耗能減震技術的研究、應用與發(fā)展

1、耗能方案 作者:szzyq  來源:本人  類別:結構設計、論文  日期:2002.03.07  今日/總瀏覽: 1/415 耗能減震技術的研究、應用與發(fā)展 一、結構振動控制的概念及分類 傳統(tǒng)的抗震設計是通過增強結構本身的抗震性能來抵御地震作用的，即由結構本身儲存和消耗地震能量，以滿足結構抗震設防標準，小震不壞，中震可修，大震不倒。而這種抗震方式缺乏自我調(diào)節(jié)能力，在不確定的地震作用下，很可能無法滿足安全性的要求；另一方面，在滿足設計要求的情況下，結構構件的尺寸可能需做得很大，這樣既給建筑布置帶來一定的困難，在經(jīng)濟上又要增加相當多的投資。近年來，在土木工程

2、領域新興一種新型的抗震方式結構振動控制，即對結構施加控制機構，由控制機構和結構共同承受地震作用，以調(diào)諧和減輕結構的地震反應。 結構振動控制可分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制。 被動控制無外加能源的控制，其控制力是由控制裝置隨結構一起振動變形而被動產(chǎn)生的。被動控制可分為基礎隔震技術、耗能減震技術和吸能減震技術。 主動控制有外加能源的控制，其控制力是由控制裝置按某種控制規(guī)律，利用外加能源主動施加的。主動控制系統(tǒng)由傳感器、運算器和施力作動器三部分組成。主動控制是將現(xiàn)代控制理論和自動控制技術應用于結構抗震的高新技術。主動控制有主動拉索系統(tǒng)（ATS）、主動支撐系統(tǒng)（ABS）、主動可變剛度系統(tǒng)

3、（AVSS）、主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)（AMD）等。主動控制研究較多的國家是美國、日本和中國，我國自80年代末期開始研究主動控制。目前，主動控制在土木工程中的應用已達30多項，如日本的Takenaka實驗大樓和Kankyu Chayamechi大樓。 半主動控制有少量外加能源的控制，其控制力雖也由控制裝置自身的運動而被動的產(chǎn)生，但在控制過程中控制裝置可以利用外加能源主動調(diào)整自身的參數(shù)，從而起到調(diào)節(jié)控制力的作用?，F(xiàn)有的半主動控制技術包括：半主動隔震裝置、半主動TMD、半主動力觸動器、半主動變剛度裝置和半主動變阻尼裝置等。 混合控制在結構上同時應用被動控制和主動控制，或者是同時應用不止一種的被動控制裝置，

4、從而充分發(fā)揮每一種控制形式和每一種控制裝置的長處，克服它們的弱點，以獲得更好的控制效果。目前提出的混合控制方法主要有：同時采用AMD和TMD的混合控制系統(tǒng)、主動控制和基礎隔震相結合的混合控制系統(tǒng)以及主動控制和耗能減震相結合的混合控制系統(tǒng)。世界上第一個安裝混合控制系統(tǒng)的建筑是位于日本東京的清水公司技術研究所。 在這四種控制技術中，主動控制的效果最好，但由于建筑結構體形巨大導致所需的外加能源較大，加之控制裝置的控制的算法比較復雜，而且存在時滯問題，因此其應用程度少于其它三種控制技術；被動控制造價低廉，減震效果良好，容易實現(xiàn)，目前發(fā)展最快，應用最廣，尤其是其中的基礎隔震技術已相當成熟，并得到了一定程

5、度的推廣應用；半主動控制介于主動控制和被動控制之間，其控制精確度較高，造價較主動控制低廉，而且不需要較大的動力源，因此其具有廣闊的應用和發(fā)展前景；混合控制綜合了某幾種控制方法的優(yōu)點，因此其具有較好的控制效果，發(fā)展前景較為廣闊。 二、被動控制的研究與應用 被動控制包括基礎隔震技術、吸能減震技術和耗能減震技術。 基礎隔震技術是指在建筑物或構筑物基底設置控制機構來隔離地震能量向上部結構傳輸，使結構振動減輕，防止地震破壞。目前研究開發(fā)的基礎隔震技術主要有：夾層橡膠墊隔震、摩擦滑移隔震、滾珠及滾軸隔震、支撐式擺動隔震和混合隔震等。近年來，越來越多的國家開展了基礎隔震技術的研究，因此，隔震技術也得到了飛速

