消能減震技術(shù)在防震減災(zāi)中的應(yīng)用

鄭維成,趙　婕,王世偉,張慶文

(西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,云南 昆明 650224)

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消能減震技術(shù)在防震減災(zāi)中的應(yīng)用

鄭維成,趙婕,王世偉,張慶文

(西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,云南 昆明 650224)

簡要介紹了消能減震技術(shù)在防震減災(zāi)中的發(fā)展現(xiàn)狀、消能減震的基本原理,列舉了消能減震裝置的類型以及在國內(nèi)的某些實際工程的應(yīng)用實例,并講述了目前國內(nèi)減震設(shè)計最常用的分析方法,最后對消能減震技術(shù)的應(yīng)用進行了展望并提出有待進一步研究的問題。

耗能；減震；阻尼器；彈塑性

地震嚴重威脅到人類生命及財產(chǎn)安全。為了避免和減輕其帶來的損失,抗震專家們不斷地探索和完善抗震理論與技術(shù)。

地震使得結(jié)構(gòu)物振動,大的振動影響結(jié)構(gòu)物正常使用,還可能導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)損傷甚至破壞。有時雖然主體結(jié)構(gòu)未破壞,但由于裝修、室內(nèi)昂貴設(shè)備儀器的破壞導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失。經(jīng)地震工程專家們的努力,研究了一套完整有效的抗震理論以減輕震害。其原理是用結(jié)構(gòu)本身的塑性變形來耗散地震能,其損傷可能是不可修復(fù),局限性較大,屬于消極被動抗震方法。

對于消能減震技術(shù),從動力學(xué)角度看,是設(shè)置消能器以增加結(jié)構(gòu)阻尼,衰減結(jié)構(gòu)振動；從能量方面看,是以耗能器來耗散地震能,增加結(jié)構(gòu)體系安全性。只有在達到中強震時,消能構(gòu)件才有部分進入非線性,提供的較大阻尼耗散大量地震能,確保主體安全。消能減震較傳統(tǒng)抗震的優(yōu)勢:

1)安全,消能裝置可大量吸收地震能,結(jié)構(gòu)體系安全得到提高；

2)經(jīng)濟,采取“柔性消能”,使得構(gòu)件尺寸減小,剪力墻布置和配筋減少；

3)適用性廣,基本不用維護,即使大震后損壞更換也很方便。

1　消能減震技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀70年代,一個新研究領(lǐng)域——結(jié)構(gòu)振動控制在土木工程界提出。20世紀80年代初,這個領(lǐng)域被王光遠院士引入國內(nèi)。隨后,國內(nèi)展開控振、減隔震的深入研究,已從開始的理論研究,向著工程應(yīng)用發(fā)展,并取得了一系列豐碩的成果，逐步朝標準化、規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化的方向邁進[1-2]。

1992年,美國制定了一系列條款,規(guī)定在減震設(shè)計中,耗能器可出現(xiàn)彈塑性,但要求結(jié)構(gòu)體系應(yīng)在彈性范圍內(nèi)工作。次年,又出臺了消能減震技術(shù)規(guī)定,其中明文要求減震設(shè)計應(yīng)用動力時程分析法,而不能用等效側(cè)力法。

1995年,周云等提出了消能減震技術(shù)標準化如何推進的一些建議[1]。2001年,我國頒布了新抗震規(guī)范——《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011—2001)》,新增減隔震設(shè)計部分基本原則與方法。后來又頒布了《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程(JGJ 297—2013)》等一系列相應(yīng)的規(guī)程。

2003年,日本的《被動控制結(jié)構(gòu)設(shè)計·施工手冊》詳述了控振結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法等，并講述了控制裝置的設(shè)計、生產(chǎn)等方面內(nèi)容[3]。

消能減震技術(shù)不斷地發(fā)展,為使得規(guī)范化以及更好地推廣應(yīng)用,相應(yīng)的設(shè)計、施工規(guī)程陸續(xù)出現(xiàn)。目前,國內(nèi)雖已研制開發(fā)出各種類型耗能器以適應(yīng)不同建筑的要求,但還不夠規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化,這阻礙了我國消能減震技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用。

2　結(jié)構(gòu)消能減震原理

2.1能量耗散原理

震后結(jié)構(gòu)能量平衡方程：

EEQ=EP+ED+EH(未設(shè)阻尼器)

(1)

(2)

