建筑结构消能减震设计与案例-潘鹏

1建筑结构消能减震设计与案例建筑结构消能减震设计与案例潘鹏，副教授，博导[e-mail]010-62794729清华大学土木工程系2唐山地震，1976年7月28日，死亡242,769人地震灾害地震灾害3地震灾害地震灾害神户地震，1995年1月17日，死亡6430人4地震灾害地震灾害台湾地震，1999年9月21日，死亡2400多人5地震灾害地震灾害汶川地震，2008年5月12日，死亡失踪超9万人6地震灾害地震灾害芦山地震，2013年4月20日，死亡失踪217人7地震作用的特点和结构抗震的问题地震作用的特点和结构抗震的问题„„地震作用是地震地面运动引起结构产生的地震作用是地震地面运动引起结构产生的动力效动力效应，应，是一种是一种整体型作用整体型作用„„地震发生具有地震发生具有极大的随机性极大的随机性和和不确定性不确定性，乃至，乃至不可预见性不可预见性（时间、地点、强度）（时间、地点、强度）„„强震下，要求结构不损强震下，要求结构不损坏是不合适的坏是不合适的„„在地震引起的结构整体在地震引起的结构整体型作用下，结构中的型作用下，结构中的薄薄弱部位首先发生破坏弱部位首先发生破坏8定义定义((《《工程结构可靠性设计统一标准工程结构可靠性设计统一标准GB50153GB50153--20062006》》))工程结构的定义工程结构的定义具有所需要的足够的具有所需要的足够的承载能承载能力力、、刚度刚度、、变形能力变形能力和和耗能耗能能力能力；在预期荷载和作用下；在预期荷载和作用下具有所需要的使用性能，具具有所需要的使用性能，具有足够的安全储备；在超出有足够的安全储备；在超出预期的荷载和作用下，预期的荷载和作用下，具有具有足够抗倒塌能力足够抗倒塌能力。。结构是由不同功能的基本构件通过可靠连接组成的、能够结构是由不同功能的基本构件通过可靠连接组成的、能够长期安全可靠的承受各种荷载和作用的合理的整体系统，长期安全可靠的承受各种荷载和作用的合理的整体系统，该系统遵循力学原理该系统遵循力学原理9工程结构定义的含义工程结构定义的含义(1)(1)结构系统具备的能力包括四个方面：承载能力、刚度、结构系统具备的能力包括四个方面：承载能力、刚度、变形能力和耗能能力（变形能力和耗能能力（防灾能力防灾能力））。。(2)(2)结构系统在预期荷载和作用下具有所需要的使用性能，结构系统在预期荷载和作用下具有所需要的使用性能，即通常所说的结构适用性要求。对于结构抗震来说，就即通常所说的结构适用性要求。对于结构抗震来说，就是所谓的是所谓的““小震不坏小震不坏””。。（（承载力和刚度需求承载力和刚度需求））(3)(3)结构系统在预期荷载和作用下具有足够的安全储备，即结构系统在预期荷载和作用下具有足够的安全储备，即通常所说的结构安全性要求。对于结构抗震来说，就是通常所说的结构安全性要求。对于结构抗震来说，就是在设防水准地震下达到承载力极限，但损伤程度有限，在设防水准地震下达到承载力极限，但损伤程度有限，属于属于““中震可修中震可修””。。（（承载力储备承载力储备））(4)(4)结构系统在超出预期的荷载和作用下具有足够抗倒塌能结构系统在超出预期的荷载和作用下具有足够抗倒塌能力。对于结构抗震来说，就是在超设防水准的罕遇地震力。对于结构抗震来说，就是在超设防水准的罕遇地震下结构不产生垮塌。下结构不产生垮塌。