消能减震结构体系及设计方法

优点 ：
屈曲约束支撑的优点
利用各种类型消能器的组合成一个高 效的消能系统
３．支撑构件好比结构体系中可更换的保险丝， 既可保护其他构件免遭破坏，并且大震后， 可以方便地更换损坏的支撑。 ４．由于屈曲约束支撑具有很高的变形能力，因 此框架支撑结构具有较强的抗倒塌能力，在 抗震加固中，屈曲约束支撑比传统的支撑系 统更有优越性。
1. 2. 3.
8
粘弹性消能器力学模型
粘弹性消能器的恢复力模型可以表示为：
& F = K D (ω ) ∆ + C D (ω ) ∆
粘弹性阻尼器特点
（3）金属消能器
提供结构额外刚度； 任何时振动，都提供附加阻尼； 阻尼器可重复多次使用，施工现 场抽检的阻尼器可以继续使用。 4. 受温度影响较大
1. 2. 3.
金属消能器主要是由各种 不同的金属材料制成，利用金 属材料屈服时产生的塑性变形 来消散能量的装置。 金属材料可用软钢、低服 点钢和铅，等等。
9
三角形、x形金属阻尼器
三角形金属阻尼器
X
形金属阻尼器
台南嘉南藥專工地
中華醫事學院
奇美醫院
惠護理專科學校
开孔式金属阻尼器
金属阻尼器安装方式
10
蜂窝状、槽型阻尼器
D[mm]
“十”字形无约束非屈服段截面，短肢 受压失稳破坏；
15
试件IEE1-3的正面图和剖面图
IEE1-3滞回曲线
1000 500
F[kN]
0
内部预留伸缩空间
1-1
-500
-1000 -30 -20 -10 0 10 20 30
D[mm]
试件IEE1-３破坏
试件IEE2-1的正面图和剖面图
焊缝拉断破坏
二、消能器有哪几种
消能减振根据消能器类型分为二类： 1. 速度相关型 （1）液体粘滞消能（阻尼）器 （2）粘弹性粘滞消能（阻尼）器 2. 位移相关型 （3）金属变形消能器 （4）摩擦型消能器
（1）液体粘滞消能（阻尼）器
两种不同的连接方式
只提供阻尼 不提供刚 度，这是它 一个很显著 的特点。
两端铰接
一端固接 一端铰接
圆柱筒阻尼器实物
4
工作原理
双杆式
液体粘滞阻 尼器主要包 括缸体、活 塞和粘滞流 体，活塞上 开有小孔.
双杆式筒状液体粘滞阻尼器中的活塞杆贯 穿两个腔体，因此活塞左右移动时腔体体积不 变，粘滞液体从左到右，或从右到左。
双杆式
单杆式
主要包括缸 体、活塞和 粘滞流体， 活塞上开有 小孔. 调节贮油腔
另一种单杆式
6
美国消能减震加固
位于北京商务中心区 包括三栋建筑： 包括三栋建筑：一栋249.9m 一栋249.9m高钢 249.9m高钢 结构塔楼和两栋186 结构塔楼和两栋186米高混凝土 186米高混凝土 塔楼组成 •中心主塔楼平面尺寸40m 中心主塔楼平面尺寸40m× 40m×40m 地下3 地下3 层、地上主体结构62 地上主体结构62层 62层 •共用阻尼器73 共用阻尼器73个 73个，内筒从44 内筒从44层至 44层至 57层共用 57层共用59 层共用59个 59个，外筒分别布置在 46层和 46层和57 层和57层共用 57层共用14 层共用14个 14个，其中X 其中X向 为35个阻尼器 35个阻尼器， 个阻尼器，Y向为38 向为38个阻尼 38个阻尼 器。
支撑芯材采用Q235
无粘结材料
无粘结材料采用橡胶、硅胶、乳胶这些材料可 以有效减少或消除芯材受约束段与砂浆之间的 摩擦。 由于约束机构的作用，约束屈服段可能会在高 阶模态发生微幅屈曲，此外，还需要足够的空 间容许芯材在受压时膨胀，否则由于芯材与约 束机构接触而引起的摩擦力会迫使约束机构承 受轴向力，因而，填充材料和芯材间需要留一 定的间隙。但另一方面，如果间隙太大，约束 屈服段的屈曲变形会非常大，会减小屈服段的 低周疲劳寿命。
阻尼是靠结构局部损坏产生 的，例如梁、柱的塑性铰。
多遇地震下 多遇地震下： 地震下： 结构处于弹性状态，结构阻尼由组成 的材料决定。 如：钢筋混凝土结构5% 钢结构 2%
1
大震下结构几种塑性铰形式
地震中出现构件损伤
强柱弱梁型
强梁弱柱型
偏心支撑
不同阻尼下的反应谱
框架，框架剪力墙，消能减震框架 在ELCENTRO波输入的反应
圆环阻尼器（刘伟庆，周云）
滞回曲线
低屈服点钢剪切板阻尼器
(a)
双环耗能器
(b)
局部加强双环耗能器
(c)
加盖双环耗能器
铅挤压阻尼器
日本铅阻尼器
11
另一种铅挤压阻尼器（周锡元）
金属变形阻尼器特点
1. 2. 3. 4. 5. 6.
