消能减震技术应用综述（精选7篇）
消能减震技术应用综述 篇1
摘要：对建筑结构消能减震技术方法进行了综述, 阐述了消能减震技术原理、消能器的类型及消能结构的特点及应用研究概况, 并对今后的发展趋势做了展望, 以期促进消能减震技术的推广应用。
关键词：减震控制,消能器,发展趋势
目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震方法是“延性结构体系”, 它是通过适当控制结构物的刚度, 使结构部件 (如梁、柱、墙、节点等) 在地震时进入非弹性状态, 并且具有较大的延性, 减轻地震反应, 使结构物“裂而不倒”。这种方法采用二阶段设计方法以实现“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”的三水准的抗震设防要求。实践证明这种设计的代价是很高的, 而且此方法只是考虑建筑结构本身的抗震, 并未考虑房屋内部设备、仪器的抗震, 对一些内部有重要仪器设备的建筑物就不再适用了。于是人们便另寻对策, 发展出一条合理有效的抗震途径———工程结构减震控制。它是通过对工程结构的特定部位施加某种控制装置 (系统) , 使之与结构共同承受地震作用, 改变或调整结构的动力特性或动力作用, 最终达到减轻结构地震反应的目的。其中消能减震技术在理论和实践应用上比较成熟和广泛。
1 消能减震技术
结构消能减震体系, 就是把结构物的某些非承重构件 (如支撑、剪力墙、连接件等) 设计成消能杆件, 或在结构的某部件 (层间空间、节点、联结缝等) 装设消能装置。在风或小地震时, 这些消能杆件或消能装置具有足够的初始刚度, 处于弹性状态, 结构物仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。当出现中、强地震时, 随着结构侧向变形的增大, 消能构件或消能装置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, 使主体结构避免出现明显的非弹性状态, 并且迅速衰减结构的地震反应 (位移、速度、加速度等) , 从而保护主体结构及构件在强震中免遭破坏, 确保主体结构在强地震中的安全。
2 消能减震的原理
消能减震的基本原理可以从能量的角度来描述, 消能减震结构在地震中任意时刻的能量方程为:
其中, Ein为地震输入结构的总能量;EVK为结构的动能和弹性应变能 (势能) ;EC为结构本身的阻尼耗能;ES为结构的弹塑性变形 (或损坏) 消耗的能量;ED为消能部件耗散或吸收的能量。
在式 (1) 中, EVK仅是能量转换, 不产生耗能。EC只占总能量很小的一部分。消能部件在主体结构进入非弹性状态前率先进入消能状态, 消耗掉大量地震能量ED, 使结构本身消耗的能量EC很少, 从而使结构减轻损伤或破坏。
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, 已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, 从而有效地保护了主体结构, 使其不再受到损伤或破坏。试验表明, 消能减震装置, 可以消耗地震总输入能量的90%以上。
3 消能器的类型及消能结构的特点
应用于消能减震设计的消能器通常有:软钢消能器、铅挤压阻尼器、粘弹性阻尼器、液体阻尼器、摩擦消能器、粘滞阻尼器等。《抗震规范》将消能器主要分为位移相关型、速度相关型和其他类型。金属屈服型和摩擦消能型属于位移相关型, 这种类型的消能器要求位移达到预定的启动限才能发挥消能作用。粘滞型和粘弹性型属于速度相关型。调谐阻尼器主要包括调谐质量和调谐液体两类阻尼器。
大量的研究和应用表明, 在建筑物的适当位置合理设置消能装置后, 结构在地震作用下具有如下特点:1) 可同时减小结构的水平和竖向地震作用。2) 当结构具有足够的附加阻尼时, 可满足罕遇地震下预期的结构位移控制。3) 由于消能装置不改变结构的基本构成, 因此消能结构的抗震构造与普通结构相比并没有降低, 相反, 由于消能器相当于在结构上增加一道防线, 其抗震安全性有明显的提高。4) 消能结构不受结构的类型和高度限制, 适用的范围较广。
4 消能减震技术的应用
美国是开展结构控制体系研究较早的国家之一。早在1972年竣工的纽约世界贸易中心大厦就安装有约10 000个粘弹性阻尼器, 西雅图哥伦比亚大厦 (77层) 、匹兹堡钢铁大厦 (64层) 等许多工程都采用了该项技术。
