耗能减震

耗能减震（共4篇）

耗能减震 篇1

1耗能器装置

耗能减震装置是安放在结构物能产生相对位移或相对加速度的耗能器, 也可以是由结构物的某些非承重构件 (如支撑、剪力墙) 设计成的耗能构件, 这些装置在风或小震下具有较大的刚度。在强烈地震发生时, 耗能装置应率先进入非弹性状态, 产生较大阻尼, 大量消耗输入结构的地震能量。目前, 我国已研发出多种耗能减震器, 主要有位移相关型耗能器、速度相关型耗能器、混合型耗能器[1]。

2耗能减震加固的原理与分析方法

耗能减震加固方法就是在结构的某些部位增添耗能减震器或耗能组件, 从而减轻地震对结构的影响。耗能减震结构的抗震分析方法主要有:振型分解反应谱法、时程分析法、静力弹塑性分析法、能量分析方法。当耗能减震结构处于弹性阶段, 由于耗能器引入大阻尼并且耗能器的恢复力模型为非线性, 需要对耗能器进行等价线性化。

3基于性能的耗能减震加固结构设计

3.1 耗能减震结构性能水准的划分

结构的性能水准是指地震发生后建筑结构的状况, 即建筑物在某一特定设防地震作用下预期破坏的最大程度 (包括人员伤亡、财产损失、建筑功能等状况) 。

3.1.1 一般结构的性能水准

目前, 国内外对结构性能水准的划分各有不同, 但基本上都是从震后的建筑物所处的状况方面考虑, 用使用性、居住性来表示, 并综合考虑可维修性、生命安全等方面。国外的相关学者从多个角度来划分结构的性能水准。中国学者按照结构顶点位移, 将性能水准划分基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌;美国Vision2000按照结构的损伤极限状态, 将性能水准划分损伤正常使用状态、有损伤可修复状态、保障生命安全状态、倒塌控制状态;日本学者提出三重性能水准即适用性、破坏控制、安全性;墨西哥学者考虑结构损伤, 将性能水准划分为可继续使用、修复后可再使用、保证安全。

3.1.2 耗能减震加固结构性能水准的划分

由于耗能装置具有较高的耗能能力、稳定的工作性能和较好的适应性, 在正常使用荷载或小震作用下, 耗能装置使结构处于弹性状态;在中 (大) 震作用下, 耗能装置率先进入耗能状态, 确保结构的安全。其次, 有很多种耗能装置具有多道减震防线和多重耗能的特征, 可是加固的结构体系在主余震及群震作用下免遭破坏, 周云[1]等将耗能减震加固结构的性能水准划分为四个等级:健康、亚健康、病态、生命安全。

3.2 耗能减震加固结构的设防目标的划分

抗震加固结构的性能目标很大程度上依赖于建筑的重要性、经济政策和技术水平。目前, 我国对于采用耗能减震技术进行抗震加固的原则和方法, 尚未制定有关的规范和规程。耗能减震加固结构的设防性能目标的确定, 包括选取合适的性能参数和设定预期的性能目标, 是结构加固与基于性能抗震设计的基础。增设耗能装置可提高整体结构的抗震可靠度和安全性, 因此, 采用耗能减震技术加固的结构可提高其设防目标。另外, 从建筑功能和经济角度考虑, 业主有权选择高于规范要求的性能设防目标。根据建筑重要等级的不同, 周云[1]等建议耗能减震加固结构加固目标为:设防性能目标Ⅰ:“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”, 对于丙类建筑可采用该设防目标;设防性能目标Ⅱ:“中震不坏, 大震可修”, 对于乙类建筑采用此设防目标;设防性能目标Ⅲ:“大震不坏”, 对于甲类建筑可以采用此设防目标。

