耗能减震技术在结构减震中的应用研究(文献综述)

文献综述

耗能减震技术在结构减震中的应用研究

1. 前言

传统的抗震设计是利用结构本身的抗震性能抵御地震作用，以达到抗震的目的,这是“硬碰硬”式的抗震, 是一种消极被动的抗震方法。耗能减震技术[1]原理是通过附加的子结构或者耗能装置，以消耗地震传递给结构的能量为目的，以减小主体结构地震反应或减轻其破坏, 达到抗震的目的。1972 年新西兰的Kelly等人[2]首先提出金属屈服耗能器，并进行了软钢耗能器的研究和试验。为了改善地震作用下结构的工作性能，近年来国内外已开发出了各种耗能阻尼器。目前, 已开发出多种耗能减震装置, 它们可归纳为以下三类:

(1) 金属阻尼器;

(2) 摩擦耗能减震装置;

(3)粘弹性阻尼器。

因其减震效果好、构造简单、造价低廉、适用范围广、维护方便等特点，受到各国研究者和工程师的重视。加拿大、意大利、日本、墨西哥、新西兰和美国等国家已将耗能减震装置应用到建筑中以减轻建筑物的地震反应, 以及在某些情况下减轻建筑物中设备振动损害的危险性。本文总结了国内外耗能减震技术研究和工程应用的最新进展。

2. 耗能能减震的概念及原理

消能减震技术属于结构减震控制中的被动控制，它是指在结构某些部位设置阻尼装置，通过阻尼装置产生摩擦，弯曲（或剪切，扭转）弹塑性滞回变形消能来消散或吸收地震能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震抗震的目的。装有阻尼（消能）装置的结构称为耗能减震结构。

耗能减震的原理[8]可以从能量的角度来描述，如图1所示，结构在地震中任意时刻的能量方程为：

（a ）地震输入； （b ）传统抗震结构； （c ）消能减震结构

图1 结构能量转换途径对比

传统抗震结构：

in v c k h E E E E E =+++ (1)

耗能减震结构：

''''in v c k h d E E E E E E =++++ (2)

式中：

E in 、E in ′——地震过程中输人结构体系的能量；

E v 、E v ′——结构体系的动能；

E c 、E c ′——结构体系的粘滞阻尼消能；

E k 、E k ′——结构体系的弹性应变能；

E h 、E h ′——结构体系的滞回消能；

E d ——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，由于是E v (或E v ′)和E k (或E k ′)仅仅是能量转换，不能消能，E c 和E c ′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E h 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。在消能减震结构体系中，消能(阻尼)装置或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入消能工作状态，充分发挥消能作用，消散大量地震能量，则主体结构需消耗的能量很少，从而有效地保护了主体结构。

3. 耗能装置的减振及其在实际工程中的应用

采用各种阻尼器来控制结构的振动反应是一种典型的被动控制系统，它是通过增加结构的阻尼、耗散结构的振动能量来达到减小结构响应的目的。从能量观

点看，地震输入结构的能量是一定的，通过耗能装置消耗掉一部分能量，则结构本身需消耗的能量减小，以至于结构的反应减小。从动力学观点看，耗能装置的作用相当于增大结构的阻尼，从而减小结构的反应。耗能减震装置的种类繁多，其常用的主要有:金属耗能阻尼器、摩擦耗能阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器。

3.1 金属耗能阻尼器

金属耗能阻尼器是利用金属不同形式的弹性滞回变形来消耗能量。一般用低屈服点软钢制作，在大震作用时，阻尼器在主体结构发生塑性变形前首先进入屈服，其屈服荷载较低且相对稳定，同时具有足够的塑性变形能力，以吸收大量的地震能量。要达到以上特性[3]，一种途径是调整钢材中碳和其他微量元素的含量，控制轧制温度，以达到极低屈服点的要求。表1为某钢铁公司生产的极低屈服点钢材化学成分。此种钢材屈服强度在200MPa 左右，抗拉强度200 ～300MPa。