6、的發(fā)展。理論上較為成熟，并且也有相當多的實際應用。截止1999年12月份統(tǒng)計表明：日本94棟，美國21棟，中國46棟，意大利19棟，新西蘭16棟，已采用了基礎隔震技術。最近有些國家已制訂了相應的隔震規(guī)范，我國即將出臺的新規(guī)范就包含了基礎隔震部分。 吸能減震技術是在主體結構中附加子結構，使結構的振動能量分散，即結構的振動能量在原結構和子結構之間重新分配，從而達到減小主結構振動的目的。目前主要的吸能減震裝置有：（1）調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）；（2）調(diào)諧液體阻尼器（TLD）；（3）質(zhì)量泵；（4）液壓質(zhì)量控制系統(tǒng)（HMS）；（5）空氣阻尼器。其中，應用最多的是TMD和TLD，如1976年，美國波士頓6

7、0層的John Hancock大樓在58層上安裝了兩個重300噸的TMD，質(zhì)量塊在9米長的鋼板上滑動，它很好地減小了大樓的風振反應，防止了玻璃幕墻的脫落。澳大利亞的悉尼電視塔，加拿大多倫多電視塔，日本的Chiba Port塔以及Funade橋的橋塔均安裝了TMD，其減震效果均令人十分滿意。日本的Yokohama海岸塔是一個高101米的鋼塔架結構，為減小結構的風振反應，在結構上共設置了39個圓柱形的TLD，實例分析表明，安裝了TLD后塔的阻尼比由0.6%增加到4.5%，在強風作用下塔的加速度減小到原來的1/3，滿足舒適度要求。除此之外，日本高的Yokohama王子飯店也在其頂部安裝了TLD以控制

8、其風振反應。 三、耗能減震技術的研究、應用與發(fā)展 耗能減震技術是把結構物中的某些構件（如支撐、剪力墻等）設計成耗能構件或在結構物的某些部位（節(jié)點或連接處）裝設阻尼器。在風載和小震作用下，耗能構件和阻尼器處于彈性狀態(tài)，結構體系具有足夠的抗側移剛度以滿足正常的使用要求，在強烈地震作用時，耗能構件或阻尼器率先進入非彈性狀態(tài)，從而保護主體結構在強震中免遭破壞。 目前研究開發(fā)的阻尼器種類較多，歸納起來主要有：(1) 金屬阻尼器；(2) 摩擦阻尼器；(3) 粘滯阻尼器；(4) 粘彈性阻尼器；(5) 復合型阻尼器。 1. 金屬阻尼器 由于金屬材料在彈塑性范圍以后具有較好的滯回性能，因而被用來制造各種類型的耗

9、能裝置。常用的金屬阻尼器有：軟鋼阻尼器、鉛阻尼器和形狀記憶金屬阻尼器。 軟鋼阻尼器是充分利用軟鋼具有較好的屈服后性能，進入塑性階段后具有良好的滯回特性。1972年Kelly首先進行金屬阻尼器的研究和實驗的；1991年Wittaker等人和1992年Tsai等人分別研究了X型軟鋼阻尼器（XADAS）和三角形軟鋼阻尼器（TADAS）的減震特性。目前這兩種阻尼器是國內(nèi)外研究較多的軟鋼阻尼器。由于軟鋼阻尼器具有滯回特性穩(wěn)定，低疲勞性能好，對環(huán)境和溫度的適應性強和長期性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因此引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注，并已在一些建筑物上開始應用。例如，在意大利Naples的一幢29層的鋼結構、美國San F

