耗能减震结构设计与应用

耗能减震结构设计与应用周云广州大学土木工程学院2013年05月20日1.1耗能减震的概念1耗能减震的概念与原理1.1耗能减震的概念01234560.000.020.040.060.080.100.12T(s)阻尼比0.05阻尼比0.10阻尼比0.15刚度刚度附加阻尼增加传统结构隔震结构1.2耗能减震的原理2月27日14时34分在智利（南纬35.8度，西经72.7度）发生8.8级地震，震源深度33公里。地震位于智利比奥比奥大区，距离康塞普西翁（Concepción）100公里，距离特木科（Temuco）110公里,距离该国首都圣地亚哥320公里。震源位于地下55公里。根据智利官方报道，截止2010年4月7日，在此次大地震中，死亡486人、失踪79人、海啸致使80万人受伤或无家可归，总损失达300亿美元。灾区道路阻断、缺水短电，有报道称震中附近的两个城市损失惨重。地震还使200万人受到影响，150万栋房屋被毁，6个地区进入灾难紧急状态。2耗能减震建筑的地震考验一幢带消能减震钢支撑超高层建筑一幢设有金属球颗粒阻尼器高层建筑这也是近年来鲜有的经历大地震考验的消能减震高层及超高层结构工程实例。3消能减震装置的类型与性能图2.1-1典型粘滞耗能器示意图3.1粘滞阻尼器粘滞耗能器是根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时能产生粘滞阻力的原理而制成的，是一种无刚度、速度相关型的耗能器。常见的粘滞耗能器主要有：缸式粘滞流体耗能器粘滞阻尼墙圆筒式粘滞耗能器3.2粘弹性阻尼器金属耗能器根据金属材料的不同可分为钢耗能器、铅耗能器和形状记忆合金耗能器。钢耗能器又包括软钢制成的耗能器和低屈服点钢制成的耗能器。3.3钢阻尼器（a）X形加劲耗能器（b）三角形耗能器（c）开孔式加劲耗能器图2.3-1加劲耗能器3.3.1软钢耗能器由于软钢在进入塑性范围后具有良好的滞回特性，因此被用来制造各种类型的耗能减震装置。发展始于20世纪70年代末。可以分为4种类型：摩擦耗能节点；板式摩擦耗能器；筒式摩擦耗能器；复合型摩擦耗能器。刹车片不锈钢板蝶形垫片板式垫片垫片外板外板中板摩擦面3.4摩擦耗能器（1）板式摩擦耗能器（2）钢管摩擦耗能器3.5防屈曲耗能支撑FFConventionalBraceBucklingRestrainedBraceBucklingNoBuckling(Yielding)PPTensionCompressionTensionCompressionTabPlateSteelTube(BucklingRestrainedPart)UnbondingMaterialsCoreSteelMemberConcrete(Mortar)BucklingRestrainedBrace1．在同一种耗能机制下，可利用多个耗能元件协同工作共同耗能；2．在同一种耗能（阻尼）减震器中，综合利用不同的耗能机制共同耗能；即耗能（阻尼）减震器同时利用两种或两种以上的耗能方式耗能；3．耗能（阻尼）减震器应具有多道耗能减震防线（或多级耗能元件）；4．具有良好的变形跟踪能力，其承载和耗能能力具有随变形增大变化的自适应能力。3.6复合型耗能器分类粘滞流体阻尼器粘弹性阻尼器摩擦阻尼器软钢阻尼器防屈曲耗能支撑工作原理粘滞流体速度相关粘弹材料速度相关摩擦耗能位移相关金属屈服位移相关杆件屈曲位移相关技术水平☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆需关注的问题超高压试验温度影响自恢复能力差耐久性差，仅地震仅地震仅地震应用范围高耸结构大跨结构多/高层结构复杂结构桥梁结构应用程度☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆发展方向新型高性能阻尼器研发结构减振新方案/新体系设计/分析(性能指标量化)标准/规程完善推广应用4、消能减震结构设计内容与步骤消能减震结构设计内容消能装置选择消能装置布置位置消能装置布置数量子框架设计设计地震设计要求无消能器结构的分析和设计确定结构所需的阻尼比选择合适的消能器位置计算消能器的刚度和阻尼消能减震结构的分析满足结构特性足够的阻尼比结束否是否或设计流程4.1消能减震结构的概念设计3.8.1隔震与消能减震设计，可用于抗震安全性、使用功能有较高要求或专门要求的建筑。