4耗能减震加固的试验研究

目前, 国内外有大量对耗能减震加固结构的振动台试验研究。欧进萍[2][3]等人进行了模拟地震损伤试验和对震后耗能减震结构进行了振动台试验, 制作了两层和三层剪切框架。加固前后结构的动力特征、层间刚度、最大层间位移、动力时程曲线都十分接近。徐赵东等人就粘弹性阻尼结构进行了振动台试验, 结果表明有阻尼器结构的位移反应一般减小40%～55%, 加速度反应一般减小30%～40%, 地震波越大减震效果越明显。李宏男等对增设摩擦和耗能装置的加层模型进行了模拟地震振动台试验研究。李洪泉等制作了单跨三层钢筋混凝土框架模型, 模型按1∶6制, 对完好结构输入地震波使其发生破损, 用pall摩擦耗能器进行加固, 在对加固后的加固进行振动台试验。修复后的框架的位移时程曲线与完好时接近, 并且位移和加速度峰值与完好结构相比还有所降低。

5耗能减震加固在工程上的应用

耗能减震加固技术近年来在加固工程中的应用不断增加。日本在1995年的神户地震发生后, 出现了一批采用控制技术加固的建筑, 钢耗能器、耐震壁、粘弹性耗能器等不同类型的耗能器在抗震加固工程中得到应用。西安长乐苑招商局广场4号楼为商务和住宅用楼采用具有强大耗能的开孔式软钢耗能器来进行加固。加拿大某教学楼选用Pall型摩擦耗能支撑进行抗震加固;本静冈县某事务所加设了人字形耗能支撑进行抗震加固, 耗能器采用了软钢耗能器;美国一核废物储存设施采用了铅挤压阻尼器进行抗震加固[1]。

参考文献

[1]周云.耗能减震加固技术和设计方法[M].北京:科学出版社, 2006.

[2]李洪泉, 陈颖, 欧进萍, 等.地震损伤钢筋混凝土结构耗能减震加固设计实用方法[J].世界地震工程, 2001, 17 (4) :42-47.

[3]欧进萍, 李洪泉, 邱法维, 等.采用耗能减震装置修复震后有损伤钢筋混凝土框架的试验研究[J].地震工程与工程振动, 1996, 16 (1) :30-38.

耗能减震钢结构住宅设计体系初探 篇2

1. 传统钢结构住宅设计及在抗震中的不足

现有的钢结构体系有:钢框架体系、钢框架——钢支撑体系、钢框架——剪力墙体系、交错桁架体系。传统钢结构体系各有优缺点及适用范围, 但是在抗震性能方面, 都存在不足之处。

(1) 钢框架体系

钢框架体系主要由梁、柱构件刚接而成, 依靠梁、柱来承受竖向荷载和水平荷载。该体系具有受力明确, 平面布置灵活, 便于大开间的设置, 可充分满足建筑布置要求的特点;同时制作安装简单, 施工速度较快。通常柱子采用轧制或焊接工字钢、方钢管、圆钢管或冷弯型钢组合断面, 也可以采用钢管混凝土;主梁采用H型钢, 次梁可以有多种做法。钢框架体系主要适用于多层钢结构住宅。从抗震角度上看, 因为此种结构侧向刚度较小, 属于单一抗侧力体系, 抗震性能差。在高烈度区, 由于地震作用的增加, 往往因刚度不足, 为控制层间位移需加大构件的截面尺寸, 所需用钢量大, 建筑成本较高。

(2) 钢框架——钢支撑体系

钢框架——钢支撑体系的布置原则和柱网尺寸以及梁柱构件连接基本上与钢框架体系相同, 只是在结构的垂直平面内布置不同形式的支撑体系。当建筑物产生层间变形时, 支撑承受水平力, 从而使体系获得比纯框架结构大得多的抗侧力刚度, 减少建筑物的层间位移。这种体系的缺点是用钢量相对较大, 墙体的布置、门窗的布置受支撑影响。可用于多层、小高层钢结构住宅。但此种结构因体系延性小、耗能能力也小。在强震作用下, 支撑中的受压杆件易受压屈曲, 导致整个结构体系的承载力下降, 并引起较大的侧向变形。钢框架—偏心支撑体系是利用主体结构来耗能, 强震过后, 主梁将产生较大的塑性变形, 难以修复。