无粘结支撑（UBB,BRB）
提供结构额外刚度。 设计时通常小震下起支撑作用，大震下发挥消能作用。 当结构与外力共振时，可借助金属变形阻尼器的屈服以改 变结构刚度，避开共振频率。 可以采用特殊热处理后的Q235等易取得之钢材，且其材质 为工程师熟识。 材料本身特性与温度的关系不高(即不会因温度变化而影响 阻尼器功能)。 施工现场抽检后的阻尼器不能继续使用。
k
y
f = rkd + (1 − r ) Fy z
n
n
为等于或大于1的指数。此指数越大，屈服比率越陡
Fy
& d
& ⋅ z > 0) (d ) & (d ⋅ z ≤ 0)
D(mm)
Wen模型与试验曲线的比较
名称解释
消能减震结构体系 及设计方法
消能减震,耗能减震,制震
薛彦涛
中国建筑科学研究院
13501034240
消能减震结构
一、什么是消能减震结构
一、什么是消能减震结构 二、消能器有哪几种 三、消能减震适用什么样的结构 四、消能减震的试验研究 五、消能器与结构如何连接结构 六、消能减震结构如何设计 七、工程介绍
无粘结支撑截面
1200
无粘结支撑滞回曲线
800
400
F[kN]
(a)
(源自文库)
(c)
(d)
(e)
(f)
0
-400
-800
-1200 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
(g)
(h)
(i)
(j)
(k)
(l)
D[mm]
12
利用无粘结支撑的原理，中 国建筑科学研究院进行曲屈约 束支撑的试验研究。
内部预留伸缩空间
1-1
IEE2-1滞回曲线
200
IEE2-1 破坏
100
F[kN]
0
-100
-200 -30 -20 -10 0 10 20 30
D[mm]
16
屈曲约束支撑在加层中应用
屈曲约束支撑的优点
１．与抗弯刚框架相比，小震时提供较大的线弹 性刚度大，可以很容易地使框架满足规范的 变形要求； ２．由于可以受拉和受压屈服，屈曲约束支撑消 除了传统支撑框架的支撑受压屈曲的问题， 因此在大震或超烈度地震下有更强和更稳定 的能量耗散能力。
。
年的九二一集集大地震，造成許多 人员伤亡，让人印象深刻。台湾地处板块交 界处，每年约有8000多次的地震发生，强度 不一。 当地震來临时高楼大厦搖晃严重，纵使 大樓没有破坏发生，也难以确保居住的安全 性。目前建筑用来抵抗地震的方法，除了建 物结构体外，就是加装隔震、制震装置。
1999
台湾许多建筑已经采用消能减震技术，在经 历过无数大小地震的震撼教育后，台湾民众及建 造商对建筑物有了防震的概念。选择信誉卓越及 优良技术的制震技术，來降低地震的损害，确保 生命财产安全，以及维持建筑物的功能。 因应四川震灾，全台在预售豪宅推销宣传 中，又重新标榜各种超规格制震住宅，
-1200 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
D[mm]
试件IEE1-１破坏
试件IEE1-2的正面图和剖面图
支撑与千斤一起整体失稳破坏
内部预留伸缩空间
1
1
1-1
IEE1-2滞回曲线
1200 800
试件IEE1-2破坏
400
F[kN]
0
-400
-800
-1200 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
• •
银泰中心主塔结构采用了消能减震
摩根大厦采用了消能减震
粘滞型阻尼墙
粘滞型阻尼墙阻尼介质及工作方式
7
粘滞型阻尼墙滞回曲线
阻尼墙实物及安装方式
高层钢结构，43层，阻尼墙104片
液体粘滞阻尼器特点
（2）粘弹性阻尼器
不提供结构额外刚度； 任何时振动，都提供附加阻尼； 阻尼器可重复多次使用，施工现 场抽检的阻尼器可以继续使用； 4. 受一定的温度影响。
屈曲约束机构
试验装置图
屈曲约束机构主要由钢管和砂浆套组 成，前面介绍过也有不用砂浆的。砂浆 要高，保证足够的挤压强度，否则就不 能有效限制屈服段的屈曲位移。
14
试件IEE1-1的正面图和剖面图
IEE1-1滞回曲线（1）
1200 800