日本是结构控制技术应用发展较快的国家。近几年日本在建筑结构耗能减震研究和应用方面取得了若干新进展, 其中纳米结晶锌铝合金振动控制阻尼器是一种取得专利的新型减震阻尼器, 具有“常温高速超塑性”特性;无粘结钢支撑体系是一种机敏的滞回屈服耗能减震支撑体系, 可防止支撑在压力作用下屈曲, 具有稳定的拉压滞回性能;跷动减震是一种新颖的耗能减震方法, 它允许结构上下跷动疏散地震力, 减轻建筑损坏。
我国的学者和工程设计人员自20世纪80年代以来也一直致力于消能减震技术的研究工作和工程实践应用。目前, 已经自行研制出了一些消能装置, 提出了一些新型的消能减震结构体系, 做了许多消能装置的力学性能试验研究和减震结构体系的地震模拟振动台试验研究, 得到了大量富有学术价值的研究成果。
5 结语
消能减震技术具有概念简单, 制作方便, 减震机理明确, 减震效果显著, 应用范围广等优点。但是要使消能减震技术得到更广泛的应用, 尚有一些问题需要研究:1) 综合考虑各种因素的影响 (温度、适度、开裂等) , 对已有耗能减震装置的可靠性、耐久性进行深入研究。2) 消能减震部件的进一步开发:目前, 消能减震部件种类已经较多, 但应注重其实用性、经济性以及支承连接形式的研究。3) 消能减震体系设计计算方法和软件的研究:消能减震体系只有为设计者提供实用、简便且符合设计习惯的设计方法和软件, 才能进一步推广应用。4) 与建筑功能的协调和围护问题:消能部件的设置位置和围护, 一方面对建筑结构的使用功能影响较大, 另一方面, 还影响到建筑的保温、隔热、隔声等。消能部件的布置与使用功能的协调还需要做更为深入的研究, 并应关注消能部件的围护问题。5) 耗能减震装置系统的材料性能研究。6) 新型高效耗能减震装置的开发研究。7) 综合考虑建筑体型、结构体系、建筑材料、装置性能与类型等的优化匹配设计方法的研究。如大跨空间结构、超高层建筑结构采用消能减震技术的研究。8) 耗能减震体系的实用设计方法和设计标准的研究:如耗能减震体系的适用性和设防目标, 结构体系的耗能减震性能标准, 设计的基本要求和规定, 实用的设计方法和验算方法。9) 耗能减震装置和结构体系的施工方法、施工要求和施工质量检测的研究, 以及施工规程的编制。10) 加强能量分析设计方法在结构减震控制结构体系中应用的研究, 建立相应的装置耗能能力的评估方法。
消能减震消能墙施工技术 篇2
关键词：消能墙,工艺,材料,地震
消能减震技术的主要思想是把结构物中的支撑、剪力墙等构件设计成耗能部件或在结构物的节点或连接处装设阻尼器, 在风或小震作用下, 耗能杆件或阻尼器处于弹性状态, 当在强烈地震作用下, 耗能杆件或阻尼器率先进入非弹性状态, 结构产生较大阻尼, 耗散大量地震能量, 使主体结构避免进入明显非弹性状态, 从而保护主体结构在强震中的大幅度的损坏。
1 施工工艺原理
所谓“消能墙”, 是在常规剪力墙中嵌入关键耗能元件———“消能键”构造而成。消能键采用优质耗能钢板通过精密的构造组合而成, 具有极为优异的滞回耗能性能。地震时, 消能墙将结构地震作用即时传递至消能键, 消能键迅速进入屈服状态, 并在滞回中有效耗散地震能量, 大大减轻了主体结构的地震反应, 从而对主体结构起到良好的保护作用。简单地说, “消能键”就像是一个“保险丝”, 在地震发生时, “消能键”通过自己消耗地震能量, 在风力作用或小震时, 尚不用“牺牲”自己保全建筑;而在大震时, 嵌在建筑墙体内的“消能键”就能通过自身的屈服耗能保住建筑的安全。消能墙的核心构件是消能键, 本技术所采用的RT400消能键和RT600消能键的核心材料采用由宝钢生产的BLY160钢材, 消能键与预埋件通过螺栓加焊接形式连接, 以提供足够的刚度和强度, 确保消能键在地震、风荷载等作用下, 保持正常工作。
2 工艺流程及操作要点
2.1 工艺流程
预埋下消能墙竖向钢筋→绑扎下消能墙钢筋, 安装定位预埋件, 下消能墙支模→浇筑下消能墙混凝土→安装连接槽钢, 安装定位预埋件, 绑扎上消能墙钢筋, 上消能墙支模→浇筑上消能墙混凝土→上层梁板支模, 钢筋绑扎, 浇筑混凝土→拆除临时支撑木方, 安装消能键及消能键保护外壳, 而后拆除连接槽钢→砌筑消能墙旁砌体。
2.2 操作要点