(3) 钢框架——剪力墙体系

钢框架——剪力墙体系中框架为主要承重骨架, 剪力墙为结构的主要抗侧力体系。如果把剪力墙布置成筒体, 又可称为钢框架——筒体结构体系。国外剪力墙多采用组合剪力墙, 它是在薄壁钢板剪力墙两侧增加混凝土板, 混凝土板防止钢板的平面外屈曲, 提高剪力墙的强度和耗能能力。此种体系中剪力墙属于刚性结构, 而钢框架属于柔性结构, 在地震作用下, 剪力墙承担了很大的水平力。对于钢框架——核心筒体系, 混凝土筒体承担了约90%的水平力, 即使将钢框架做得较强, 也难以从根本上改变这种局面。在单一材料的双重抗侧力体系中, 周边框架要求至少能承担25%的水平力, 而在钢框架—混凝土核心筒结构中却无法做到, 也就是说, 这种体系的二道防线的抗震能力很弱。

(4) 交错桁架体系

交错桁架结构体系的骨架由房屋外侧的柱子和高度为层高、跨度等于房屋宽度的桁架组成。在相邻柱上为上下层交错布置, 楼板一端支承在桁架上弦杆, 另一端支承在相邻桁架的下弦杆。垂直荷载则由楼板传到桁架的上下弦, 再传到外围的柱子。该体系利用柱子、平面桁架和楼面板组成空间抗侧力体系, 具有住宅布置灵活、楼板跨度小、结构自重轻的优点, 小开间取得了大开间的效果, 因此是一种经济、实用、高效的新型结构体系。交错桁架与中心支撑的钢框架较相似, 在大的地震力作用下, 结构的抗震性能很差, 腹杆构件提前屈曲或较早出现非弹性变形, 造成承载力和刚度突然减小。

上述钢结构住宅结构设计方式及在抗震中的表现了出来的弱点, 使人们反过来认真思考整个抗震设计理念, 因为随着每一次结构设计的调整, 工程造价大幅加高。而与之而来的是, 地震灾害造成的人员伤亡显著下降, 但是造成的经济损失却令世人震惊。例如, 1989年美国加州洛马普里埃塔M7.1级地震, 死亡63人, 经济损失为100亿美元;1994年, 加州北岭M7.1级地震, 死亡73人, 经济损失达到200亿美元;1995年, 日本阪神M7.1级地震, 伤亡5500多人, 经济损失达到创纪录的1000亿美元, 震后的基本恢复重建工作花费2年, 耗资近1000亿美元;2010年我国青海玉树M7.1级地震, 死亡2698人, 失踪270人, 经济损失达1000亿美元。与此相比, 我国1976年唐山M7.8级大地震的经济损失仅为50亿美元。

2. 基于性能的抗震设计思想

在这样的背景下, 国内外学者提出了基于性能的抗震设计思想——即使所设计的工程结构在使用期间满足各种预定的性能目标要求, 而具体性能要求可根据建筑物和结构的重要性确定。基于性能的抗震设计是对传统单一抗震设防目标的推广, 它给了业主和设计人员一定“自主选择”抗震设防标准的空间。对于结构工程师来说, 可明确描述结构性能状态的物理量主要有:力、位移、速度、加速度、能量和损伤。基于性能的抗震设计要求能够求出结构在不同强度地震作用下, 尤其是当结构进入非弹性阶段时, 这些结构性能指标的反应值和结构自身的能力值。由于用力作为单独的指标难以全面描述结构的非弹性性能及破损状态, 而用能量指标又难以实际应用, 因此目前基于性能抗震设计方法的研究主要用位移指标对结构的抗震性能进行控制, 称为基于位移抗震设计方法。无论是基于性能还是基于位移, 抗震设计的难点仍然是结构进入非弹性阶段后结构性态的分析, 只是基于性能抗震设计理念的提出, 使研究人员更加注重对结构非弹性地震反应的分析和计算研究。