((变形能力和耗能能力－变形能力和耗能能力－防灾能力防灾能力))10工程结构系统防灾工程结构系统防灾传统结构的抗震是以结构构件的损坏实现地震能传统结构的抗震是以结构构件的损坏实现地震能量的耗散量的耗散ÆÆ””抗抗””消能减震结构的抗震是通过附加消能减震装置消能减震结构的抗震是通过附加消能减震装置（次结构）与原结构（主结构）组成一个新的结（次结构）与原结构（主结构）组成一个新的结构系统构系统，这一新的结构系统的消能能力和动力特，这一新的结构系统的消能能力和动力特性与原结构相比有较大变化，使得原结构承受的性与原结构相比有较大变化，使得原结构承受的地震作用显著减小，次结构作为专门的分灾子系地震作用显著减小，次结构作为专门的分灾子系统来耗散地震能量统来耗散地震能量ÆÆ““消消”” M M11内容概述内容概述¾消能减震结构的力学原理¾消能器的构造与力学模型¾消能器的技术要求和实验（略）¾消能减震结构分析与设计（重点介绍）¾黏弹性消能器设计案例¾软钢剪切消能器设计案例512内容概述内容概述¾消能减震结构的力学原理¾消能器的构造与力学模型¾消能器的技术要求和实验（略）¾消能减震结构分析与设计（重点介绍）¾黏弹性消能器设计案例¾软钢剪切消能器设计案例513减小结构地震响应的途径减小结构地震响应的途径地震响应M结构0)(xmxFxcxm−=++EQFDKEEEE=++减少减少地震地震能量能量输入输入增大增大结构结构耗能耗能能力能力14MBaseIsolation减小结构地震响应的途径减小结构地震响应的途径AA--隔震隔震地震响应结构秒5.0=T秒＝0.3TTaS15地震响应结构MPassiveDamper减小结构地震响应的途径减小结构地震响应的途径BB--消能减震消能减震15.0=ξ05.0=ξTaS秒5.0=T16M耗能减震的能量原理耗能减震的能量原理速度相关型速度相关型0)(xmxFxcxm−=++EQFDKEEEE=++0),()(xmxxFxFxcxms−=+++EQSFDKEEEEE=+++αxcxxFss=),()(),(xfxxFss=位移相关型位移相关型17各类阻尼器的减震原理各类阻尼器的减震原理速度型阻尼器速度型阻尼器sFCxCVαα=⋅=⋅0),()(xmxxFxFxcxms−=+++FD15.0=ξdS05.0=ξTaS按主体结构弹性考虑按主体结构弹性考虑T05.0=ξ15.0=ξT0T018各类阻尼器的减震原理各类阻尼器的减震原理位移型阻尼器位移型阻尼器()ssFfx=0),()(xmxxFxFxcxms−=+++TaS按主体结构弹性考虑按主体结构弹性考虑TdSFDT0T019抗震结构抗震结构vs.vs.消能减震结构消能减震结构通过增加消能减震装置（次结构）保护原结构（主结构）通过增加消能减震装置（次结构）保护原结构（主结构）20消能减震结构的效果消能减震结构的效果无阻尼器有阻尼器阻尼器可抑制振动的增长，并使结构迅速停止振动。阻尼器21内容概述内容概述¾消能减震结构的力学原理¾消能器的构造与力学模型¾消能器的技术要求和实验（略）¾消能减震结构分析与设计（重点介绍）¾黏弹性消能器设计案例¾软钢剪切消能器设计案例522常见消能器的分类常见消能器的分类FDFDFDFD速度相关型位移相关型黏滞消能器黏弹消能器软钢剪切消能器金属弯曲消能器屈曲约束支撑铅消能器摩擦型消能器23黏滞消能器黏滞消能器32541631、主缸2、副缸3、导杆4、活塞5、阻尼材料（硅油或液压油）6、阻尼孔32541631、主缸2、副缸3、导杆4、活塞5、阻尼材料（硅油或液压油）6、阻尼孔24黏滞阻尼墙黏滞阻尼墙单层钢板双层钢板25黏滞阻尼墙黏滞阻尼墙26黏滞阻尼墙黏滞阻尼墙27黏滞阻尼墙黏滞阻尼墙28黏滞阻尼墙黏滞阻尼墙29黏滞阻尼墙黏滞阻尼墙30黏滞消能器黏滞消能器0F0v0m=1m=0.75m=0.5m=0.25速度v输出力Fm=00F0v0m=1m=0.75m=0.5m=0.25速度v输出力Fm=0输出力F位移sOm=0m=0.5m=1原速度1/2原速度F0-F0-s0s0输出力F位移sOm=0m=0.5m=1原速度1/2原速度F0-F0-s0s0mFCV=⋅•m值较小，消能器在小于设计速度下的耗能效率更高•在大于设计速度情况下超过设计输出力幅度越小31黏弹消能器黏弹消能器32黏弹消能器黏弹消能器ViscoelasticDamper粘弹性消能器通常由钢板和固粘弹性消能器通常由钢板和固体粘弹性材料交替叠合而成。体粘弹性材料交替叠合而成。