浅谈消能减震结构施工技术

　　【摘要】：本文主要针对结构的消能减震是结构的新思路，及其当前常用消能装置与实用对象。文章就消能减震结构的思想及其在工程中的应用进行了研究。
　　【关键词】：消能减震；耗能装置；结构抗震；施工技术
　　消能减震是工程减震控制技术中的一种被动控制技术,它已成为一种崭新的结构体系。消能支撑框架结构就是通过对框架结构作特殊构造或附设控制装置,借助这些装置在结构振动中的变形或运动,耗散地震输入结构的大部分能量,确保主体结构在大震中不受破坏,试验分析表明它具有较好的抗震效果。
　　1消能减震结构的概念
　　消能减震结构的基本思想就是在结构中设置一些一般情况下不承担垂直作用的日常荷载的耗能部件，当结构受到水平荷载作用时，这些部件分担部分荷载，并通过部件内部的零部件之间的相互运动耗散外荷载作用的动能，减小结构对其作用的效应。
　　消能减震的力学原理就是在结构会产生相对运动的部位增设一些阻尼器之类的消能装置，当结构受到地震作用时，这些阻尼器在结构相对运动的强迫作用下，产生抵抗结构相对运动的阻力运动，这些阻尼力在运动过程中做功，通常以导致阻尼器发热而耗散掉部分结构相对运动的能量，从而减小结构的地震响应，即减小结构的损坏或保证结构的正常使用功能。
　　但是，这种消能减震的抗震设计理论和实践仅是近十几年的事情，还未见有经受严重地震考验的实例，也没有这类结构承受地震作用时动态实测资料，人们对这类结构在地震作用下动态行为的认识还不全面，对其真实抗震能力的认识还是很肤浅的。另外，消能减震结构的分析计算和合理设计的理论方法还不是很完善，值得进一步深入讨论。
　　2消能减震结构的分类
　　消能减震装置的类型很多，但按其抵抗相对运动消能的直接相关联参数而言，可分为位移相关型与速度相关型两大类，或是由它们组成的复合型。下面分别作一些简单叙述。
　　1.位移相关型消能装置
　　（1）金属阻尼器。金属阻尼器通常又分为软钢阻尼器和记忆合金阻尼器两种。软钢阻尼器利用软钢较好的屈服后性能和进入塑性范围后的良好滞回特性，达到耗能减震的目的。目前已有加劲消能装置、锥形钢耗能装置、圆环钢阻尼器、双环钢阻尼器、加劲圆环阻尼器、低屈服点钢阻尼器、低屈服点剪切耗能板和屈曲斜撑等。这类消能器具有滞回环稳定、耗能能力大、长期使用可靠并不受环境与温度影响的特点。目前国外用在钢结构中较多，国内作了一些试验研究，取得了一些可用于工程实践的成果。记忆合金阻尼器是利用一种兼有感知和驱动功能的新型材料一形状记忆合金（SMA）制作而成，该种合金具有高耗能特性和大变形超弹性特性，能够重复屈服而不产生永久变形，因而有很好的耗能能力。目前，主要的几种记忆合金为Ni-Ti合金、Cu基合金和Fe基合金等。
　　（2）摩擦阻尼器。摩擦阻尼器是一种性能良好的耗能减震装置。由于它具有较好的库仑特性，消能明显，可提供较大的附加阻尼，而且结构简单、取材容易、制作方便，因而具有广泛的应用背景。已研制开发的消能器有PALL型摩擦装置（板式摩擦阻尼器）、双向摩擦阻尼器、Sumitomo型摩擦阻尼器、筒制振器、摩擦剪切铰耗能器等。摩擦阻尼器在国内有不少研究单位均对其消能减震的功能进行过较为详细的研究，目前有不少单位已经能小批量生产。
　　（3）铅阻尼器。铅阻尼器利用铅具有密度大、熔点低、塑性高、强度底、耐腐蚀、润滑能力强等特点，使得该消能器有较高的延性和柔性，在变形过程中可以吸收大量的能量，并有较强的变形综合能力。同时，通过动态回复与再结晶过程，铅的组织和性能还可恢复至变形前的状态。铅消能器类型主要有铅挤压阻尼器、铅剪切阻尼器、铅节点阻尼器、异型铅阻尼器等。