3. 耗能减震钢结构住宅设计内容

上述四种钢结构住宅进行抗震结构设计时, 由于钢结构本身阻尼比很小, 依靠结构阻尼耗散的地震能量非常有限。为了终止地震反应, 只能依靠主体结构产生大量的塑性变形来吸收地震能量, 但是这样必然导致主体结构的严重破环, 甚至倒塌。而对于耗能减震钢结构, 通常将阻尼器与支撑串联组成耗能装置。在地震作用下耗能装置率先进入工作状态, 大量消耗输入结构的地震能量。这样既可以保护主体结构免遭破坏, 又可以迅速衰减地震反应, 确保结构的安全。基于性能的抗震设计方法要求结构在不同的地震风险水平下满足不同的性能水平要求, 而耗能减震钢结构通过改变耗能装置的参数和数量可以方便的控制结构的地震反应, 从而实现不同的性能目标。因此将基于性能的抗震设计方法和耗能减震技术相结合, 具有重要的现实意义。总体而言, 耗能减震钢结构住宅设计内容有以下几个方面内容:

(1) 梁和柱

梁是结构中最重要的构件之一, 在不同体系中梁有不同的形式, 但它的作用基本上是相同的, 即:承担作用在楼板上的恒荷载和活荷载。梁的种类有:冷弯C型钢梁、H型钢梁、桁架梁等。柱子和梁一样重要, 它主要承担水平荷载和由梁传递下来的竖向荷载, 并且传给基础。结构设计中遵循强柱弱梁的原则, 对柱的要求相对比梁高, 需要计算轴力以及因轴向力偏心引起的附加弯矩, 还要考虑柱的整体稳定、局部屈曲等问题。柱子种类有:H型钢柱、空心钢管或方钢管柱、钢管或方钢管混凝土柱等。

(2) 墙体

钢结构住宅建筑是一个系统工程, 它要求相配套的墙体要自重轻、节能、保温、隔声、防水等性能满足要求, 同时还要与工业化相适应, 施工效率高。目前的墙体材料有许多种类, 大体上可分为单一材料、复合材料两大类。单一材料主要有ALC板, 一般用于外墙, 复合材料有昊角板、泰柏板、石膏板等。

(3) 楼板

楼板除了承受竖向荷载并将它传给框架外, 还将水平力传到各个柱上, 因此楼板平面内的刚度、整体性和承载力也很重要。作为建筑要求, 住宅楼板还应能隔音。现在用得较多的是压型钢板组合楼板, 叠合板加现浇层, 现浇楼板等。这几种楼板的整体性都很好。钢梁宜形成组合梁, 梁上要设置栓钉。预制板中应设预埋件, 与钢梁焊接。在强震区或重要建筑, 柱周边宜设置钢筋和箍筋, 以免楼板在水平力下被柱子压坏。

(4) 耗能支撑

耗能减震钢结构住宅除了包括以上几部分外, 还另外设置了耗能支撑, 耗能支撑可以通过螺栓连接或焊缝连接与主体结构连接。耗能减震钢结构住宅的形式与钢框架——中心支撑形式相同, 只是支撑构件是耗能支撑而非中心支撑。这种体系形式很容易在传统的钢结构住宅的基础上实现。对于钢框架体系, 可以去掉填充墙, 将耗能装置安装在结构当中;对于钢框架——中心支撑, 可将中心支撑换成耗能支撑;耗能减震钢结构不适合采用钢框架——偏心支撑的形式, 这是因为这种体系是利用主体结构来耗能, 强震过后, 主梁将产生较大的塑性变形, 难以修复;对于钢框架——剪力墙体系, 可以将剪力墙去掉, 换成耗能支撑;同样, 对于交错桁架体系, 可以将耗能支撑交错布置在桁架上。

4. 耗能减震钢结构住宅的优势与发展前景

(1) 安全性

由于耗能减震设计模式设有非承重耗能构件或耗能装置, 因而具有很大的耗能能力, 在地震中能率先进入耗能工作状态, 消耗地震能量及衰减结构的地震反应, 保护主体结构和构件免遭损坏, 从而确保结构在强地震中的安全性, 而且震后易于修复或更换, 使建筑结构物迅速恢复使用。

(2) 经济性

传统钢结构体系主要通过加强结构、加大断面等途径提高建筑的“硬性抵抗”结构抗震性能, 使结构的造价明显提高。钢结构减震体系是通过“柔性消能”来减少结构地震反应, 可以减小构件断面, 而其抗震性能反而提高。

