消能减震设计

消能减震
消能减震的概念： 消能减震技术属于结构减震控制中的被动控制，
它是指在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、节点、 联结缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结 构间等）设置消能（阻尼）装置（或元件），通过 消能（阻尼）装置产生摩擦、弯曲（或剪切，扭转） 弹塑（或粘弹）性滞回变形来消散或吸收地震能量， 以减少主体结构地震响应，从而避免结构产生破坏 或倒塌，达到减震抗震的目的。装有消能（阻尼） 装置的结构称为消能减震结构。
WC＝A j
Aj ——第j个消能器的恢复力滞回环在相 对水平位移△Uj时的面积。
6、消能器附加给结构的有效刚度
当采用底部剪力法，振型分解反应谱法 和静力非线性法时，消能器的有效刚度可取 消能器的恢复力滞回环在层间相对水平位移 限值时对应的割线刚度。
6、消能器性能检验要求
消能器是消能减震结构中的重要 元件，其性能对消能减震效果有着重要影响， 在设计文件上应注明对消能器或消能部件性 能的要求，安装前应对工程中所用的各种类 型和规格的消能器进行抽样检测，每种类型 和每一规格的数量不应小于3个，抽样检测 的合格率应为100%。
结构的损伤程度
结构的损伤程度与结构的最大变形 △max和滞回消能（或累积塑性变形）Eh 成正比，可以表达为：
D=f（△max, Eh） 在消能减震结构中，由于最大变形 △max和构件的滞回消能Eh较之传统抗震 结构的最大变形△max和滞回消能Eh大大 减少，因此结构的损伤大大减小。
消能减震装置的类型与性能
粘滞阻尼墙系及其滞回曲线
2、位移相关型消能器
（1）摩擦消能器
摩擦消能器一般在正 常使用荷载及小震作用下 不发生滑动，而在强烈地 震作用下，在结构主要构 件发生屈服之前，装置即 产生滑移以摩擦做功来消 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。
摩擦消能器的滞回曲线
5、消能器附加给结构的有效阻尼比
当采用非线性时程分析法时，消能器附加给结 构的有效阻尼比和有效刚度宜根据消能器的恢复 力模型确定。当采用底部剪力法，振型分解反应 谱法和静力非线性法时，消能部件附加给结构的 有效阻尼比，可按下式估算：
a＝Wc （ / 4Ws）
ζa——消能减震结构的附加阻尼比； Wc——所有消能部件在结构预期位移下往复一周所消
振动的基本固有频率。
（2）滞变型消能器的恢复力模型
软钢类消能器具有类似的 滞回性能，仅其特征参数不同。 通常可采用图(a)所示的折线 形模型来描述。摩擦消能器和 铅消能器的滞回曲线近似为 “矩形”，基本不受荷载大小、 频率、循环次数等影响，故可 采用图（b）所示的刚塑性恢 复力模型。
消能减震结构的设计原则
时程分析法
当主体结构处于弹性状态时，对于速度型线 性消能器可以使用线性时程分析法；而对滞回型 消能器，则可根据需要采用其等效刚度和等效阻 尼进行线性时程分析或考虑其恢复力的非线性， 使用非线性时程分析法。当考虑主体进入塑性状 态时，无论使用什么类型的消能器，都要使用非 线性时程分析法。
消能减震结构的连接与构造
消能减震结构中的消能部件应沿 结构的两个主轴方向分别设置，消能 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，并有利于提高整个结构的消能减 震能力，形成均匀合理的受力体系。
消能减震结构计算要点
（1）消能减震结构一般应采用非线性静力分 析法或非线性时程分析法计算。当主体结构 基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分析 方法作近似估算，并根据结构的变形特征和 高度等，采用底部剪力法、振型分解反应谱 法和时程分析法。其地震影响系数可根据消 能减震结构的总阻尼比按《规范》的规定计 算。
k ks ka
s a
4、消能部件的性能要求
（1）消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
（2）消能部件应具有足够的初始刚度 （3）消能器应具有优良的耐久性能，能长期保持其
初始性能，消能器在最大允许位移幅值下，按允 许的往复周期循环60圈后，消能器的主要性能衰 减量不应超过10%，且不应有明显的低周疲劳现象。 （4）消能器构造应简单，施工方便，易维护性尼墙
粘滞阻尼墙系统是一种可作为墙体安装在结构层间的 阻尼系统，它由外部钢板、内部钢板、隔板和粘性体构成。 阻尼墙的减震原理是把地震时建筑物上下层和层间速度差 转换为内外部钢板间的相对速度，使其根据充溢在两者间 的粘性体的速度变化率产生比例阻尼力。粘滞阻尼墙的滞 回曲线饱满，可以用于低层和高层建筑。
4、消能器的恢复力模型
（1）速度相关型消能器的恢复力模型
F
F
△ △
（a）
（b）
速度相关型消能器的力－变形曲线 （a）粘滞消能器 （b）粘弹性消能器
消能器的恢复力与变形和速度的关系一般可 以表示为：
Fd K d Cd
Kd
和 和
C
d
分别是消能器刚度和阻尼器系数，
分别为消能器的相对位移和相对速度。
3、复合型阻尼器