　　（4）粘弹性阻尼器。粘弹性阻尼器同时具有弹性刚度和耗能性能。最早的粘弹性阻尼器是美国3M公司研制开发的，它由两块T型钢板夹一块矩形钢板组成，T型约束钢板与中间钢板间夹有一层粘弹性材料，这层材料的剪切变形与其相对应的剪应力存在相位差，从而产生剪切滞回特性，增加了结构的阻尼。弹性与粘性都对降低结构的动力反应起作用。该消能器目前己得到广泛的应用。近年来开发出的装置还有沥青橡胶组合粘弹性阻尼器、粘弹性橡胶剪切阻尼器、超塑性硅氧橡胶粘弹性剪切消能制震系统、杠杆粘弹性阻尼器等。
　　2.速度相关型消能装置
　　（1）粘滞流体阻尼器。粘滞流体阻尼器曾广泛应用于军事和航空领域。目前已在建筑和桥梁的振动控制中得到运用，已研制开发的粘滞流体阻尼器有筒式流体阻尼器、粘性阻尼墙系统、油动式阻尼器等。筒式流体阻尼器一般由缸体、活塞和粘滞流体组成。活塞上开有小孔，或活塞与筒体之间留有间隙，活塞可在充有硅油或其它粘滞流体的缸筒内作往复运动，当活塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞的小孔内通过，或从活塞与筒体之间的间隙中通过，对两者的相对运动产生阻力，从而耗散能量。
　　（2）电磁流体阻尼器。电流(ER)变流体和磁流变(MR)流体是20世纪80年代末兴起的两类性能极为相似的可控流体。其流体效应可用电场强度和磁场强度有效地控制。这些智能材料用于结构减震的主要原理是它根据动力传感器测得的结构瞬时振动状态，由ER(MR)智能可调参数结构构件中的智能可调阻尼器在各瞬态时调整参数，从而实现减小整个结构地震反应的目的。用这些可控流体设计和制作的消能器具有结构简单，所需驱动功率小，反应迅速等特点，而且可和其它减震机构串、并联使用，以提高功效。
　　3.其他类型的消能装置
　　（1）复合型阻尼器。复合型阻尼器是利用两种或两种以上的消能元件或消能机制设计而成的新型消能减震装置。已研制开发的一些复合消能器有弹塑性-摩擦型阻尼器、弹塑性-粘弹性阻尼器、摩擦-粘弹性阻尼器、铅粘弹性阻尼器、流体-粘弹性阻尼器等。
　　（2）调频质量和调频液体阻尼器。又称TMD和TLD。TMD是在结构中增设装有附加质量块的外加机构，使其自振频率与结构自振频率基本一致，利用共振原理，将外激励的能量消耗在外加机构中的质量块的运动上，从而达到减震的目的。TLD除了具有TMD的功能外，还要求通过增设在结构上的容器中的液体的运动来消耗和吸收振动能量，从而达到减震的目的。这两种装置较简单，易于实施，但是减震效果受限，对结构自振频率的估计精度要求很高。
　　（3）设置耗能杆件。在结构中设置一些耗能支撑、隅撑或一些附属构件，当地震作用时，利用这些构件的滞回耗能性能消耗一部分地震能量以减弱主体结构的地震反应。这些构件在地震后产生一定程度的损坏，但其更换方便，维护成本低廉，因而也是一种耗能的重要方式。
　　3耗能减震的能量原理
　　耗能减震的原理可以从能量的角度来描述，结构在地震中任意时刻的能量方程为：
　　传统抗震结构：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh
　　耗能减震结构：Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed
　　式中，Ein—地震过程中输入结构的总能量；
　　Ev—结构的动能；
　　Ec—粘滞阻尼耗能；
　　Ek—弹性应变能；
　　Eh—非弹性变形滞回耗能；
　　Ed—附加耗能（阻尼）装置或耗能原件耗散或吸收的耗能；
