结构消能减震技术
1、结构消能减震得基本概念
地震发生时地面震动引起结构物得震动反应,地面地震能量向结构物输入。结构物接收了大量得地震能量,必然要进行能量转换或消耗才能最后终止震动反应。
消能减震技术就是将结构得某些构件设计成消能构件,或在结构得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得初始刚度,处于弹性状态,结构具有足够得侧向刚度以满足正常使用要求;当出现大风或大震作用时,随着结构侧向变形得增大,消能构件或消能装置率先进入非弹性状态,产生较大阻尼,大量消耗输入结构得地震或风振能量,使主体结构避免出现明显得非弹性状态,且迅速衰减结构得地震或风振反应(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,达到减震抗震得目得。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。消能部件中得消能器(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,与其它类型如调频质量阻尼器(TMD)、调频液体阻尼器(TLD)等。采用消能减震技术得结构体系与传统抗震结构体系相比,具有大震安全性、经济性与技术合理性。
技术指标:建筑结构消能减震设计方案,应根据建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、建筑结构方案与建筑使用要求,
与采用抗震设计得设计方案进行技术、经济可行性得对比分析后确定。采用消能减震技术结构体系得计算分析应依据《建筑抗震设计规范》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 得规定。
适用范围: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),既有建筑得抗震(或抗风)性能得改善等。
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地震中得损坏过程,就就是地震能量得“消能”过程。结构及构件得严重破坏或倒塌,就就是地震能量转换或消耗得最终完成。
结构消能减震体系,就就是把结构物得某些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件等)设计成消能杆件,或在结构得某部位(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得初绐刚度,处于弹性状态,结构物仍具有足够得侧向刚度以满足使用要求。当出现中、强地震时,随着结构侧向变形得增大.消能构件或消能装置率先进人非弹性状态,产生较大阻尼,大量消耗输人结构得地震能量,使主体结构避免出现明显得非弹性状态,并且迅速衰减结构得地震反应(位移、速度、加速度等),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得安全。
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:
①安全性:传统抗震结构体系实质上就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得损坏。由于地震烈度得随机变化性与结构实际抗震能力设计计算得误差,结构在地震中得损坏程度难以控制;特别就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得消能构件(消能支撑、消能剪力墙等)或消能装置,它们具有极大得消能能力,在强地震中能率先消耗结构得地震能量,迅速衰减结构得地震反应,并保护主体结构与构件免遭损坏,确保结构在强地震中得安全。
据我国对消能臧震结构得振动台试验(冼巧玲、周福霖、俞公骅,1995)及国外学者完成得振动台试验
(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,其功能仅就是在结构变形过程中发挥消能作用,而不承担结构得承载作用,即它对结构得承载能力与安全性不构成任何影响或威胁。所以,消能减震结构体系就是一种非常安全可靠得结构减震体系。
②经济性:传统抗震结构采用“硬抗”地震得途径,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,抗震结构得造价大大提高。
消能减震结构就是通过“柔性消能”得途径以减少结构地震反应,因而,可以减少剪力墙得设置,减小构造断面,减少配筋,而
其耐震安全度反而提高。据国内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得耐震性能改造加固,消能减震加固方法比传统抗震加固方法,节省建造价10%～60%。
②技术合理性:传统抗震结构体系就是通过加强结构,提高侧向刚度以满足抗震要求得: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,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)得高层建筑、超高层建筑、夫跨度结构及桥梁等得技术发展,造成严重得制约。
消能减震结构则就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得安
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得高柔结构(超高层建筑、大跨度结构及桥梁等)得合理新途径。
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”工程结构物得减震(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。所以多被应用于下述结构: ①高层建筑,超高层建筑;②高柔结构,高耸塔架;③大跨度桥梁;
④柔性管道、管线(生命线工程);⑤旧有高柔建筑或结构物得抗震(或抗风)性能得改善提高。
结构消能减震体系由主体结构与消能构件(或装置)组成,可按消能构件得不同“构件型式”与消能装置得不同“消能型式”
分类,详见下图所示。
2、消能构件得不同构造形式
结构消能减震体系中得消能构件(或装
置),按照其构造形式可以做成:
图2 消能支撑
消能构件得不同构造形式
①消能支撑:消能支撑可“代替一般得结构支撑,在抗震(或抗风)中发挥支撑得水平刚度与消能减震作用。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形支撑等。
②消能剪力墙:消能剪力墙可代替一般结构得剪力墙,在抗震(或抗风)中发挥剪力墙得水平刚度与消能减震作用。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、分离式剪力墙等。
③
消
能
节
点:
在
结
构
得
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。
④消能联结:在结构得缝隙处或结构构件之间得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),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、消能装置得不同消能形式
消能构件中装设有消能装置;消能装置得功能就是,当构件(或节点)发生相对位移或转动时,产生较大得阻尼.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得阻尼,即当构件(或节点)在力(或弯矩)作用下发生位移(或转动)时,所做得功最大。为了使消能装置具有较大得消能能力.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
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
结构消能减震得实质就是:在结构内设置消能构件(或消能装置),它们能为结构提供较大得阻尼,在地震时大量消耗输入结构得震动能量,有效衰减结构得地震反应。