式中：EEQ為輸入結(jié)構(gòu)體系的地震能；

ED為體系阻尼耗能；

EP為主體結(jié)構(gòu)塑性變形能；

EH為主體結(jié)構(gòu)滯回耗能；

2.2阻尼器的設(shè)置要點

阻尼器應(yīng)分別沿結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向設(shè)置,總體遵從分散對稱的原則；通過綜合分析來確定其數(shù)量和具體分布。

2.3阻尼器應(yīng)滿足下列要求

1)初始剛度足夠,并滿足下列要求：

速度線性相關(guān)型剛度應(yīng)滿足

Kb≥(6π/T1)Cv

(3)

式中：Kb為支承構(gòu)件在阻尼器方向剛度；

Cv為阻尼器的線性阻尼系數(shù)；

T1為消能體系的基本自振周期。

位移型耗能器恢復(fù)力模型宜滿足

ΔUpy/ΔUsy≤2/3

(4)

(Kp/Ks)(ΔUpy/ΔUsy)≥0.8

(5)

式中：Kp為阻尼器水平向的初始剛度;

ΔUpy為阻尼器的屈服位移;

Ks為設(shè)耗能器的結(jié)構(gòu)層間剛度;

ΔUsy為設(shè)耗能器結(jié)構(gòu)層間屈服位移。

2)能夠長期保持良好的性能。

3)結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、易維護,連接可靠。

2.4結(jié)構(gòu)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為減震體系阻尼比；

Wc為耗能體系在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下一個循環(huán)消耗的總能量；

Ws為耗能體系在預(yù)期位移下總應(yīng)變能。

3　消能減震裝置的類型

根據(jù)耗能機理的差異分為三大類：位移相關(guān)型(位移型)和速度相關(guān)型(速度型)和復(fù)合類型[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較好,耗能能力強,類型有金屬屈服型和摩擦型等。金屬屈服型阻尼器一般使用軟鋼、鉛等材料制成[6-9]。其優(yōu)點：構(gòu)造簡單,造價低；震后易更換；耗能穩(wěn)定,有效減震。

防屈曲支撐(BRB)是最常用裝置之一。一般由芯材、鋼套筒及無粘結(jié)填充材料組成(圖1),芯材是由特定強度的鋼板制成的主受力單元。

圖1　BRB基本組成圖

BRB技術(shù)最先是在1973年由日本提出；隨后,美國也開始對其進行了相應(yīng)的研究。普通支撐要增大截面滿足穩(wěn)定性,過大剛度的結(jié)構(gòu)使得地震慣性力擴大,形成惡性循環(huán)。BRB剛度與承載力分離,體系剛度不改變但承載力大大提高,彌補了普通支撐的缺陷；BRB在大震下能很好地保護結(jié)構(gòu)安全,一般不需維護,即便更換也容易[4]。國內(nèi)工程應(yīng)用有2010年建成的上海世博中心(圖2)等。

圖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滯材料制成,包括黏滯阻尼器和黏彈性阻尼器等[6-9]。其優(yōu)點：無論振動大小,它都可以產(chǎn)生阻尼力；大震后也不易損壞,即使更換也較容易；只提供阻尼不提供剛度,對結(jié)構(gòu)周期無影響,有效控制結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)。

最常用耗能裝置之一是黏滯阻尼器。其組成主要有缸體、活塞、阻尼孔、黏滯材料和導(dǎo)桿(圖3)。黏滯材料通過阻尼孔流動以平衡活塞與缸筒相對運動時產(chǎn)生的壓力差值,產(chǎn)生的阻尼將大部分地震能量吸收,有效削弱結(jié)構(gòu)的振動；但其工藝要求較高,流體材料易滲漏。

圖3　黏滯阻尼器構(gòu)造簡圖

黏滯阻尼器最早是應(yīng)用于軍事、航天等減震結(jié)構(gòu),其后才發(fā)展到防震減災(zāi)工程中,并取得了良好的減震效果。目前,國外黏滯阻尼器的工程應(yīng)用較多,而國內(nèi)對流體阻尼器的系統(tǒng)化研究,還遠落后于國外。我國這方面的首個工程是在1999年,北京飯店用流體阻尼器進行了加固,2015年建成的設(shè)黏滯阻尼器的宿遷第一人民醫(yī)院(圖4)等；自20世紀90年代初,國內(nèi)學(xué)者開始對流體阻尼器理論及應(yīng)用進行了初步的探索[4-6,10]。

