消能减震技术在防震减灾中的应用

2016-11-16郑维成王世伟张庆文

浙江建筑 2016年10期

关键词：阻尼器抗震性能

郑维成,赵　婕,王世伟,张庆文

(西南林业大学土木工程学院,云南昆明 650224)

消能减震技术在防震减灾中的应用

郑维成,赵婕,王世伟,张庆文

(西南林业大学土木工程学院,云南昆明 650224)

简要介绍了消能减震技术在防震减灾中的发展现状、消能减震的基本原理,列举了消能减震装置的类型以及在国内的某些实际工程的应用实例,并讲述了目前国内减震设计最常用的分析方法,最后对消能减震技术的应用进行了展望并提出有待进一步研究的问题。

耗能；减震；阻尼器；弹塑性

地震严重威胁到人类生命及财产安全。为了避免和减轻其带来的损失,抗震专家们不断地探索和完善抗震理论与技术。

地震使得结构物振动,大的振动影响结构物正常使用,还可能导致主体结构损伤甚至破坏。有时虽然主体结构未破坏,但由于装修、室内昂贵设备仪器的破坏导致重大经济损失。经地震工程专家们的努力,研究了一套完整有效的抗震理论以减轻震害。其原理是用结构本身的塑性变形来耗散地震能,其损伤可能是不可修复,局限性较大,属于消极被动抗震方法。

对于消能减震技术,从动力学角度看,是设置消能器以增加结构阻尼,衰减结构振动；从能量方面看,是以耗能器来耗散地震能,增加结构体系安全性。只有在达到中强震时,消能构件才有部分进入非线性,提供的较大阻尼耗散大量地震能,确保主体安全。消能减震较传统抗震的优势:

1)安全,消能装置可大量吸收地震能,结构体系安全得到提高；

2)经济,采取“柔性消能”,使得构件尺寸减小,剪力墙布置和配筋减少；

3)适用性广,基本不用维护,即使大震后损坏更换也很方便。

1　消能减震技术的发展现状

20世纪70年代,一个新研究领域——结构振动控制在土木工程界提出。20世纪80年代初,这个领域被王光远院士引入国内。随后,国内展开控振、减隔震的深入研究,已从开始的理论研究,向着工程应用发展,并取得了一系列丰硕的成果，逐步朝标准化、规范化、产业化的方向迈进[1-2]。

1992年,美国制定了一系列条款,规定在减震设计中,耗能器可出现弹塑性,但要求结构体系应在弹性范围内工作。次年,又出台了消能减震技术规定,其中明文要求减震设计应用动力时程分析法,而不能用等效侧力法。

1995年,周云等提出了消能减震技术标准化如何推进的一些建议[1]。2001年,我国颁布了新抗震规范——《建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)》,新增减隔震设计部分基本原则与方法。后来又颁布了《建筑消能减震技术规程(JGJ 297—2013)》等一系列相应的规程。

2003年,日本的《被动控制结构设计·施工手册》详述了控振结构的设计方法等，并讲述了控制装置的设计、生产等方面内容[3]。

消能减震技术不断地发展,为使得规范化以及更好地推广应用,相应的设计、施工规程陆续出现。目前,国内虽已研制开发出各种类型耗能器以适应不同建筑的要求,但还不够规范化、产业化,这阻碍了我国消能减震技术的进一步推广应用。

2　结构消能减震原理

2.1能量耗散原理

震后结构能量平衡方程：

EEQ=EP+ED+EH(未设阻尼器)

(1)

(2)

式中：EEQ为输入结构体系的地震能；

ED为体系阻尼耗能；

EP为主体结构塑性变形能；

EH为主体结构滞回耗能；

2.2阻尼器的设置要点

阻尼器应分别沿结构的两个主轴方向设置,总体遵从分散对称的原则；通过综合分析来确定其数量和具体分布。

2.3阻尼器应满足下列要求

1)初始刚度足够,并满足下列要求：

速度线性相关型刚度应满足

Kb≥(6π/T1)Cv

(3)

式中：Kb为支承构件在阻尼器方向刚度；

Cv为阻尼器的线性阻尼系数；

T1为消能体系的基本自振周期。

位移型耗能器恢复力模型宜满足

ΔUpy/ΔUsy≤2/3

(4)

(Kp/Ks)(ΔUpy/ΔUsy)≥0.8

(5)

式中：Kp为阻尼器水平向的初始刚度;

ΔUpy为阻尼器的屈服位移;

Ks为设耗能器的结构层间刚度;

ΔUsy为设耗能器结构层间屈服位移。

2)能够长期保持良好的性能。

3)结构简单、施工方便、易维护,连接可靠。

2.4结构加阻尼器后的附加有效阻尼比

附加有效阻尼比估算：

ζa=Wc/(4πWs)

(6)

式中：ζa为减震体系阻尼比；

Wc为耗能体系在结构预期位移下一个循环消耗的总能量；

Ws为耗能体系在预期位移下总应变能。

3　消能减震装置的类型

根据耗能机理的差异分为三大类：位移相关型(位移型)和速度相关型(速度型)和复合类型[5-6]。

3.1位移型阻尼器

位移型阻尼器的制作材料一般塑性性能较好,耗能能力强,类型有金属屈服型和摩擦型等。金属屈服型阻尼器一般使用软钢、铅等材料制成[6-9]。其优点：构造简单,造价低；震后易更换；耗能稳定,有效减震。

