耗能减震结构

9．3 耗能减震结构设计9．3．l 结构耗能减震原理与耗能减震结构特点结构耗能减震技术是在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置耗能（阻尼）装置（或元件），通过耗能（阻尼）装置产生摩擦，弯曲（或剪切、扭转）弹塑（或粘弹）性滞回变形耗能来耗散或吸收地震输人结构中的能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控震的目的。

装有耗能（阻尼）装置的结构称为耗能减震结构。

耗能减震的原理可以从能量的角度来描述，如图9．11结构在地震中任意时刻的能量方程为：传统抗震结构E in=E v+E c+E k+E h耗能减震结构E in=E v+E c+E k+E h+E d式中E in——地震过程中输入结构体系的能量；Ev ——结构体系的动能；Ec——结构体系的粘滞阻尼耗能；E k——结构体系的弹性应变能；E h——结构体系的滞回耗能；Ed——耗能（阻尼）装置或耗能元件耗散或吸收的能量。

图 9.11 结构能量转换途径对比a ）地震输人b ）传统抗震结构c ）消能减震结构在上述能量方程中，由于Ev 和Ek 仅仅是能量转换，不能耗能,Ec 只占总能量的很小部分（约5％左右），可以忽略不计。

在传统的抗震结构中，主要依靠Eh 消耗输入结构的地震能量，但因结构构件在利用其自身弹塑性变形消耗地震能量的同时，构件本身将遭到损伤甚至破坏，某一结构构件耗能越多，则其破坏越严重。

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非弹性状态前率先进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结构体系的地震能量，则结构本身需消耗的能量很少，这意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。

一般来说，结构的损伤程度与结构的最大变形Δmax 和滞回耗能Eh （或累积塑性变形）成正比，可以表达为：),(max h E f D ∆=在耗能减震结构中，由于最大变形和构件的滞回耗能较之传统抗震结构的最大变形和滞回耗能大大减少，因此结构的损伤大大减少。

耗能减震结构具有减震机理明确，减震效果显著，安全可靠，经济合理，技术先进，适用范围广等特点。

目前，已被成功用于工程结构的减震控制中。

9．3．2 耗能减震装置的类型与性能9．3．2．1 耗能减震装置的类型与性能耗能减震装置的种类很多，根据耗能机制的不同可分为摩擦耗能器。

钢弹塑性耗能器、铅挤压阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器等；根据耗能器耗能的依赖性可分为速度相关型（如粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器）和位移相关型（如摩擦耗能器、钢弹塑性耗能器和铅挤压阻尼器）等。

（1）摩擦耗能器图9 12 Pall型摩擦耗能器及典型滞回曲线摩擦耗能器是根据摩擦做功而耗散能量的原理设计的。

目前已有多种不同构造的摩擦耗能器，如Pall型摩擦耗能器、摩擦筒制震器、限位摩擦耗能器、摩擦滑动螺栓节点及摩擦剪切铰耗能器等。

图9．12（a）（b）为Pall等设计的摩擦耗能装置，它是一可滑动而改变形状的机构。

机构带有摩擦制动板，机构的滑移受板间摩擦力控制，而摩擦力取决于板间的挤压力，可以通过松紧节点板的高强螺栓来调节。

该装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动设计，而在强烈地震作用下，其主要构件尚未发生屈服，装置即产生滑移以摩擦功耗散地震能量，并改变了结构的自振频率，从而使结构在强震中改变动力特性，达到减震目的。

（如何设计，如何计算）摩擦耗能器种类很多，但都具有很好的滞回特性，滞回环呈矩形，耗能能力强，工作性能稳定等特点。

图9．12（c）为典型的滞回曲线。

摩擦耗能器一般安装在支撑上形成摩擦耗能支撑。

（2）钢弹塑性耗能器软钢具有较好的屈服后性能，利用其进入弹塑性范围后的良好滞回特性，目前已研究开发了多种耗能装置，如加劲阻尼（ADAS）装置、锥形钢耗能器、圆环（或方框）钢耗能器、双环钢耗能器、加劲圆环耗能器。