400
F[kN]
1
0
内部预留伸缩空间
1
端板 1-1
-400
-800
宝徕花园广场
在处于台湾地震带 的信义地区，豪宅都标 榜可抵抗七级地震，其 中宝徕花园广场是以制 震建筑为号召。 台湾首座SRC结构安 装了日本OILES制震壁， 号称制震之王；荣获台湾 建筑金质奖及2004台湾 建筑杂志评选的新十大豪 宅之一。
3
日本是世界曲指可数的地震多发国家, 日本的抗震设计思想是: 在建筑物的使用期间遭遇的中小地震, 既要保证生命财产的安全，又要维持其可 继续使用的功能。而对遭遇极少数罕见的 大地震，则只考虑保证生命安全，不再追 求维持其机能和财产价值。
2
2. 消能减震的定义： 消能减震的定义： 消能减震就是在结构中安装消 能器（阻尼器），人为增加结构 阻尼，消耗地震下结构的振动能 量，达到减小结构的振动反应， 实现结构抗震的目的 采用了消能减震技术的结构称 为消能减震结构。
3.消能减震发展迅速
首先让我们看看两个地震 多发地日本和台湾是如何解 决结构抗震问题的，尤其是 高层结构的抗震问题。
粘滞消能器力学模型
图示粘滞消能器力学模型
粘滞消能器的恢复力模型可以表示为：
& sgn( ∆ &) F = CD ∆
α
Ｆ
α >1
α =1 α <1
取值等于1时，消能器为线性粘滞流体消 能器；取小于1时，为非线性阻尼器。
α 一般在0～1之间取值，当 α
α ——消能器的相对速度指数，
Ｖ
台新银行-大众电脑大厦
单杆式筒状液体粘滞阻尼器中的活塞杆 贯穿一个腔体，因此活塞左右移动时腔体 体积会发生改变，因此需要一个调节贮油 腔。
单杆式
液体粘滞性阻尼器试验 液体粘滞性阻尼器有两种： 1.线性液体粘滞阻尼器 2.非线性液体粘滞阻尼器
5
线性液体粘滞消能器不同频率下的滞回曲线
非线性液体粘滞消能器的滞回曲线
线性液体粘滞的滞回曲线为椭圆形
从1995年1月兵库县南部地震的受灾情况 来看，上述设计思想建造的建筑物基本上满足 了要求。但是，即使建筑物在大地震发生时能 够保证生命安全，由于受灾严重，有一些建筑 物失去了财产价值而不得不重建。另外还有较 多的建筑物虽然没有遭到严重破坏，但由于失 去了相应的功能而被迫停止使用。基于上述事 实，人们开始认识到免震结构及制震结构的重 要性。并开始建造了大量的免震结构和制震结 构，后介绍的大量案例出自日本，这里就不再 赘述。
顶点位移时程曲线
0.01 ） 米 （ 0 移 位 0 -0.01 -0.02 框架 0.02
5
10 时间（秒） 框架剪力墙
15
20
消能框架
有没有可能人为增加结构阻尼？ 有没有可能人为增加结构阻尼？ 怎样增加结构阻尼？ 怎样增加结构阻尼？ 对第一个问题的回答是肯定的：有！ 第二个问题就是消能减震这门学科或 技术要解决的问题。
地震发生后，地震能量输入结构， 引起结构的振动反应，在振动过程中结 构通过阻尼消耗振动能量，减小振动幅 值，直至振动完全停止。如果没有结构 阻尼，振动将永远持续下去。 因此，阻尼在降低结构振动反应中 起到了至关重要的作用。
1. 结构阻尼
结构阻尼在结构不同振动阶段产生 的途径不同：
罕遇地震下： 罕遇地震下：
13
支撑原理
拉力
屈曲约束支撑原理图
砂浆 可屈服的芯材 钢套管 芯材与砂浆之间 的无粘结材料
压力
典型的支撑屈曲 屈曲约束
变形
支撑的中心是芯材， 为避免芯材受压时整体屈曲， 即在受拉和受压时都能达到屈服， 芯材被置于一个钢管套内， 然后在套管内灌注混凝土或砂浆。 为减小或消除芯材受轴力时 传给砂浆或混凝土的力， 而且由于泊松效应， 芯材在受压情况下会膨胀， 因此在芯材和砂浆之间设有一层 无粘结材料或非常狭小的空气层。
屈曲约束支撑数学力学模型
1. 2. 3. 4.
屈曲约束耗能支撑的宏观力学模型 理想弹塑性模型 双线性模型 Ramberg-Osgood模型 Bonc-Wen模型
17
Bonc-Wen模型
参数对滞回曲线的影响
n=5 n=1 F(kN)
为弹性弹簧常数 F 为屈服力 r 为屈服后刚度对弹性刚度的比值 & (1 − z d k z 为一个内部滞回变量。 z &=