10、rancisco的一幢非延性鋼筋混凝土結構和墨西哥的三幢鋼筋混凝土結構上均安裝了軟鋼阻尼器，其中美國和墨西哥的情況是為了對原有結構進行抗震加固。軟鋼阻尼器的缺點是：可恢復性差，其滯回耗能性能受其形狀的影響較為顯著，如形狀制作不合適，會引起滯回環(huán)的畸變。 鉛阻尼器是充分利用鉛具有密度大、熔點低、塑性高、強度低、潤滑能力強等特點，同時由于鉛具有較高的延性和柔性，故在變形過程中可以吸收大量的能量，并且具有較強的變形跟蹤能力，而且通過動態(tài)回復和再結晶過程，其組織和性能還可恢復至變形前的狀態(tài)，因此鉛阻尼器具有以下優(yōu)點：（1）使用壽命不受限制；（2）提供的阻尼力可靠；（3）對位移變化敏感；（4）構造簡單，

11、工作中不需維護。但它具有恢復性差和鉛對環(huán)境造成污染等缺點。 形狀記憶合金（SMA）是一種兼有感知和驅動功能的新型材料，它與傳統(tǒng)材料的區(qū)別是具有高阻尼和大變形超彈性特性，能夠重復屈服而不產(chǎn)生永久變形，因而具有很好的耗能能力。目前，主要的幾種記憶合金為Ni-Ti合金、Cu基合金和Fe基合金等。90年代初，一些學者對形狀記憶合金阻尼結構的地震反應進行了研究。Aiiken等在美國加利福尼亞大學地震工程研究中心對裝有Ni-Ti拉力裝置的3層鋼結構模型進行了試驗研究；美國國家地震工程研究中心對裝有銅鋅鋁記憶合金裝置的5層鋼結構模型進行了試驗研究；Higashino等對利用鎳鈦合金絲制成的阻尼器的性能作了研

12、究；Adachi等也對安裝有形狀記憶合金阻尼器的橋梁的減震進行了系統(tǒng)的研究。   2. 摩擦阻尼器 摩擦阻尼器的研究始于70年代末。目前，研究開發(fā)的摩擦阻尼器主要有：Pall摩擦阻尼器、Sunitome摩擦阻尼器、摩擦剪切鉸阻尼器、滑移型長孔螺栓節(jié)點阻尼器。這些摩擦阻尼器都具有較好的庫侖特性，摩擦耗能明顯，可提供較大的附加阻尼。荷載大小和頻率對其性能的影響不大，且構造簡單，取材容易，造價低廉，因而具有很好的應用前景。摩擦阻尼器的缺點是兩種材料在恒定的正壓力作用下，保持長期的靜接觸，會產(chǎn)生冷粘結或冷凝固，所期望的摩擦系數(shù)發(fā)生改變。在地震作用時，滑動面產(chǎn)生滑動而使摩擦裝置產(chǎn)生退

13、化，地震后會產(chǎn)生永久性偏位，需要進行維修和保護。目前國內(nèi)外對摩擦阻尼器及裝有摩擦阻尼器的結構體系的試驗研究和分析較多，已建立了一套專用的設計方法并編制了專用的摩擦減震支撐框架分析程序（FDBFAP），用來分析和設計摩擦減震支撐框架。 加拿大的Montreal市的Concordia大學圖書館共使用了60個摩擦阻尼器；加拿大民航大樓共使用了58個摩擦阻尼器；日本Omiya市31層的Sonic辦公大樓共安裝了240個摩擦阻尼器；加拿大Sorel的一幢教學樓建于1967年，在1988年的Saguenay地震中受損，其抗側能力和延性均不能滿足規(guī)范要求，為此在支撐上安裝了摩擦阻尼器對其進行加固，效果良好。