复合消能器是由两种或两种以上的消能元件（或消能 机制）组合成的新型消能减震装置，它联合了不同消能元 件的优点，增加了消能能力，具有更高的可靠性和稳定性。 如：铅橡胶阻尼器，组合式铅橡胶阻尼器，铅粘弹性阻尼 器等。如图所示，它综合利用了铅挤压滞回变形和橡胶剪 切变形两种机制耗能，具有较大的滞回能力，可提供较大 的阻尼力，且具有较大的初始刚度和较小的屈服后刚度， 滞回曲线也丰满。
粘滞阻尼器
一般Kd=0，Cd= C0 ，阻尼力仅与速度有关， 可表示为：
Fd Cd
C0为粘滞阻尼器的阻尼系数，可由阻尼器的 产品型号或由试验确定。
粘弹性阻尼器
刚度Kd和阻尼系数Cd一般由下式确定：
AG( ) Kd
Cd
( )AG( )
η(ω)和 G(ω)分别是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 性材料特性实验曲线确定，A和δ分别是粘弹 性材料层的受剪面积和厚度，ω是结构振动的 频率，对于多自由度结构， ω可取结构弹性
消能减震装置的种类很多，根据消 能机制的不同可分为摩擦消能器，钢弹 塑性消能器，铅挤压阻尼器，粘弹性阻 尼器和粘滞阻尼器等；根据消能器消能 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 （如摩擦消能器，钢弹塑性消能器和铅 挤压阻尼器）等。
1、速度相关型消能器
（1）粘弹性阻尼器
耗的能量； Ws——设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。
不考虑扭转影响时，消能减震结构在其水平 地震作用下的总应变能，可按下式估算：
Ws＝1 / 2FiUi
Fi——质点i的水平地震作用标准值； Ui——质点i对应于水平地震作用标准值的位 移。
速度相关型消能器在水平地震作用下所消耗 的能量Wc，可按下式估算：
E
' in
E 'v
E 'c
E'k
E'h
Ed
Ed—消能（阻尼）装置或消能元件消散或 吸收的能量。
在上述能量方程中，由于Ev（或Ev’）和Ek （或Ek’）仅仅是能量转换，不能消能，Ec和Ec’ 只占总能量的很小部分（约5%)左右。在传统的抗 震结构中，主要依靠Eh消耗地震能量，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。在消能减震结构体系 中，消能装置或元件在主体结构进入非弹性状态 前率先进入消能工作状态，充分发挥消能作用， 耗散输入给结构体系的地震能量，则由结构本身 非线性消耗的能量大大降低，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。
4）消能减震结构的总阻尼应为结构的阻尼和消能部 件附加给结构的有效阻尼的总和。
5）采用消能减震的体系其层间弹塑性位移角限值， 框架结构宜采用1/80。
消能部件的设置
消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，设置适当的消能部件，消能 部件可由消能器及斜支撑，填充墙，梁或节点等 组成。消能部件按其构造形式可分为消能支撑、 消能节点和消能连接等。
消能减震技术的特点
• 减震效果明显，构造简单，造价低廉，适 用范围广，维护方便；
• 既适于新建工程，也适用于已有建筑物的 抗震加固、改造；
• 既适用于普通建筑结构，也适用于抗震生 命线工程。
消能减震的原理
• 结构在地震中任意时刻的能量方程 a)传统抗震结构
Ein Ev Ec Ek Eh
b)耗能减震结构
钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性材料，钢板之间相对 运动使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形，吸收和消散能量。 其滞回环呈椭圆形，具有好的消能性能，它能同时提供刚度和 阻尼。粘弹性阻尼器的性能受温度，频率和应变幅值的影响， 其消能能力随温度的增加而降低；随着频率的增加而增加；当 应变幅值小于5%时，应变的影响不大。
加劲阻尼装置及其滞回曲线 (a)加劲阻尼装置及其与支撑的连接 (b)加劲阻尼装置的滞回曲线
（3）铅消能器
铅具有密度大、熔点低、塑性好、强度低等 特点，具有稳定的消能能力。下图为利用铅挤压 产生塑性消散能量的原理制成的阻尼器。滞回曲 线基本呈矩形，如图(c)，在地震作用下，挤压力 和消能能力基本上与速度无关。
Wc＝ 2 2 / T1 Cjcos2ju2j
T1——消能减震结构的基本自振周期； Cj——第j个消能器的线性阻尼系数； θj—第j个消能器的消能方向和水平面的夹角； △uj——第j 个消能器两端的相对水平位移。
位移相关型，速度非线性形相关型和其他类 型消能器在水平地震作下所消耗的能量Wc，可按 下式估算：
（2）对非线性静力分析法，可采用消能减震 结构的总刚度和总阻尼比计算。对非线性 时程分析法，宜采用消能部件的恢复力模 型计算。
（3）消能减震结构的总刚度（k）为原结构 刚度(ks)和消能部件附加给结构的有效刚 度（ka）之和；总阻尼比（ξ）为原结构 阻尼比（ξs）和消能器附加给结构的有效 阻尼比（ξs）之和，即