防屈曲支撑(BRB)是最常用装置之一。一般由芯材、钢套筒及无粘结填充材料组成(图1),芯材是由特定强度的钢板制成的主受力单元。

图1　BRB基本组成图

BRB技术最先是在1973年由日本提出；随后,美国也开始对其进行了相应的研究。普通支撑要增大截面满足稳定性,过大刚度的结构使得地震惯性力扩大,形成恶性循环。BRB刚度与承载力分离,体系刚度不改变但承载力大大提高,弥补了普通支撑的缺陷；BRB在大震下能很好地保护结构安全,一般不需维护,即便更换也容易[4]。国内工程应用有2010年建成的上海世博中心(图2)等。

图2　上海世博中心

3.2速度型阻尼器

速度型阻尼器一般用黏滞材料制成,包括黏滞阻尼器和黏弹性阻尼器等[6-9]。其优点：无论振动大小,它都可以产生阻尼力；大震后也不易损坏,即使更换也较容易；只提供阻尼不提供刚度,对结构周期无影响,有效控制结构振动反应。

最常用耗能装置之一是黏滞阻尼器。其组成主要有缸体、活塞、阻尼孔、黏滞材料和导杆(图3)。黏滞材料通过阻尼孔流动以平衡活塞与缸筒相对运动时产生的压力差值,产生的阻尼将大部分地震能量吸收,有效削弱结构的振动；但其工艺要求较高,流体材料易渗漏。

图3　黏滞阻尼器构造简图

黏滞阻尼器最早是应用于军事、航天等减震结构,其后才发展到防震减灾工程中,并取得了良好的减震效果。目前,国外黏滞阻尼器的工程应用较多,而国内对流体阻尼器的系统化研究,还远落后于国外。我国这方面的首个工程是在1999年,北京饭店用流体阻尼器进行了加固,2015年建成的设黏滞阻尼器的宿迁第一人民医院(图4)等；自20世纪90年代初,国内学者开始对流体阻尼器理论及应用进行了初步的探索[4-6,10]。

图4　宿迁市第一人民医院

3.3复合类型的消能减震装置

把两种以上的耗能元件或机制结合而制成的耗能装置。如铅-粘弹性耗能器,铅-约束屈曲支撑,钢屈服-摩擦耗能器等[7-9]。

4　减震设计方法

消能减震设计方法有：反应谱法、时程分析法、性能优化法、能力谱法、位移法、能量法、性能目标确定阻尼器参数法、改进的层串模型分析法等[11-16]。

4.1时程分析法

时程分析法,主要用于超高层构筑物的分析及抗震研究等。根据选择的地震波和结构恢复力特性曲线,用逐步积分法对动力微分方程直接积分,得出地震作用下减震结构的内力变化及构件变形以至结构倒塌的全过程。时程分析法一般步骤:

1)根据场地类别及设防烈度等条件选择若干条强震记录,作为设计输入波；

2)根据结构体系特性,建立合理的结构振动模型;

3)依据材料、构件类型及受力情况,合理选择恢复力模型,并确定相应的恢复力特性参数及折线刚度值；

4)建立地震力下结构振动微分方程；

5)用逐步积分法求解方程,得出地震作用全过程结构的反应;

6)根据结构弹塑性反应内力、位移等指标,判别结构是否满足要求。

4.2性能优化法

性能优化法,是通过基频等效原则把多层结构简化为一单质点体系,然后配置阻尼器装置,使在弹性范围内降低该体系位移反应、加速度反应的性能分析,也称Kasai法。以软钢摩擦阻尼器为例,其基本步骤如下:

1)在无阻尼器下,求出结构最大位移；

2)求出减震后位移的降低率；

3)根据减震性能曲线比较位移降低率,选择满足要求的组合；

4)求出所需阻尼器刚度,进而得到阻尼器的屈服变形和延性系数。

4.3能力谱法

能力谱法,即静力非线性法,此法近年来在消能减震设计中应用广泛,其原理是：把反应谱曲线和能力谱曲线以相同的格式转换出来,以两曲线相交点的位移来评估结构在给定地震作用下的性能。能力谱法的基本步骤：

1)根据结构构件及耗能器的特性得到推覆曲线，进而确定结构的有效阻尼比；

2)集成结构有效总刚,再进行模态分析,把推覆曲线转换为能力谱曲线,把反应谱转换为需求谱；

3)采用能力谱方法评价拟减震结构抗震性能;

4)查找规范,确定结构减震性能及设防目标要求；

5)确定减震初步方案,确定附加阻尼比;

6)确定耗能器的类型、形式及数量,确定耗能器布置方案；

7)采用能力谱方法分析减震结构性能,评估设防目标是否满足。

5　结　语

消能减震技术弥补了传统抗震缺陷,是抗震领域的一个新思路。简单可行有效,备受工程抗震界的关注和青睐。应用空间大,前景广阔,它将来必定会成为防震减灾领域的重要手段和主要方法,为有效减轻地震灾害作出巨大贡献。

近四十年来,消能减震技术研究与应用在我国已取得较大进展,并已在部分工程中应用,有效提高了结构抗震性能,但为进一步推广,仍面临着一些问题亟待解决和完善。

1)耐久性和可靠性的研究,大变形下耗能性能的研究；

2)应尽早制定相关技术标准和工法,规范化和产业化,以便于推广应用。

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