表1 钢材的化学成分

种类 C Si Mn P 极低屈服点钢材≤0.02 ≤0.02 ≤0.2 ≤0.030

普通低碳钢≤0.10 ≤0.35 ≤1.40 ≤0.030

由于金属在进入塑性状态后具有良好的滞回特性［7］，并在弹塑性滞回变形过程中吸收大量能量，因而被用来制造不同类型和构造的耗能减震器。如新型软钢阻尼器的减震性能研究［7］证明：条型钢阻尼器在平面内受力时表现出良好的塑性性能，首先屈服的位置分布在条形肋两端，且均在圆弧与肋边线连接处，呈多点屈服状态; 滞回曲线饱满，塑性变形较大，同时具有较高的初始刚度。

目前已开发和利用的主要有:扭转梁耗能器、弯曲梁耗能器、U行钢板耗能器、钢棒耗能器、圆环耗能器、双圆环耗能器、加劲圆环耗能器、X型和三角形耗能器等。

台湾金华休闲购物中心。本工程采用三角形加劲耗能装置，共270组。在地震(PGA二0.39)作用下，最大层间位移也未超过规范规定的0.014rad。

潮汕星河大厦。大厦为地下一层，地上原设计为22层。后来在施工过程中业主要求增加3层。为了使加层后的结构满足抗震设防要求，安装了28组耗能阻尼器。装上阻尼器后，在大震作用下，结构的顶层位移和层间位移角均满足要求。

3.2 摩擦阻尼器

摩擦阻尼器是应用较早和较广泛的阻尼器之一。摩擦阻尼器是一种位移相关型的阻尼器，它是利用两块固体之间相对滑动产生的摩擦力来耗散能量。其基本理论是建立在以下假设的基础上：

(1)总的摩擦力不依赖于物体接触面的面积;

(2)总的摩擦力与在接触面上的总的法向力成比例;

(3)对于相对滑动速度较低的情况，总的摩擦力与速度无关。

因此可得到摩擦力F 的计算公式：

F N μ= (3)

F ——摩擦力

μ——摩擦系数

N ——压力

大多数摩擦耗能器是被动耗能装置，不能根据控制的需要改变自身的特性，其对结构的控制力完全受制于结构的运动，在大震下能滑动的摩擦阻尼器，小震作用下却不一定能滑动，从而不能起到小震下的减振作用，反之亦然。因此，被动摩擦阻尼器的减振效果和使用范围都受到局限。而半主动摩擦阻尼器却解决了上述问题，它的外部能源施加仅用于改变耗能器的参数，从而实现阻尼力的可调，并不直接施加于结构，因而避免了纯主动控制外加能源过大的缺点。

国外Pall 摩擦阻尼装置主要是依靠材料接触面的滑动摩擦产生阻尼而对结构发挥耗能减震作用。摩擦力的大小通过材料的摩擦系数和夹紧力来实现并可通过松紧节点板的压紧螺栓来调节。此装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动设计，而在强烈地震荷载作用下，结构主要构件尚未发生屈服装置即滑动以摩擦耗散地震能量，并改变了结构的自振频率，从而达到减震目的。

国内在这方面的研究开展的也比较早。陈宗明等1988年研制的摩擦剪切铰耗能支撑装置具有明显的减震效果;叶燎原等根据我国实际情况，提出的钢筋硷支撑钢板一橡胶摩擦耗能装置，因其造价低、性能高、易生产、便施工等特性，很适合在我国推广使用;1997年吴波等利用摩擦阻尼器加固了东北某政府大楼;欧进萍、吴斌等对T 字芯板摩擦阻尼器和T 字芯板拟粘滞摩擦耗能器的工作原理进行了研究，并将其分别应用于云南洱源振戎中学食堂楼和教学楼的抗震设计，结构