14、   3. 粘滯阻尼器 粘滯阻尼器一般是由缸體、活塞和流體組成?；钊诟淄矁?nèi)可作往復運動，活塞上有適量小孔，筒內(nèi)盛滿流體，當活塞與筒體產(chǎn)生相對運動時，流體從活塞上的小孔內(nèi)通過，產(chǎn)生流體阻尼力，從而耗散運動能量，減小結構的反應?；钊峡椎臄?shù)量和筒內(nèi)流體的體積，可根據(jù)阻尼器所需提供的阻尼值來確定，流體可為硅油或其它粘性流體。粘滯阻尼器能提供較大的阻尼，有效地減小結構的振動，同時阻尼器產(chǎn)生的阻尼力與結構的位移反應和柱中彎矩異相，因此該阻尼器在減小結構層間位移和剪力的同時，不會在柱中產(chǎn)生與柱彎距同相的軸力。此外，粘滯阻尼器受激勵頻率和溫度的影響較小，但粘滯阻尼器的加工制作較難，粘滯

15、流體易發(fā)生滲漏。 粘滯阻尼器早就廣泛地應用于軍事、航天、船舶、設備和管網(wǎng)的減震中，最近幾年才應用于土木工程，目前已有一些工程應用實例。如美國洛山磯的兩幢基礎隔震的民用住宅，其基礎隔震系統(tǒng)就是由螺旋彈簧和粘滯阻尼器構成的；在意大利的一座長1000米，重25000噸的橋梁的每一個橋臺下安裝了粘滯硅膠阻尼器，阻尼器重2噸，長2米，活塞桿的行程達500mm，能抵抗500噸的力，耗散2000千焦的能量；1994年美國新San Bermardino醫(yī)療中心也使用了粘滯阻尼器，共安裝了233個阻尼器。   4. 粘彈性阻尼器   粘彈性阻尼器是由粘彈性材料和約束鋼板組

16、成。圖1為常用的粘彈性阻尼器，它由兩塊T形約束鋼板夾一塊鋼板所組成，鋼板之間夾有粘彈性材料。粘彈性阻尼器一般設在能產(chǎn)生相對變形的位置，如斜撐、人字形支撐、梁柱節(jié)點、桁架下弦桿上或毗鄰建筑之間，當結構層間發(fā)生位移時，粘彈性阻尼器會產(chǎn)生剪切滯回變形，耗散輸入的振動能量，減小結構的振動反應。 大量的試驗研究表明：影響粘彈性阻尼器耗能性能的主要因素是溫度、頻率和應變幅值。其影響規(guī)律為   (1) 粘彈性阻尼器具有很好的耗能能力，其耗能能力隨著溫度的增加而降低：   (2) 粘彈性阻尼器的耗能能力隨著頻率的增加而增加，但在高頻下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耗能能力逐漸退

17、化至一平衡值；   (3) 當應變幅值小于50%時，應變的影響是次要的，但在大應變的激勵下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耗能能力逐漸退化至一平衡值。   為精確地描述粘彈性阻尼器的應力應變關系，學者們提出了各式各樣的計算模型，主要有：(1) Kelvin模型；(2) Maxwell模型；(3) 標準線性固體模型；(4) 復剛度模型；(5) 四參數(shù)模型；(6) 有限元模型。   5. 粘彈性阻尼結構的研究現(xiàn)狀   裝有粘彈性阻尼器的結構稱為粘彈性阻尼結構。許多研究者對粘彈性阻尼結構的動力特性和動力反應進行了研究（見表1），從

18、這些試驗和研究可以得出以下結論： 表1.1 粘彈性阻尼結構的試驗研究 試驗者 年代 試驗模型框架 Lee等 1990  五層足尺鋼框架和它的一個2/5比例的模型框架 Lin和Liang等 1991  1/4三層鋼結構模型框架 Bracci和Shen等 1992  1/3三層鋼筋混凝土模型框架 Chang和Lai等 1993  2/5五層鋼結構模型框架 Chang和Shen等 1995  2/5三層鋼結構模型框架 Lai等 1995  1/3三層鋼結構模型框架和五層足尺鋼框架 Chang等 1996  2/5三層鋼結