1) 施工准备。施工前应认真审阅消能墙图纸的技术设计文件, 了解施工范围, 并对参加施工人员进行详细的技术交底, 确定各项准备工作准备到位后开始进行施工。a.消能键进场后, 供货单位委派技术人员指导现场卸装。b.根据分布图, 用塔吊将阻尼器定点定位, 放置于各楼层。把安装所需各附件、工具等搬运至即将安装位置。c.安装前应观察、清理、调整安装面。
2) 施工要点。a.预埋下消能墙竖向钢筋, 浇筑下层梁板构件混凝土。钢筋预埋前要仔细阅读施工图纸, 明确各个单根钢筋的形状及各个细部的尺寸, 核对钢筋配料单和料牌, 再根据料单和料牌, 核对钢筋半成品的钢号、形状、直径和规格数量是否正确, 有无错配、漏配及变形, 如有此情况, 应及时整修、增补。钢筋预埋时预埋位置要正确, 要确保钢筋间距并保证保护层厚度。b.绑扎下消能墙钢筋, 安装定位预埋件, 下消能墙支模板。预埋件安装定位采用全站仪控制, 根据设计图纸将预埋件钢板中心坐标算出, 将其中线点投影到预埋钢筋上, 放出十字交叉线, 施工时用线坠吊正, 要求必须从两个方向全部找正。标高控制采用水准仪与水平尺双重控制。由于在绑扎钢筋网和浇筑混凝土时易造成预埋件位移和标高下沉, 因此预埋件的加固至关重要, 为保证预埋件位置相对准确, 在预埋件中部、下部布设两道定位钢筋, 然后将定位筋与预埋件焊接, 确保预埋件的位置相对准确。c.浇筑下消能墙混凝土。混凝土浇筑前应先湿润模板, 避免造成麻面、脱皮等现象, 墙、柱浇筑前底部应先填以5 cm~10 cm厚与混凝土配合比相同减石子水泥砂浆, 避免造成墙、柱角烂根。浇筑混凝土时应分层连续浇筑, 区域之间、上下层之间混凝土浇筑间歇时间不应超过2 h。混凝土振捣采用振动棒振捣, 要做到“快插慢拔”, 上下抽动, 均匀振捣, 插点要均匀排列, 插点采用并列式和交错式均可;插点间距为300 mm~400 mm, 插入到下层尚未初凝的混凝土中约50 mm~100 mm, 振捣时应依次进行, 每一振点的振捣延续时间30 s, 使混凝土表面水分不再显著下沉、不出现气泡、表面泛出灰浆为止。作业时, 要使振动棒自然沉入混凝土, 不得用力猛插, 宜垂直插入并插到未初凝的下层混凝土中5 cm~10 cm, 以使上下层结合。浇筑时可先将振动棒插入底部, 使振动棒产生振动再投入混凝土, 边投料边振动。混凝土浇筑完毕后, 墙柱边应用木抹子按预定标高将表面抹平。并保证混凝土在适宜的温度、湿度的环境, 使胶凝材料充分水化, 应对混凝土进行洒水养护, 洒水时间以混凝土表面不泛白为宜, 洒水时必须将混凝土浇透, 养护时间要求不少于14 d。d.安装连接槽钢, 安装定位预埋件, 绑扎上消能墙钢筋, 上消能墙支模板, 安装连接槽钢, 如图1所示。e.浇筑上消能墙混凝土。f.上层梁板支模板, 钢筋绑扎, 浇筑混凝土。g.拆除临时支撑方木, 安装消能键及消能键保护外壳, 而后拆除连接槽钢。h.砌筑消能墙旁砌体, 如图2所示。
3 材料与设备
3.1 材料
本技术要求所指的RT消能键是RBS消能墙的重要部件, 其原理是通过高延性材料合理构造形成消能元件, 利用其塑性滞回特性来有效消耗地震能量。消能键产品的材料应满足现行《建筑抗震设计规范》和行业标准《建筑消能阻尼器》的要求。消能键产品的核心材料采用宝钢生产的BLY160钢材, 其他辅助材料可采用Q235钢或Q345钢。消能键产品核心材料BLY160的屈服强度应在160 MPa的±15%以内, 延伸率应大于45%, 屈强比小于80%。混凝土墙中定位埋件钢材材质为Q345B, 栓钉材料性能等级为4.6级, 螺栓为材料性能等级为10.6级的高强螺栓 (承压型) 。消能墙混凝土强度等级为C30混凝土。
3.2 机具设备
塔吊一台, 经纬仪一台, 水准仪一台, 50 m钢盘尺一把, 振动棒一台, 手动磨光机两个, 高强螺栓扳手两套, 活动扳手两把, 千斤顶两台, 钢丝刷三把。
4 效益分析及适用范围
“消能墙”这项新技术的应用, 不仅能保证建筑在大地震中不倒和人员安全, 而且还能有效地保护建筑结构及室内装修, 使该建筑在大地震中的损失降到最低, 避免人员伤亡及财产损失。适用于大型公共建筑如医院、商场、学校、博物馆、图书馆、体育馆等及民用建筑超高层住宅等。
5 结语
“消能墙”技术是一种值得肯定的创新和尝试, 在一定程度上将引发地产业对于建筑安全的思考, 也代表了未来消能减震技术发展的一种新趋势。
参考文献
[1]GB 50011—2010, 建筑抗震设计规范[S].