【说明】2008年局部修订改为非强制性要求。本次修订，将使用功能“特殊”要求改为“较高或专门”要求，并明确用于抗震安全性较高要求的建筑，不限于2001版的8、9度设防地区。4.1.1适用范围和设防目标12.1.4消能减震设计可用于钢、钢筋混凝土、钢-混凝土混合等结构类型的房屋。消能部件应对结构提供足够的附加阻尼，尚应根据其结构类型分别符合本规范相应章节的设计要求。有减震需求，有相对位移或相对速度的一切结构。3.8.2采用隔震或消能减震设计的建筑，当遭遇到本地区的多遇地震影响、抗震设防烈度地震影响和罕遇地震影响时，可按高于本规范1.0.1条的基本设防目标进行设计。【说明】本次修订，1.0.1条将设防目标分为基本目标和专门目标两种情况，本条文字相应调整。当结构采用隔震和消能减震设计方案，具有可能满足提高抗震性能要求的优势，故推荐其按较高的设防目标进行12.1.6建筑结构的隔震设计和消能减震设计，尚应符合相关专门标准的规定；也可按抗震性能目标的要求进行性能化设计。【说明】本条与2001版的规定相比，明确提醒可采用隔震、消能减震技术进行结构的抗震性能化设计。隔震与消能减震技术是实现性能化设计的有效方法12.1.2建筑结构隔震设计和消能减震设计确定设计方案时，除应符合本规范第3.5.1条的规定外，尚应与采用抗震设计的方案进行对比分析。（3.5.1结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较确定。）消能减震结构设计是结构抗震设计的手段方法之一！消能减震设计是实现结构“小震不坏、中震可修、大震不倒”的有效、可靠、经济的方法！消能减震设计是实现结构性能化抗震设计的最为直接、最有效的手段和方法！1）耗能减震结构应选择I、II类场地，且宜选择对抗震有利的地段，避开不利地段；当无法避开时，应采取有效措施；4.1.2耗能减震结构场地2）耗能减震结构的平面、立面布置，主体结构、支撑结构材料和施工应满足国家《建筑抗震设计规范》（GB2010-5001）的要求；4.1.3耗能减震结构体系12.3.8当消能减震结构的抗震性能明显提高时，主体结构的抗震构造要求可适当降低。降低程度可根据消能减震结构地震影响系数与不设置消能减震装置结构的地震影响系数之比确定，最大降低程度应控制在1度以内。本条是新增的。当消能减震的地震影响系数不到非消能减震的50%时，可降低一度。不要被装饰蒙蔽了双眼！4.1.4消能器的选择、数量确定及布置原则消能部件布置动力特性相近布置均匀避免薄弱层位移和速度最大位置4.1.4.2消能器的布置原则消能器数量附加阻尼比计算原结构设计原结构分析减震结构分析期望阻尼比期望阻尼比法njsWW1cjd/44.1.4.3消能减震装置数量确定4.2消能减震结构分析方法消能减震结构的分析方法取决于：（1）主体结构和消能器在地震作用下所处的状态；（2）消能器的类型：位移相关型还是速度相关型。4.2.1消能减震结构分析选择图耗能减震结构分析的四种情况非线性结构/非线性耗能器非线性结构/线性耗能器线性结构/非线性耗能器线性结构/线性耗能器X主体结构消能器分析方法弹塑性非线性静力弹塑性分析方法弹塑性时程分析方法弹塑性线性静力弹塑性分析方法弹塑性时程分析方法线性非线性振型分解反应谱法弹塑性时程分析方法线性线性振型分解反应谱法弹性时程分析方法4.3.1消能减震结构分析模型4.1.3在弹性时程分析和弹塑性时程分析中，消能减震结构的恢复力模型应包括结构恢复力模型和消能部件的恢复力模型。4.1.6消能减震结构采用弹塑性时程法分析法计算时，根据主体结构构件弹塑性参数和消能部件的参数确定消能减震结构非线性分析模型，相对于弹性分析模型可有所简化，但二者在多遇地震下的线性分析结果应基本一致。