(3) 技术合理性

传统钢结构住宅体系是通过加强结构侧向刚度以满足抗震要求的, 但结构越强刚度越大, 地震作用也越大。这对于高层、超高层钢结构住宅, 会造成严重的制约。耗能构件或装置属“非结构构件”, 即非承重构件, 其功能仅是在结构变形过程中发挥耗能作用, 对结构的承载力和安全性不构成任何影响或威胁。所以, 耗能减震结构体系在技术上安全可行。

汶川地震、玉树地震及历次地震震害均证明, 钢结构具有良好的抗震性能。当前, 大众也认识到了居住建筑安全的重要性, 因此从设计规范上尽快出台耗能减震钢结构住宅结构设计规范, 使耗能减震钢结构住宅能进入一个快速、良性发展阶段。

参考文献

[1]张跃峰.低层居住建筑中的轻钢龙骨体系[J].钢结构, 2001 (10) .

[2]李海峰等.钢结构加层中柱脚刚度对结构抗震性能的影响[J].青岛理工大学学报, 2008.

耗能减震 篇3

结构的震动控制大体可以分为四个方面:基础隔震、耗能减震、主动和半主动控制、以及智能控制。这些方法都是通过在结构上设置附加阻尼装置的途径来实现减震耗能, 实施起来成本比较高。最近的研究表明, 在混凝土中掺入聚合物增强掺合料后, 可以有效地提高结构自身的阻尼[3,4,5,6]。

为了研究自增强阻尼混凝土在结构中的减震效果, 从构件方面来研究框架结构的阻尼。用ANSYS有限元软件建立了两个双层钢筋混凝土框架, 并在不同的地震波下, 研究阻尼增强掺合料在框架中的减震耗能的影响, 研究并讨论了柱构件和梁构件的阻尼性能对框架整体减震耗能的影响。

1 钢筋混凝土有限元模型

钢筋混凝土的有限元模型根据钢筋的处理方式主要有以下三种:分离式、整体式和组合式。利用分离式建立模型比较繁琐, 但是能比较好的模拟实际情况。整体式模型对于配筋比较均匀的模型有很大优势, 例如配筋比较均匀的板构件, 但是整体式模型不宜提取钢筋应力;组合式模型是在横截面上分成许多混凝土层和若干钢筋层。本文建立的是分离式模型。

2 单榀两层自增强阻尼钢筋混凝土框架 (强柱弱梁) 的有限元模拟

为了研究工程中普遍使用的结构形式-框架结构, 建立了两层框架模型, 分别研究柱构件和梁构件的阻尼耗能在框架中的作用。结合现在出现的掺料混凝土能大大的提高钢筋混凝土的阻尼能力, 分别假设梁构件或者柱构件采用掺料混凝土, 以研究柱构件或者梁构件的阻尼耗能。其中在假设柱构件粘性阻尼比为4%时, 梁构件的粘性阻尼比为4%、6%、8%、1%;假设梁构件的粘性阻尼比为4%时, 柱构件的粘性阻尼比为4%、6%、8%、1%。

2.1 材料参数 (见表1、2)

2.2 建立模型 (见表3)

框架每层所加配重为15吨。具体模型如图1所示。

2.3 计算结果与分析

对两层钢筋混凝土框架模型输入EL-centro波, 且逐渐加大各种地震波的峰值加速度, 50gal、100gal、150gal等等, 进而得到在框架柱不同粘性阻尼比和框架梁不同粘性阻尼比情况下的B点、A点的相对位移和绝对加速度时程曲线。其中部分相对位移时程曲线和绝对加速度曲线如图2至图4所示。

3 结论

3.1 从有限元模拟的结论来看, 阻尼增强混凝土的使用对结构的减震耗能有非常积极地影响。将混凝土框架柱的粘性阻尼比从4%提高到10%, 可以有效的提高框架的抗震性能:加速度幅值一般会降低20%~60%;相对位移幅值一般会降低20%~50%。

