消能减震技术

消能减震施工技术传统的抗震方法是房屋上部结构和基础牢牢地连接在一起，地震时，地面运动能量经过基础输入到房屋结构，致使房屋结构发生振动、变形，甚至倒塌。“消能隔震”的基本思想是使基础和上部房屋结构分离,隔离地震能量向建筑物的输入。实现地震时地动而建筑物基本不动，达到保证建筑物安全的目的。1、消能减震结构的概念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。结构消能减震建筑的特点消能减震装置可同时减少结构的水平和竖向的地震作用，适用范围较广，结构类型和高度均不受限制消能减震装置应使结构具有足够的附加阻尼，以满足罕遇地震下预期的结构位移要求由于消能减震结构不改变结构的基本形式，除消能部件和相关部件外，结构设计仍可按照规范对相应结构类型的要求执行2、消能减震结构的分类位移相关型消能装置速度相关型消能装置其他类型的消能装置2.1位移相关型消能装置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。2.1位移相关型消能装置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。2.2速度相关型消能装置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。2.2速度相关型消能装置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。2.3其他类型的消能装置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。2.3其他类型的消能装置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。2.3其他类型的消能装置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、消能减震结构在工程中的应用消能减震结构步前已获得广泛的应用，但各种消能减震装置有其各自的特点和适应的范围。3、消能减震结构在工程中的应用速度相关型消能器如粘滞流体阻尼器适用各种相对位移情况，其阻尼力与相对运动速度的相关关系，在相对运动速度不大600mm/s及相对运动频率不大于3Hz的工作状态下非常稳定，其对支撑刚度的要求是与阻尼力的大小，期望阻尼器耗能的起始行程状态相关联的，与结构的层间刚度不直接相关它的耗能性能及耐疲劳性能较好，较大的温差环境温度对其阻尼力大小有些轻微影响但目前对其耗能性能的耐久性尚无可靠数据说明，即是说位于室内正常环境下，经年或更长时间后的耗能性能的变化情况尚无可靠资料证明。3、消能减震结构在工程中的应用对于金属阻尼器，存在疲劳断裂问题，如要求小震下起作用则对支撑刚度要求较高，通常适用于相对位移不太大的情况；摩擦阻尼器在小震情况下基本无耗能作用，只有刚度贡献，且对于预压应力的精度要求较高；对于铅阻尼器应考虑铅对环境的污染，同样只适用相对位移不太大的情况；粘弹性阻尼器的缺陷是其储存模量与损失模量的特性，与温度变化和阻尼器相对剪切变形的频率密切相关温度高时模量降低，故而耗能特性降低，但其模量是随着频率增高而增大，但该两模量的比值却对温度变化和加载频率不敏感；3、消能减震结构在工程中的应用5.12大地震后首个消能减震加固工程(使用粘滞阻尼器)摩擦消能器在加固工程中的应用粘弹性消能器在加固工程中的应用3.1工程实例1都江堰市北街小学试验外国语学校艺术大楼,为现浇钢筋混凝土框架结构,框架层数为5层,总高度18m。按照7度抗震设防,但在5.12特大地震中,原结构还是遭到了破坏,1层柱柱顶受损(图1),1,2层墙体出现裂缝(图2),局部墙体破碎,局部楼梯构件受损。通过进行结构抗震验算,发现原结构多数梁柱不满足抗震要求,如果逐个构件采用传统加固方法进行加大截面,将带来很大的工程量和较长的施工工期。同时,加大柱子截面,将减小建筑的使用面积,最后通过论证,提出采用消能减震加固技术对原结构进行抗震加固的方案。首先加固受损柱顶,对节点区域混凝土凿面,剔除损坏部位破损的混凝土,并用吹风机吹净混凝土表面粉尘,然后采用比原结构混凝土强度等级高一级的C35混凝土修补料对混凝土破坏的节点进行修补找平,再对节点采用外包钢法对节点做加固处理(图3,4)。最后,用锚栓将钢板固定在柱子上(图5)。图1、一层柱柱顶受损图2、墙体出现裂缝图3、节点包钢注胶加固图4、节点加固施工图5、锚栓固定钢板工程实例1该加固工程使用的消能装置是上海材料研究所研制开发的粘滞阻尼器(图6),粘滞性阻尼器是消能减震控制技术中的一种消能装置,被安装于结构某部位(如节点、连接缝或连接件、楼层空间等),在小震作用下,阻尼器处于弹性状态,给结构提供刚度,结构体系具有足够的抗侧刚度。