4.3消能减震结构分析模型4.1.7采用静力弹塑性分析方法分析时应满足下列要求：1消能部件中消能器和支撑根据连接形式不同，可采用串联模型或并联模型，将消能器刚度和支撑的刚度进行等效，在计算中消能部件采用等刚度的连接杆代替。2结构目标位移的确定应根据结构的不同性能来选择，宜采用结构总高度的1.5％作为顶点位移的界限值。普通结构按离散方式来划分模型，主要可分为层间模型、杆系模型和有限元模型（FEM）。耗能减震结构体系则是由主体结构和耗能支撑（包括耗能器和支撑）所组成，故其分析模型可采用与普通结构相同的分析模型，唯一的差别就是必须考虑耗能支撑对结构模型的影响。4.3.2消能器的恢复力模型在分析模型中，与消能器连接的支撑必须真实模拟，不能假设支撑的刚度；不能改变消能器与支撑的连接方式。3.3.3消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和附加阻尼比的总和，结构阻尼比应根据主体结构处于弹性或弹塑性工作状态分别确定。3.3.4消能减震结构的总刚度应为结构刚度和消能部件附加给结构的有效刚度之和。4.4附加刚度和阻尼比计算6.3.2消能部件附加给结构的实际有效刚度和有效阻尼比，可按下列方法确定：1位移相关型消能部件和非线性速度相关型消能部件附加给结构的有效刚度可采用等价线性化方法确定。2消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式计算：dcs1/4njjWW1.基本思路利用振型分解的概念，将多自由度体系分解成若干个单自由度系统的组合，引用单自由度体系的反应谱理论来计算各振型的地震作用，然后再按一定的规律将各振型的动力反应进行组合以获得结构总的动力反应。4.5消能减震结构分析方法4.5.1基于等价线性化的振型分解反应谱法耗能减震结构：首先必须根据耗能减震结构体系非线性的特点对其进行一些处理，然后才能使用振型分解法进行分析。由于某些类型耗能器的恢复力出现较强的非线性（如软钢类耗能器、摩擦耗能器），从而导致结构动力方程的非线性，使其不能应用经典的振型分解法求解，需要对耗能减震器非线性力进行等价线性化处理。.....gMXCXKXFMX.....gMXCXKXMXKseKKseCCC==将耗能减震结构体系的非线性运动方程：等效线性化后按振型分解法求解，运动方程可写为：原结构的阻尼矩阵一般采用Rayleigh阻尼，通常是满足正交条件的，即耗能器附加给结构的阻尼矩阵通常不满正交条件。但是简化计算可作近似处理，忽略阻尼矩阵的非正交项，则有：*0TsjisjCijCij*0TejiejCijCij忽略非经典阻尼矩阵非正交项的结构反应误差不超过10%，大多数情况下误差不超过5%，即使振型阻尼比大于20%时仍能保持这样的精度。时程分析方法，亦称直接动力法，是根据选定的地震波和结构恢复力特性曲线，通过线性加速度法、Wilson-法等逐步积分的方法对动力方程进行直接积分，从而求得结构在地震过程中每一瞬时的位移、速度和加速度反应。该方法能够精确反映整个地震过程中，结构从弹性到弹塑性阶段的内力变化，以及构件开裂、损坏直至结构倒塌破坏全过程。4.5.2时程分析法(a)单自由度摩擦耗能结构体系(b)恢复力模型的叠加(c)叠加后结构的分析模型图4.4-6单自由度摩擦耗能结构体系及其分析模型5.4.3静力弹塑性(Push-over)分析方法静力弹塑性（Push-over）分析方法，是指在结构上施加竖向荷载作用并保持不变，同时沿结构的侧向施加某种分布形式的水平荷载或位移，随着水平荷载或位移的逐级增加，按顺序计算结构由弹性状态进入弹塑状态性的反应，并记录在每级加载下开裂、屈服、塑性铰形成以及各种结构构件的破坏行为，以此来发现结构薄弱环节及可能的破坏机制等，并根据不同性能水平的抗震需求（如目标位移）对结构抗震性能进行评估。任何建筑结构在地震作用下的动