3.2 对框架梁柱构件来讲, 在框架中起到的减震耗能作用基本上是相当的。总体来说框架柱起到的减震耗能作用略强与框架梁起到的作用。

摘要：阻尼是结构的基本动力特性之一, 但没有明确的直接的测量方法;目前从构件层面来研究阻尼成为阻尼研究的新方法。为从构件方面来研究框架结构的阻尼, 并模拟阻尼增强掺合料对混凝土的阻尼增强作用, 用ANSYS有限元软件建立了双层钢筋混凝土框架模型, 并在不同的地震波下, 分析研究了阻尼增强掺合料在框架中减震耗能的积极作用, 并研究讨论了柱构件和梁构件的阻尼性能对框架整体减震耗能的不同影响。

关键词：阻尼,构件,阻尼增强掺合料,ANSYS,框架

参考文献

[1]何政, 欧进萍.钢筋混凝土结构非线性分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.2007:88-120.

[2]李义强, 彭正中, 王新敏.基于ANSYS的钢筋混凝土简支梁极限承载力分析[J].2006, 19 (1) :22-26.

[3]石建军, 胡绍全.钢筋混凝土材料阻尼值的实验研究[J].四川建筑科学研究.2003, 29 (3) :14-15.

[4]尚世英, 懂至仁.钢筋混凝土构件阻尼值的实验研究[J].工程抗震, 1993, 12 (4) :18-19.

[5]马宁.几种构件的非比例阻尼比实验研究[J].混凝土, 2002, (10) :34-37.

耗能减震 篇4

关键词：SMA阻尼器,隅撑支撑钢框架,耗能减震,ABAQUS

SMA阻尼器是优良的耗能减震装置, 得益于自身超弹性的良好体现, 具有优异的耗能特性, 可加置在隅撑构件中。Oc e等[1,2]人都做出了大量实际工程应用。国内学者还研究了S MA阻尼器耗能减震体系的设计方法, 任文杰、李惠等[3,4]人分析了S M A耗能器减震性能的影响和其影响的因素。

1 SMA-KBF的形式和计算模型

通过对隅撑支撑加设SMA阻尼器即组成SMA-KBF时, 将SMA阻尼器模型进行等效刚度等效阻尼简化, 其运动微分方程和初始状态为为:

式中:k为结构的刚度系数, c为结构的阻尼系数;X (5) (5) (7) t (8) 、X (5) (7) t (8) 、X (7) t (8) 分别为结构的加速度、速度和位移, P (7) t (8) 为地震荷载激励, 初始阶段X (5) (5) (7) t (8) (28) X (5) (7) t (8) (28) 0, dF (7) t (8) 来自阻尼器。

2 关于SMA-KBF的减震耗能的研究

该文将对SMA-KBF框架和MRK纯框架在地震作用下进行分析, 在结构中设置3 0 0根直径1 m m的S M A丝, 运用E I-CENTRO波, 调整峰值为620cm/s2, 持续17.58S, 让框架自由振动50s停止。两种建筑模型布置模式如图1所示。

通过计算分析得到数据表1并从图2中看出两种钢质框架在地震荷载下顶层的位移在地震荷载结束后, 两种框架均产生了残余位移, 看出SMA-KBF中的SMA材料耗能作用减震优良, 但是刚度是增加致使加速度上也相对较大。

3 结语

该文利用SMA阻尼器的超弹性设计了一种新型耗能结构, 由非预应变SMA丝束连接, 加置在隅撑支撑结构中。阻尼器在EI-CENTRO地震荷载作用下呈现稳定的滞回曲线, 通过实验数据可以看出加载SMA阻尼器的顶层位移、层间位移和残余位移相比较小, 具有良好的耗能功能。

参考文献

[1]Justin Ocel, Reginald Dse Roches.Steel Beam-Column Connections Using Shape Memory Alloys[J].Journal of Structural Engineering, 2004, 130 (5) :732-740.

[2]Wilde K, Gardoni P, Fujino Y.Base Isolation System with Shape Memory Alloy Device for Elevated Highway Bridges[J].Engineering Structures, 2000 (22) :222-229.

[3]任文杰, 李栖桐, 贾茹, 等.基于形状记忆合金X形板阻尼器的结构振动控制[J].河北工业大学学报, 2011, 10 (1) :93-96.