梁耗能器、U行钢板耗能器、钢棒耗能器、圆环耗能器、双圆环耗能器、加劲圆环耗能器、X型和三角形耗能器等。台湾金华休闲购物中心。本工程采用三角形加劲耗能装置，共270组。在地震(PGA二0.39)作用下，最大层间位移也未超过规范规定的0.014rad。潮汕星河大厦。大厦为地下一层，地上原设计为22层。后来在施工过程中业主要求增加3层。为了使加层后的结构满足抗震设防要求，安装了28组耗能阻尼器。装上阻尼器后，在大震作用下，结构的顶层位移和层间位移角均满足要求。3.2摩擦阻尼器摩擦阻尼器是应用较早和较广泛的阻尼器之一。摩擦阻尼器是一种位移相关型的阻尼器，它是利用两块固体之间相对滑动产生的摩擦力来耗散能量。其基本理论是建立在以下假设的基础上：(1)总的摩擦力不依赖于物体接触面的面积;(2)总的摩擦力与在接触面上的总的法向力成比例;(3)对于相对滑动速度较低的情况，总的摩擦力与速度无关。因此可得到摩擦力F的计算公式：FN(3)F——摩擦力μ——摩擦系数N——压力大多数摩擦耗能器是被动耗能装置，不能根据控制的需要改变自身的特性，其对结构的控制力完全受制于结构的运动，在大震下能滑动的摩擦阻尼器，小震作用下却不一定能滑动，从而不能起到小震下的减振作用，反之亦然。因此，被动摩擦阻尼器的减振效果和使用范围都受到局限。而半主动摩擦阻尼器却解决了上述问题，它的外部能源施加仅用于改变耗能器的参数，从而实现阻尼力的可调，并不直接施加于结构，因而避免了纯主动控制外加能源过大的缺点。国外Pall摩擦阻尼装置主要是依靠材料接触面的滑动摩擦产生阻尼而对结构发挥耗能减震作用。摩擦力的大小通过材料的摩擦系数和夹紧力来实现并可通过松紧节点板的压紧螺栓来调节。此装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动设计，而在强烈地震荷载作用下，结构主要构件尚未发生屈服装置即滑动以摩擦耗散地震能量，并改变了结构的自振频率，从而达到减震目的。国内在这方面的研究开展的也比较早。陈宗明等1988年研制的摩擦剪切铰耗能支撑装置具有明显的减震效果;叶燎原等根据我国实际情况，提出的钢筋硷支撑钢板一橡胶摩擦耗能装置，因其造价低、性能高、易生产、便施工等特性，很适合在我国推广使用;1997年吴波等利用摩擦阻尼器加固了东北某政府大楼;欧进萍、吴斌等对T字芯板摩擦阻尼器和T字芯板拟粘滞摩擦耗能器的工作原理进行了研究，并将其分别应用于云南洱源振戎中学食堂楼和教学楼的抗震设计，结构的抗震性能得到明显改善。3.3粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器(简称VED)是一种速度相关型耗能装置。世界上第一个应用VED来减小结构风致振动的是1969年美国的世界贸易中心双塔楼高层建筑。每个塔楼大致安装10000个VED。随后，1982年和1988年在美国的西雅图又先后建成了安装有260个和16个大型VED的ColumbiaCente:大楼和枷TwoSquare大楼，这些都是用来进行风致振动控制[4]。优点:(l)只要在微小干扰下结构开始振动,它就能马上耗能。因此,即使在弹性小幅振动的情况下它也起制振作用。这使它既能抑制结构的地震反应,又避免了其他耗能阻尼器存在的阻尼器初始刚度如何与结构侧移刚度相匹配的问题。(2)它的“功一位移”滞回曲线近似于椭圆型,因此它的耗能能力很强。建筑结构上的粘弹性阻尼器是以粘弹性阻尼器支撑的形式设置的,如图2所示.其中粘弹性阻尼器的基本形式如图3所示。它两侧的两块钢板和中间所夹钢板分别与斜支撑的两段相联。这样,当建筑结构地震作用产生层间振动位移时,就会带动粘弹性阻尼器两侧钢和中间钢板产生相对运动,从而使所夹粘弹性材料产生剪切变形,耗散能量,实现减小建筑结构地震反应的目的。VED应力应变关系如图4。