低屈服点钢耗能器等。

这类耗能器具有滞回性能稳定，耗能能力大，长期可靠并不受环境与温度影响的特点。

加劲阻尼装置是由数块互相平行的X形或三角形钢板通过定位件组装而成的耗能减震装置，如图9.13（a）所示。

它一般安装在人字形支撑顶部和框架梁之间，在地震作用下，框架层间相对变形引起装置顶部相对于底部的水平运动，使钢板产生弯曲屈服，利用弹塑性滞回变形耗散地震能量。

图9．13u）为8块三角形钢板组成的加劲阻尼装置的滞回曲线。

双环钢环耗能器由两个简单的耗能圆环构成，这种耗能器既保留了圆环钢耗能器变形大、构造简单、制作方便的特点，又提高了初始的承载能力和刚度，使其耗能能力大为改善。

试验研究表明，这种耗能器的滞回环为典型的纺锤形，形状饱满，具有稳定的滞变回路。

加劲圆环耗能器由耗能圆环和加劲弧板构成，即在圆环耗能器中附加弧形钢板以提高圆环钢耗能器的刚度和阻尼，改善圆环钢耗能器承载能力和初始刚度较低的缺点。

试验研究表明，加劲圆环耗能器工作性能稳定，适应性好，变形能力强，耗能能力可随变形的增大而提高，而且具有多道减震防线和多重耗能特性。

低屈服点钢是一种屈服点很低、延性滞回性能很好的材料，图9．14所示为钢材型号为BT－I。

YP100、宽厚比D/t为40的屈服点钢耗能器试验后的形状和滞回曲线。

可以看出，该类耗能器具有较强的耗能能力，滞回曲线形状饱满，性能稳定。

（3）铅耗能器铅是一种结晶金属，具有密度大、熔点低、塑性好、强度低等特点。

发生塑性变形时晶格被拉长或错动，一部分能量将转换成热量，另一部分能量为促使再结晶而消耗，使铅的组织和性能回复至变形前的状态。

铅的动态回复与再结晶过程在常温下进行，耗时短且无疲劳现象，因此具有稳定的耗能能力。

图9．15为利用铅挤压产生塑性变形耗散能量的原理制成的阻尼器。

图9．15（a）为收缩管型，图9．15(b)为鼓凸轮型，当中心轴相对钢管运动时，铅被挤呀压通过中心轴与壁间形成的挤压口而产生塑性变形耗散能量。

铅挤压耗能器具有有“库仑摩擦”的特点，图915 铅挤压阻尼器及典型滞回曲线其滞回曲线基本呈矩形，如图9．15（C），在地震作用下，挤压力和耗能能力基本上与速度无关。

此外，还有利用铅产生剪切或弯剪塑性滞回变形耗能原理制成的铅剪切耗能器I形铝耗能器等。

（4）粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板所组成。

典型的粘弹性阻尼器如图9.16（a）所示，它是由两个T形约束钢板夹一块矩形钢板所组成，T形约束钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性材料，在反复轴向力作用下，约束T形钢板与中间钢板产生相对运动，使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形，以吸收和耗散能量。

图9.16 （b）为粘弹性阻尼器的典型滞回曲线，可以看出，其滞回环呈椭圆形，具有很好的耗能性能，它能同时提供刚度和阻尼。

由于粘弹性材料的性能受温度、频率和应变幅值的影响，所以粘弹性阻尼器的性能受温度、频率和应变幅值的影响，有关研究结果表明，其耗能能力随着温度的增加而降低；随着频率的增加而增加，但在高频下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至某一平衡值。

当应变幅值小于50％时，应变的影响不大，但在大应变的激励下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至某一平衡值。