圖4　宿遷市第一人民醫(yī)院

3.3復(fù)合類型的消能減震裝置

把兩種以上的耗能元件或機制結(jié)合而制成的耗能裝置。如鉛-粘彈性耗能器,鉛-約束屈曲支撐,鋼屈服-摩擦耗能器等[7-9]。

4　減震設(shè)計方法

消能減震設(shè)計方法有：反應(yīng)譜法、時程分析法、性能優(yōu)化法、能力譜法、位移法、能量法、性能目標確定阻尼器參數(shù)法、改進的層串模型分析法等[11-16]。

4.1時程分析法

時程分析法,主要用于超高層構(gòu)筑物的分析及抗震研究等。根據(jù)選擇的地震波和結(jié)構(gòu)恢復(fù)力特性曲線,用逐步積分法對動力微分方程直接積分,得出地震作用下減震結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化及構(gòu)件變形以至結(jié)構(gòu)倒塌的全過程。時程分析法一般步驟:

1)根據(jù)場地類別及設(shè)防烈度等條件選擇若干條強震記錄,作為設(shè)計輸入波；

2)根據(jù)結(jié)構(gòu)體系特性,建立合理的結(jié)構(gòu)振動模型;

3)依據(jù)材料、構(gòu)件類型及受力情況,合理選擇恢復(fù)力模型,并確定相應(yīng)的恢復(fù)力特性參數(shù)及折線剛度值；

4)建立地震力下結(jié)構(gòu)振動微分方程；

5)用逐步積分法求解方程,得出地震作用全過程結(jié)構(gòu)的反應(yīng);

6)根據(jù)結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)內(nèi)力、位移等指標,判別結(jié)構(gòu)是否滿足要求。

4.2性能優(yōu)化法

性能優(yōu)化法,是通過基頻等效原則把多層結(jié)構(gòu)簡化為一單質(zhì)點體系,然后配置阻尼器裝置,使在彈性范圍內(nèi)降低該體系位移反應(yīng)、加速度反應(yīng)的性能分析,也稱Kasai法。以軟鋼摩擦阻尼器為例,其基本步驟如下:

1)在無阻尼器下,求出結(jié)構(gòu)最大位移；

2)求出減震后位移的降低率；

3)根據(jù)減震性能曲線比較位移降低率,選擇滿足要求的組合；

4)求出所需阻尼器剛度,進而得到阻尼器的屈服變形和延性系數(shù)。

4.3能力譜法

能力譜法,即靜力非線性法,此法近年來在消能減震設(shè)計中應(yīng)用廣泛,其原理是：把反應(yīng)譜曲線和能力譜曲線以相同的格式轉(zhuǎn)換出來,以兩曲線相交點的位移來評估結(jié)構(gòu)在給定地震作用下的性能。能力譜法的基本步驟：

1)根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件及耗能器的特性得到推覆曲線，進而確定結(jié)構(gòu)的有效阻尼比；

2)集成結(jié)構(gòu)有效總剛,再進行模態(tài)分析,把推覆曲線轉(zhuǎn)換為能力譜曲線,把反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換為需求譜；

3)采用能力譜方法評價擬減震結(jié)構(gòu)抗震性能;

4)查找規(guī)范,確定結(jié)構(gòu)減震性能及設(shè)防目標要求；

5)確定減震初步方案,確定附加阻尼比;

6)確定耗能器的類型、形式及數(shù)量,確定耗能器布置方案；

7)采用能力譜方法分析減震結(jié)構(gòu)性能,評估設(shè)防目標是否滿足。

5　結(jié)　語

消能減震技術(shù)彌補了傳統(tǒng)抗震缺陷,是抗震領(lǐng)域的一個新思路。簡單可行有效,備受工程抗震界的關(guān)注和青睞。應(yīng)用空間大,前景廣闊,它將來必定會成為防震減災(zāi)領(lǐng)域的重要手段和主要方法,為有效減輕地震災(zāi)害作出巨大貢獻。

近四十年來,消能減震技術(shù)研究與應(yīng)用在我國已取得較大進展,并已在部分工程中應(yīng)用,有效提高了結(jié)構(gòu)抗震性能,但為進一步推廣,仍面臨著一些問題亟待解決和完善。

1)耐久性和可靠性的研究,大變形下耗能性能的研究；

2)應(yīng)盡早制定相關(guān)技術(shù)標準和工法,規(guī)范化和產(chǎn)業(yè)化,以便于推廣應(yīng)用。

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Application of the Energy Dissipation and Damping Technology in Earthquake Prevention and Disaster Reduction

ZHENGWeicheng,ZHAOJie,WANGShiwei,ZHANGQingwen

2016-06-15

鄭維成(1986—),男,貴州遵義人,碩士在讀。

TU352

B

1008-3707(2016)10-0014-04