其原理是通过粘弹性材料的往其原理是通过粘弹性材料的往复剪切变形来耗散能量。复剪切变形来耗散能量。粘弹性材料具有应变滞后于应粘弹性材料具有应变滞后于应力的阻尼特性，是一种典型的力的阻尼特性，是一种典型的速度相关型阻尼器。速度相关型阻尼器。33黏弹消能器黏弹消能器典型粘弹性阻尼器构造及正弦激振下的滞回曲线（ShenandSoong,1995）34黏弹消能器黏弹消能器35黏弹消能器黏弹消能器36黏弹消能器黏弹消能器•粘弹性材料同时具有弹性固体和粘性流体的特性。•材料的应力不仅与当时的应变有关，而且与应变的历史过程有关。•在频率为的正弦波激励下，线性粘弹性材料的剪应力和剪应变都按正弦波变化，但存在相位差。0()=sinttγγω0()=sin()ttττωδ+0()=['()sin()cos]tGtGtτγωωωω+00'()cosGτωδγ=00()sinGτωδγ=()'()GGωηω=其中，损耗因子，越大其耗能能力越好37软钢剪切消能器软钢剪切消能器38软钢剪切消能器软钢剪切消能器-800-600-400-2000200400600800-80-60-40-20020406080Force/kNDisp/mm39履带式消能器履带式消能器-150-100-50050100150-400-300-200-1000100200300400Force/kNDisp/mm更大变形能力更好疲劳性能但占用空间较大录像40屈曲约束支撑屈曲约束支撑41屈曲约束支撑屈曲约束支撑编号芯材材料试验体名称屈服荷载(kN)最大荷载(kN)长度(m)1SLY100LY030-3029469932SLY100LY030-3029469933SLY100LY030-552946995.54SLY100LY030-552946995.55SLY225LY120-301176182936SLY225LY120-301176182937SLY225LY120-55117618295.58SLY225LY120-55117618295.59SN490BSN120-3010681674310SN490BSN120-3010681674311SN490BSN120-55106816745.512SN490BSN120-55106816745.542屈曲约束支撑屈曲约束支撑-1600-1200-800-400040080012001600-30-20-100102030力(kN)位移(mm)-1500-1000-500050010001500-30-20-100102030力(kN)位移(mm)-800-4000400800-30-20-100102030力(kN)位移(mm)•材料的影响•长度的影响•构造的影响•工艺的影响43铅消能器铅消能器铅连杆连接端外壳轴套轴套铅连杆连接端外壳轴套轴套相对变形阻尼力44挤压铅阻尼器（挤压铅阻尼器（LeadExtrusionDamperLeadExtrusionDamper））金属铅有着较高的延展性能，储藏变形能能力大，能通金属铅有着较高的延展性能，储藏变形能能力大，能通过再结晶恢复到变形前的性态。过再结晶恢复到变形前的性态。45摩擦消能器摩擦消能器内楔块外楔块外筒蝶形弹簧摩擦片内楔块外楔块外筒蝶形弹簧摩擦片46内容概述内容概述¾消能减震结构的力学原理¾消能器的构造与力学模型¾消能器的技术要求和实验（略）¾消能减震结构分析与设计（重点介绍）¾黏弹性消能器设计案例¾软钢剪切消能器设计案例547设计性能目标设计性能目标5接近严重破坏、大修，结构构件局部拆除，位移相关型消能器应更换、速度相关型消能器根据检查情况确定是否更换轻微至接近中等损坏，结构构件需加固后才能使用，根据检修情况确定是否更换消能器完好性能4中等破坏，结构构件需加固后继续使用，根据检修情况确定是否更换消能器轻微损坏，结构构件简单修理后继续使用，无需更换消能器完好性能3轻微至中等破坏，结构构件修复后继续使用，根据检修情况确定是否