（5）粘滞阻尼器粘滞阻尼器主要有筒式粘滞阻尼器、粘滞阻尼墙系统等。

筒式粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘滞流体组成。

活塞上开有小孔，并可以在充有硅油或其他粘性流体的缸内作往复运动。

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，对两者的相对运动产生阻尼，从而耗散能量。

图9．17（a）为典型的油阻尼器，图9．17(b)为油阻尼器的恢复力特性，形状近似为椭圆。

油阻尼器产生的阻尼力一般与速度和温度有关。

9．3．2．2 耗能器的恢复为模型（1）速度相关型耗能器的恢复力模型图9．18为速度相关型耗能器的恢复力-变形曲线。

速度相关型耗能器的恢复力与变形和速度的关系一般可以表示为：d d d F k C =∆+∆& 式中d k 和d C ——耗能器的刚度和阻尼器系数；∆和 ∆&—耗能器的相对位移和相对速度。

对于粘滞阻尼器，一般Kd=0，C=C 0，阻尼力仅与速度有关，可表示为:0d F C =∆&式中C 0粘滞阻尼器的阻尼系数，可由阻尼器的产品型号给定或由试验确定。

对于粘弹性阻尼器，刚度和阻尼系数一般由式下式确定：()()()d d AG AG C K ηωωωωδδ==式中η（ω）、G （ω）—粘弹性材料的损失因子和剪切模量，一般与频率和速度有关，由粘弹性材料特性曲线 确定；A 、δ——粘弹性材料层的受剪面积和厚度；ω—结构振动的频率。

（2）滞变型耗能器的恢复力模型软钢类耗能器具有类似的滞回性能，可采用相似的计算模型，仅其特征参数不同。

该类耗能器的最理想的数学模型可采用Ramberg －Osgood 模型，但由于其不便于计算分析，故可采用图9.19（a ）所示的折线型弹性-应变硬化模型来描述，恢复力和变形的关系可表示为：()101d y y F k k α=∆+∆-∆式中K1—— 初始刚度；a 。

——第二刚度系数；Δy —屈服变形。

摩擦耗能器和铅耗能器的滞回曲线近似为“矩形”，具有较好的库仑特性，且基本不受荷载大小、频率、循环次数等的影响，故可采用图9.19（b ）所示的刚塑性恢复力模型。

对于摩擦耗能器，恢复力可由式（9．20）计算：()()0sgn d F F t =∆&F 0-静摩擦力对于铅挤压阻尼器，恢复力可按式（9．21）计算： 1102ln d y A F f A βσ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭式中 β——大于1的系数；A1——铅变形前的面积；A2——发生塑性后的截面面积；f0——摩擦力。

9．3．3 耗能减震结构的设计要求（1）耗能部件的设置耗能减震结构应根据罕遇地震作用下的预期结构位移控制要求，设置适当的耗能部件，耗能部件可由耗能器及斜支撑、填充墙、梁或节点等组成。

耗能减震结构中的耗能部件应沿结构的两个主轴方向分别设置，耗能部件宜设置在层间变形较大的位置，其数量和分布应通过综合分析合理确定。

（2）耗能部件的性能要求耗能部件应满足下列要求：①耗能器应具有足够的吸收和耗散地震能量的能力和恰当的阻尼；耗能部件附加给结构的有效阻尼比宜大于10％，超过20％时宜按20％计算。

②耗能部件应具有足够的初始刚度，并满足下列要求： 速度线性相关型耗能器与斜撑、填充墙或梁组成耗能部件时，该部件在耗能器耗能方向的刚度应符合式（9．22）要求：16b V k C T π⎛⎫≥ ⎪⎝⎭式中Kb —支承构件在耗能器方向的刚度；Cv —耗能器的线性阻尼系数；T1—耗能减震结构的基本自振周期。

位移相关型耗能器与斜撑、填充墙或梁组成耗能部件时，该部件恢复力滞回模型的参数宜符合下列要求； /2/30.8Py Sy p Py s sy U U k U k U ∆∆≤∆⎛⎫⎛⎫≥ ⎪⎪∆⎝⎭⎝⎭式中Kp ．——耗能部件在水平方向的初始刚度；ΔU py ——耗能部件的屈服位移；Ks ——设置耗能部件的结构层间刚度；ΔU sy ——设置耗能部件的结构层间屈服位移。