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）设臵耗能（阻尼）装臵（或元件），通过耗能（阻尼）装臵产生摩擦，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）装臵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）装臵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）装臵或元件在主体

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 耗能减震装臵的类型与性能

9．3．2．1 耗能减震装臵的类型与性能

耗能减震装臵的种类很多，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臵，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臵，如加劲阻尼（ADAS）装臵、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。

加劲阻尼装臵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臵，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

相对变形引起装臵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臵的滞回曲线。

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