19、構模型框架 歐進萍等 1999  1/8十六層鋼結構模型框架   (1) 動力特性：粘彈性阻尼結構的剛度和阻尼增加，自振頻率增加，周期減小。   (2) 動力反應：粘彈性阻尼器提供給結構明顯的阻尼以致于結構表現(xiàn)為彈性，地震反應大大地減小，位移、加速度、層間位移和層間剪力都顯著地減小了；輸入結構的地震能量大部分由粘彈性阻尼器的滯回耗能所吸收，而易導致結構損壞的結構滯回能僅占很小的一部分，因此在遭受同樣的地震下粘彈性阻尼結構產(chǎn)生較少的塑性鉸和裂縫，試驗表明：所產(chǎn)生的破壞情況比原結構要少一半多。不管是鋼結構還是鋼筋混凝土結構，安上粘彈性阻尼器后它們都

20、表現(xiàn)出以上特性。 結構加上粘彈性阻尼器后，剛度和阻尼都會顯著增加，粘彈性阻尼器正是通過改變結構的動力特性以達到減震目的。粘彈性阻尼結構的動力特性計算主要是求解加入粘彈性阻尼器后結構的剛度和阻尼，目前主要有以下幾種方法： (1)模態(tài)應變能法；(2)增量剛度和增量阻尼法；(3)改進的模態(tài)應變能法。 （1） 模態(tài)應變能法   模態(tài)應變能法的基本思想是通過粘彈性阻尼器的每圈耗能與系統(tǒng)最大應變能的比值確定出等效阻尼比，近似估計結構的阻尼效應。   在第j振型下由于粘彈性阻尼器所產(chǎn)生的附加剛度和結構阻尼比為：     

21、0;           (1)                           (2) 式中 ， 為粘彈性阻尼器同水平方向的傾角； 為第j振型下粘彈性阻尼器循環(huán)一圈所耗的能量； 為第j振型下系統(tǒng)的應變能。在實際應用中，常常取用第一振型

22、來估計粘彈性阻尼結構的阻尼比。   （2） 增量剛度和增量阻尼法   由于粘彈性阻尼器加到結構中所產(chǎn)生的增量剛度矩陣 和增量阻尼矩陣                         (3) 式中 和 是阻尼器的儲能剛度和阻尼值； 是一無量綱的支撐位置矩陣。   粘彈性阻尼器在第j振型下對結

23、構的阻尼貢獻為                   (4)   則在第j振型下粘彈性阻尼結構的阻尼比為：                     (5) 式中 為初始時結構的模態(tài)阻尼比， ， ；對于一

24、個微小的剛度增加 ，阻尼比總值為附加阻尼比和原阻尼比之和。   （3） 改進的模態(tài)應變能法   改進的模態(tài)應變能法是由Chris.P.等于1994年在模態(tài)應變能法的基礎上提出，對于粘彈性剪切型建筑在第j振型下的阻尼比可由下式確定               (6)             

25、                                                  

26、    式中 ； 為在第j振型下第i層的振型參與系數(shù)。對于粘彈性彎曲型建筑在第j振型下阻尼比                           (7) 式中 ； 。   模態(tài)應變能法計算簡單，當阻尼器的應變小于設計應變時可很好地預計粘彈性阻尼結構的性能；增量剛度和增量

27、阻尼法概念清晰，但計算較繁；改進的模態(tài)應變能法比較完整，但適應的激勵頻率范圍比較狹窄。   6. 粘彈性阻尼結構的應用及發(fā)展前景   粘彈性阻尼器在機械工程和航空工程中的應用已有較長的歷史，在土木工程中的應用早期主要用于結構的抗風減振工程中，近年來已開始在結構的抗震減震工程中應用，表2列出了一些工程應用概況。   西雅圖哥倫比亞中心大廈，77層，高291米，為一鋼混凝土建筑，平面呈三角形。為減小風振影響，在運動部位較大處和受力部位較大處的斜撐上安放了260個大型粘彈性阻尼器，每只重272千克。該工程首先用計算機分析各桿件內(nèi)力，以此決定

