消能减震结构施工技术

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；