消能减震技术

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图11、三位分析模型中摩擦阻尼支撑的布置
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图12、摩擦耗能器在安装过程和安装完成
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3.3 工程实例3
潮汕星河大厦位于汕头市金环路东侧,总建 筑面27976.8平米 ,地下1层,地上总高度 98.70米。分塔楼和裙房两部分,裙楼4层,塔 楼25层(设计22层,后加3层)。结构平面形状 为椭圆形。结构形式为钢管混凝土组合结构, 结构体系为核心剪力墙筒外框架体系。 潮 汕星河大厦由于原设计为22层,施工至12层 时,业主提出增加3层,结构变为25层。
消能减震施工技术
传统的抗震方法是房屋上部结构和基础牢牢地连 接在一起,地震时,地面运动能量经过基础输入到房屋 结构,致使房屋结构发生振动、变形,甚至倒塌。“消 能隔震”的基本思想是使基础和上部房屋结构分离, 隔离地震能量向建筑物的输入。实现地震时地动而建 筑物基本不动,达到保证建筑物安全的目的。
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2、消能减震结构的分类
位移相关型消能装置 速度相关型消能装置 其他类型的消能装置
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2.1 位移相关型消能装置
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。
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2.3 其他类型的消能装置
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。
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ห้องสมุดไป่ตู้
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图9、π字形支撑
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图10、斜拉支撑
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工程实例1
该学校使用粘滞阻尼器来消能减震,加固因地震受损房屋在我国 还是首次。本次加固费用约为160万元;而进行传统加固至少要 对基础和1～3层共32根柱子做截面加大处理,每根柱子加固费用 大约为5万元,另传统加固过程中损坏的墙体楼面板以及水电管 线等恢复费用约为20万元,总计费用预计约为180万元。采用粘 滞性阻尼器加固节省了不低于10%的费用。而且使用阻尼器技术 加固,不会压缩房屋使用面积,拆除工作量小,施工干扰性小且周 期短,基本上终身不用维护。 安装阻尼器的消能减震结构,将有 效减少结构的地震反应,使结构不产生过大的振动,确保结构不 发生破坏倒塌。在将安全度提高一度的情况下,主体结构的截面 尺寸也不用增加,结构体系的安全度仍能满足现行规范的要求, 可以获得显著的经济效益,可降低造价10%～20%。在相同的结构 体系下,安装粘滞阻尼器可大大提高结构的可靠度。本项目的工 程中,虽仅安装了少量阻尼器(20个),但减震效果明显,且使结构 抗震设防烈度成功提高一度。
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3、消能减震结构在工程中的应用
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;
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2.2 速度相关型消能装置
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。
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结构消能减震建筑的特点
消能减震装置可同时减少结构的水平和竖向 的地震作用,适用范围较广,结构类型和高度 均不受限制
消能减震装置应使结构具有足够的附加阻尼, 以满足罕遇地震下预期的结构位移要求
由于消能减震结构不改变结构的基本形式, 除消能部件和相关部件外,结构设计仍可按 照规范对相应结构类型的要求执行
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图1、一层柱柱顶受损
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图2、墙体出现裂缝
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图3、节点包钢注胶加固
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图4、节点加固施工
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图5、锚栓固定钢板
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工程实例1
该加固工程使用的消能装置是上海材料研究所研制 开发的粘滞阻尼器(图6),粘滞性阻尼器是消 能减 震控制技术中的一种消能装置,被安装于结构某部 位(如节点、连接缝或连接件、楼层空间等),在小 震作用下,阻尼器处于弹性状态,给结构提供刚度, 结构体系具有足够的抗侧刚度。在中、强地震作用 下,随着结构侧向位移的增大,阻尼器进入弹塑性状 态,产生较大阻尼力,通过把地震中传入结构的能量 转化为阻尼介质的热能,大量消耗传入结构中的地 震能量,以确保主体结构在中、强震中的安全使用。
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2.2 速度相关型消能装置
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。
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工程实例3
经初步设计分析,Y方向在小震作用下,结构 的层间位移个别楼层不满足《建筑抗震设计 规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》 的要求,经采用传统加固方案和采用消能减 震加固方案对比分析后,确定采用消能减震 加固方案。 本工程的耗能部件采用由广州 大学周云教授研制的复合型铅粘弹性阻尼器 (图13)。
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图6、粘滞阻尼器构造示意
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工程实例1
该5层楼加固工程共用20个粘滞阻尼器,最大 出力为700kN(表1)。根据消能器的布置原则 和振型分解反应谱法计算的楼层位移角确定: 在1层安装10个型号为KZ2700Sx100X的粘滞 阻尼器和4个型号KZ2700Sx100F的粘滞阻尼 器(图7);
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2.3 其他类型的消能装置
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。
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2.1 位移相关型消能装置
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 。
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3、消能减震结构在工程中的应用
5.12大地震后首个消能减震加固工程(使用 粘滞阻尼器)
摩擦消能器在加固工程中的应用 粘弹性消能器在加固工程中的应用
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3.1 工程实例1
都江堰市北街小学试验外国语学校艺术大楼,为现浇钢筋混凝土框 架结构,框架层数为5层,总高度18m。按照7度抗震设防,但在5.12 特大地震中,原结构还是遭到了破坏,1层柱柱顶受损(图1),1,2层 墙体出现裂缝(图2),局部墙体破碎,局部楼梯构件受损。 通过进 行结构抗震验算,发现原结构多数梁柱不满足抗震要求,如果逐个 构件采用传统加固方法进行加大截面,将带来很大的工程量和较长 的施工工期。同时,加大柱子截面,将减小建筑的使用面积,最后通 过论证,提出采用消能减震加固技术对原结构进行抗震加固的方案。 首先加固受损柱顶,对节点区域混凝土凿面,剔除损坏部位破损的 混凝土,并用吹风机吹净混凝土表面粉尘,然后采用比原结构混凝 土强度等级高一级的C35混凝土修补料对混凝土破坏的节点进行修 补找平,再对节点采用外包钢法对节点做加固处理(图3,4)。最后, 用锚栓将钢板固定在柱子上(图5)。
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3、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。
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3、消能减震结构在工程中的应用
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。
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1、消能减震结构的概念
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。
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3.2 工程实例2
联邦电子科研大楼位于加拿大首都渥太华,它建于 1993年,在2003年增加了1层。这是一幢3层的混 凝土框架结构的建筑,带有1层的地下室。基于对里 边重要的科研设备装置的安全考虑,工程人员决定 采用摩擦耗能支撑对其进行加固。摩擦支撑的布置 如图11所示,在两条斜支撑的交点处共安装23个滑 移为300kN的摩擦耗能器(图12)。摩擦耗能器的 使用使整个加固工程变得很经济,而且这些阻尼器 可以吸收地震能量,保护建筑及其里面的设备。
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图7、1层阻尼器布置结构平面
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工程实例1
在2层安装4KZ2700Sx100X的粘滞阻尼器和4 个型号为KZ2700Sx100F的粘滞阻尼器(图8）。 根据计算结果,支撑采用π字形(图9)、斜拉 (图10)的钢支撑。
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图8、2层阻尼器布置结构平面
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2.3 其他类型的消能装置
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。
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