28、把粘彈性阻尼器安放在最有效的位置上，結果有1/6的斜撐設有粘彈性阻尼器。紐約世界貿(mào)易中心大廈為一雙塔鋼結構，阻尼器安在第8層到第108層的桁架下弦桿上，每層約100個，共安裝了約20000個阻尼器，每只重約13.6千克。   我國對粘彈性阻尼器的研究較少，尚無實際工程應用,目前北京50層首都規(guī)劃大廈擬采用粘彈性阻尼器以減小結構的風振反應和地震反應。 表2  粘彈性阻尼器在抗風抗震工程的應用概況 建筑名稱 地點 高度 用途 安放位置 世界貿(mào)易中心大廈 紐約 110層 減小風振 桁架下弦桿 哥倫比亞中心大廈 西雅圖 77層 減小風振 主斜撐桿節(jié)點上 電視發(fā)射

29、塔 美國 100米 減小風振 斜拉索上 原子能反應性建筑 法國 減小風振或地震 旱橋斜拉索橋 上海 減小風振 斜拉索上 湖南長沙大橋 長沙 減小風振 斜拉索上 重慶長江大橋 重慶 減小風振 斜拉索上 匹茲堡鋼鐵大廈 美國 64層 減小風振 一框架結構 日本 11層 減小地震 一框架結構 美國 減小地震 中跨支撐上 一鋼框架 美國 13層 減小風振或地震 陳臺火車站 臺灣 減小風振 屋頂上 擬建的首都規(guī)劃大廈 北京 50層 減小風振 柱間人字型支撐上 擬建的宿遷市交通大廈 江蘇 13層 減小地震 柱間斜撐上 粘彈性阻尼結構的風洞試驗、地震模擬振動臺試驗及大量的結構分析表明，在結構中安裝粘彈性阻尼

30、器可減小風振反應和地震反應40%80%，可確保主體結構在強風和強震中的安全性，并使結構在強風作用下,結構的舒適度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。西雅圖哥倫比亞中心大廈起初是因為在風振的影響下,頂部幾層有明顯的不舒適感，安上粘彈性阻尼器后，不再有不舒適感，效果良好。若采用加大剛度的方法來獲得同樣的效果，需要把現(xiàn)有的柱尺寸擴大一倍，粗算價值約800萬美元，顯然采用增加剛度的辦法是難以接受的，而采用粘彈性阻尼器所用的試驗及安裝費用僅70萬美元。由此可見,采用粘彈性阻尼器減小建筑的風振或地震效應在經(jīng)濟上是相當可觀的。 從大量的試驗研究和工程應用可得出以下結論：   (1)粘彈性阻尼器能有效地減

31、小建筑物的風振及地震反應；   (2)使用粘彈性阻尼器減小風振及地震反應在經(jīng)濟上節(jié)約了一定的資金，降低了建筑造價；   (3)粘彈性阻尼器性能可靠，無嚴重老化現(xiàn)象；   (4)粘彈性阻尼器構造簡單、制作方便、造價低廉；   (5)粘彈性阻尼器具有較寬的適用性，它既可用于結構的抗風減振工程中又可用于結構的抗震減震工程中，既可用于建筑結構中又可用于塔桅結構和橋梁結構中，既可用于新建工程又可用于抗震加固及震后修復工程中；   (6)粘彈性阻尼結構具有較好的綜合效益和社會意義，可避免地震和強風作用所造成的次生災害和經(jīng)濟損耗，確保人民生命財產(chǎn)安全。 由于粘彈性阻尼器的諸多優(yōu)點，所以它具有廣闊的應用和發(fā)展前景。 7. 復合型阻尼器 復合型阻尼器是由兩種或兩種以上的耗能元件組合而成的新型耗能減震裝置。目前已研制開發(fā)的復合型阻尼器有：鉛粘彈性阻尼器、鉛橡膠阻尼器、流體粘彈性阻尼器、軟鋼摩擦耗能器等。 四、耗能減震設計標準的發(fā)展 近年來，隨著各國在耗能減震體系方面研究的深入，許多國家相繼制訂出臺了相應的耗能減震結構設計、施工規(guī)范和規(guī)程。