　　两个能量方程式的差别仅在于附加耗能器的耗能Ed项。其中Ev不能耗能，Ek仅使能量转换而不会耗散能量，Ec耗能很少，约5％左右，可以忽略不计。所以传统的抗震结构主要依靠非弹性变形滞回耗能Ek，这样造成的构件自身损伤和破坏也是相当严重的，某一构件耗能越多，其破坏程度越严重。而在耗能减震结构体系中，耗能阻尼装置或元件在主体结构进入弹塑性状态前率先进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，而结构本身需消耗的能量却很少，这意味着结构本身在地震作用下的破坏程度将大减小，从而有效地保护主体结构的安全性，避免或延缓其遭受损伤或破坏。
　　结构的损伤程度与结构的最大变形Δmax和滞回耗能（或累积塑性变形）Eh成正比，可以表达为：
　　D=f(Δmax，Eh)
　　在耗能减震结构中，由于最大变形和构件的滞回耗能较传统抗震结构的最大变形和滞回耗能大减少，因此结构的损伤也大大减少。
　　4消能减震结构在工程中的应用
　　消能减震结构步前已获得广泛的应用，但各种消能减震装置有其各自的特点和适应的范围。对于金属阻尼器，存在疲劳断裂问题，如要求小震下起作用则对支撑刚度要求较高，通常适用于相对位移不太大的情况；摩擦阻尼器在小震情况下基本无耗能作用，只有刚度贡献，且对于预压应力的精度要求较高；对于铅阻尼器应考虑铅对环境的污染，同样只适用相对位移不太大的情况；粘弹性阻尼器的缺陷是其储存模量与损失模量的特性，与温度变化和阻尼器相对剪切变形的频率密切相关温度高时模量降低，故而耗能特性降低，但其模量是随着频率增高而增大，但该两模量的比值却对温度变化和加载频率不敏感；速度相关型消能器如粘滞流体阻尼器适用各种相对位移情况，其阻尼力与相对运动速度的相关关系，在相对运动速度不大于600mm/s及相对运动频率不大于3Hz的工作状态下非常稳定，其对支撑刚度的要求是与阻尼力的大小，期望阻尼器耗能的起始行程状态相关联的，与结构的层间刚度不直接相关它的耗能性能及耐疲劳性能较好，较大的温差环境温度对其阻尼力大小有些轻微影响但目前对其耗能性能的耐久性尚无可靠数据说明，即是说位于室内正常环境下，经年或更长时间后的耗能性能的变化情况尚无可靠资料证明。
　　5结论
　　消能减震结构目前还存在一些问题需要进一步研究：
　　1.在耗能减震结构中，耗能阻尼器的参数对结构的动力特性影响较大，因此需要进一步对阻尼器的参数进行选择和优化研究；
　　2.为了保证结构在大震作用下安全性，阻尼器的数量分配问题需要进一步的探讨和研究；
　　3.安装耗能阻尼器会影响结构构件的力的传递路径，所以对于设置耗能减震装置的结构部分的研究和设计；
　　4.消能减震结构的防倒塌和整体倾覆问题的研究也是一个需要研究的内容。
　　从传统的增强结构强度来抵抗地震作用到采用被动耗能装置来耗散地震作用的能量，但目前在结构设计中还未广泛采用消能减震技术。不过，目前耗能阻尼器生产技术和可靠性逐步成熟，推广消能减震技术是今后抗震工作者应该努力工作的方向。同时，更详细，更实用的消能减震设计规范和适合国情的各类阻尼器生产标准的制定是当务之急
　　【参考文献】
　　[1]翁大根.消能减震结构理论分析与试验验证及工程应用[D].同济大学,2006.
　　[2]周云,刘季.圆环耗能器的试验研究[J].世界地震工程,1996,(4):1-7.
　　[3]吴斌,欧进萍.软钢屈服耗能器的疲劳性能和设计准则[J].世界地震工程,1996,(4):8-13.

《浅谈消能减震结构施工技术》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 浅谈消能减震结构施工技术

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-15866