在中、强地震作用下,随着结构侧向位移的增大,阻尼器进入弹塑性状态,产生较大阻尼力,通过把地震中传入结构的能量转化为阻尼介质的热能,大量消耗传入结构中的地震能量,以确保主体结构在中、强震中的安全使用。图6、粘滞阻尼器构造示意工程实例1该5层楼加固工程共用20个粘滞阻尼器,最大出力为700kN(表1)。根据消能器的布置原则和振型分解反应谱法计算的楼层位移角确定:在1层安装10个型号为KZ2700Sx100X的粘滞阻尼器和4个型号KZ2700Sx100F的粘滞阻尼器(图7);图7、1层阻尼器布置结构平面工程实例1在2层安装4KZ2700Sx100X的粘滞阻尼器和4个型号为KZ2700Sx100F的粘滞阻尼器(图8）。根据计算结果,支撑采用π字形(图9)、斜拉(图10)的钢支撑。图8、2层阻尼器布置结构平面图9、π字形支撑图10、斜拉支撑工程实例1该学校使用粘滞阻尼器来消能减震,加固因地震受损房屋在我国还是首次。本次加固费用约为160万元;而进行传统加固至少要对基础和1～3层共32根柱子做截面加大处理,每根柱子加固费用大约为5万元,另传统加固过程中损坏的墙体楼面板以及水电管线等恢复费用约为20万元,总计费用预计约为180万元。采用粘滞性阻尼器加固节省了不低于10%的费用。而且使用阻尼器技术加固,不会压缩房屋使用面积,拆除工作量小,施工干扰性小且周期短,基本上终身不用维护。安装阻尼器的消能减震结构,将有效减少结构的地震反应,使结构不产生过大的振动,确保结构不发生破坏倒塌。在将安全度提高一度的情况下,主体结构的截面尺寸也不用增加,结构体系的安全度仍能满足现行规范的要求,可以获得显著的经济效益,可降低造价10%～20%。在相同的结构体系下,安装粘滞阻尼器可大大提高结构的可靠度。本项目的工程中,虽仅安装了少量阻尼器(20个),但减震效果明显,且使结构抗震设防烈度成功提高一度。3.2工程实例2联邦电子科研大楼位于加拿大首都渥太华,它建于1993年,在2003年增加了1层。这是一幢3层的混凝土框架结构的建筑,带有1层的地下室。基于对里边重要的科研设备装置的安全考虑,工程人员决定采用摩擦耗能支撑对其进行加固。摩擦支撑的布置如图11所示,在两条斜支撑的交点处共安装23个滑移为300kN的摩擦耗能器(图12)。摩擦耗能器的使用使整个加固工程变得很经济,而且这些阻尼器可以吸收地震能量,保护建筑及其里面的设备。图11、三位分析模型中摩擦阻尼支撑的布置图12、摩擦耗能器在安装过程和安装完成3.3工程实例3潮汕星河大厦位于汕头市金环路东侧,总建筑面27976.8平米,地下1层,地上总高度98.70米。分塔楼和裙房两部分,裙楼4层,塔楼25层(设计22层,后加3层)。结构平面形状为椭圆形。结构形式为钢管混凝土组合结构,结构体系为核心剪力墙筒外框架体系。潮汕星河大厦由于原设计为22层,施工至12层时,业主提出增加3层,结构变为25层。工程实例3经初步设计分析,Y方向在小震作用下,结构的层间位移个别楼层不满足《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求,经采用传统加固方案和采用消能减震加固方案对比分析后,确定采用消能减震加固方案。本工程的耗能部件采用由广州大学周云教授研制的复合型铅粘弹性阻尼器(图13)。工程实例3根据耗能支撑的布置原则和振型分解反应谱法计算的层间变形确定:在第4,6,7,11,16,20,24层安装阻尼器,每层4个,对称布置。第6,7层阻尼器安装于4轴及7轴,其余安装于5轴及6轴。图14为阻尼器结构布置平面图。阻尼器连接放置做法见图15。图13、复合型铅粘弹性阻尼器图14、阻尼器布置结构平面图15、阻尼器安装立面工程实例3加固工程在采用了28个复合型铅粘弹性阻尼器后,结构的阻尼比由5%增大至11%,最大层间位移角由1/740减小至1/893,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》所规定的框架—剪力墙结构的最大层间位移角限值。复合型铅粘弹性阻尼器能有效地增加结构的阻尼比,减小结构的层间位移,达到了减震的目的。该工程是国内高层钢—钢筋混凝土混合结构中安装阻尼器的第一个工程,也是采用消能减震技术进行高层建筑结构加层的第一个工程。4、消能减震加固在灾后重建加固中的特殊优越性建筑结构本身是一个整体,当其抗震设防烈度需要提高一度的时候,不满足要求的就是结构的抗侧刚度。可选用的加固方法有传统的加固方法和消能减震加固方法等。选用传统的加固方法进行加固,则要对整个建筑结构的梁柱截面进行加固,如果仅加固个别楼层的梁柱,则容易造成刚度的突变,在不加固的楼层形成薄弱环节,则结构整体的抗震性能提高得不显著或者达不到设防烈度提高