图2粘弹性阻尼器支撑图3粘弹性阻尼器图4VED应力应变关系3.4粘滞阻尼器粘滞液体阻尼器是一种速度相关型的耗能装置，它是利用液体的粘性提供阻尼来耗散振动能量。粘滞液体阻尼器早先就在航天、机械、军事等领域得到应用。最早应用于土木工程上是在1974年所建的一座桥梁上，以后，在房屋的基础隔震、管网、地震加固、房屋抗风和抗震的设计中得到应用[9]。粘滞液体阻尼器的种类很多，归纳起来可分为以下两类:第一类是液体在封闭的容器中产生一定的流速来进行耗能的阻尼器。在这类阻尼器中，活塞要迫使粘滞液体在很短的时间内通过小孔，这将产生很大的压力。此类阻尼器的内部工艺设计要求较高。第二类是粘滞液体在敞开的容器中产生一定的位移来进行耗能的阻尼器。此类阻尼器要求粘滞液体尽量粘稠以获得最大限度的阻尼。因此设计中粘滞液体材料的选择是关键问题。这类粘滞阻尼器常用的形式即是粘滞阻尼墙。建筑中常用的粘滞液体阻尼器多是第一类阻尼器。通过线性模型和Maxwell模型计算可知得，粘滞阻尼器的显著特点是对结构只提供附加阻尼，而不提供附加刚度，因而不会改变结构的自振周期[10]。其优点是安装了粘滞性耗能器的支撑不会在柱端弯矩最大时给柱附加轴力。粘滞性阻尼器的最新进展是与磁流变体智能材料的联合使用，通过联合拓宽了粘滞性耗能器的发展空间。4.总结通过研究多种阻尼器的耗能原理，比较了多种阻尼器的优缺点，为有效选用阻尼器提供方便。其中粘弹性阻尼器和粘滞流体阻尼器因为其技术成熟、耗能能力强等优点已经在建筑抗震设计和已有建筑加固中得到广泛的应用，金属阻尼器成为阻尼器应用发展的新方向。参考文献[1]李宏男，霍林生．结构多维减震控制［M］．北京：科学出版社，2008.233.[2]KellyJM．SkinnerRI，HeineAJ.Mechanismsofenergyabsorptioninspecialdevicesforuseinearthquakeresistantstructures[J]．BulletinofNewZealandNationalSocietyforEarthquakeEngineering，1972，5（3）：63～88.[3]新日本制铁株式会社．新日铁的耐震·耐火建筑构造用钢材［技术编］［M］．1996．1～28．[4]KeelC．J．andMahmoodiP．DesiningofViscoelasticDamPersforColumbiaCenterBuUding[J]．ASCE，BuildingMotioninWind(Ed，IsyUmovN.andTschanZT．NY1986，66～82．[5]魏文晖,瞿伟廉,陈朝晖.粘弹性阻尼器对建筑结构非线性地震反应的控制［J］.地震工程与工程振动，1999，19（4）：95～104．[6]王桂萱，汪宇，赵杰.设置金属阻尼器的某高层建筑耗能减震分析［J］.世界地震工程，2011，27（4）：1～6．[7]李钢，李宏男．新型软钢阻尼器的减震性能研究［J］．振动与冲击，2006，25（3）：66～67．[8]M.D.Symans，F.A.Charney，A.S.Whittaker，M.C.Constantinou，C.A.Kircher，M.W.Johnson，andR.J.McNamara，EnergyDissipationSystemsforSeismicApplications：CurrentPracticeandRecentDevelopments[J]．ASCE，JournalofStructuralEngineering．2008，4～21[9]陈永祁，曹铁柱，马良喆．液体黏滞阻尼器在超高层结构上的抗震抗风效果和经济分析［J］.土木工程学报，2012，45（3）：58～66．[10]赵斌．粘滞型阻尼器安装误差对消能减震效率的影响研究田［D］.北京:中国建筑科学研究院，2003．3～6.