[2]JGJ 297—2013, 建筑消能减震技术规程[S].
[3]JG/T 209—2007, 建筑消能阻尼器[S].
[4]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社, 1997.
多层框架中消能减震体系的应用 篇3
根据《建筑抗震设计规范》GB50010—2010的要求,在抗震设计中可通过提高结构整体刚度减小地震中结构的水平位移,但常规的设计方法通常采用增大构件截面、纵横向增设剪力墙、梁柱箍筋加密等措施,其结果往往造成工程成本及施工难度增加。为了既能达到结构抗震的设计要求,又能节约成本,在工程中采用消能减震体系便成为一种有效途径。本文结合天津建筑设计院档案楼项目,介绍消能减震体系的定义、特点、形式和施工控制等内容。
1 工程概况
天津建筑设计院档案楼项目位于天津市建筑设计院院内,现浇钢筋混凝土框架结构,主体6层,总建筑面积4 585m2。抗震烈度为7度(0.15g),抗震设防标准为丙类,抗震等级为三级,8度设防。每层布置4道“人”字形消能减震支撑,与主体钢筋混凝土框架通过钢节点相连,在满足结构抗震要求的前提下,减小了结构自重,降低了工程造价。
2 消能减震体系简介
2.1 定义
结构消能减震体系是在结构中装设消能器(阻尼器),通过人为增加结构阻尼,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,从而确保结构在地震中的安全或在强风中的正常使用。
2.2 特点
1)结构消能装置为结构非承重构件,具有刚度可变性,并能为结构提供很大阻尼,消耗振动能量。
2)阻尼器能提供结构额外刚度,任何振动都提供附加阻尼,同时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,但受温度影响较大。
2.3 优点
消能减震体系与常规结构相比具有以下优点:①屈服承载力高;②结构延性好;③消能减震能力强;④经济效益好;⑤制造简单,安装方便。
3 本工程消能减震体系形式
天津市建筑设计院档案楼在抗震设计时,每层布置4道“人”字形消能减震支撑,位置分别为②轴/A-B轴、B轴/②-③轴、D轴/⑤-⑥轴、⑦轴/A-B轴:消能支撑由外管、芯管、连接板、端板及加劲板等组成。芯管内部灌满中砂,外管之间有油脂层。单个支撑体系分为固定刚性段(无变形)、屈服段、活动刚性段(无变形,可有刚性位移)三个作用区域。
芯管钢材为Q235B,外管等其他钢材均为Q345。支撑与节点板采用10.9级高强螺栓连接。平面布置如图1所示,支撑详图如图2所示:
4 消能减震构件施工控制
由于消能支撑属消能减震体系的核心构件,因此施工过程控制尤为重要。实际工程中主要从以下方面进行监控。
4.1 钢结构制造与验收
4.1.1 制造
4.1.1. 1 原材切割
直条型构件、异型构件分别采用多头直条切割机、等离子数控切割机切割;肋板、端板、连接板的切割已考虑了焊接收缩量和整形收缩量,使得消能支撑的长度达到端板“无余量装配”,既保证了产品质量又节省了材料。切割后的精度应满足标准要求,如表1所示。
4.1.1. 2 板件钻孔
钢支撑连接节点的螺栓孔连接板一般为偶配板件,且要求较高,故采用数控平面钻孔机进行偶配套模钻孔。钻孔前检查板的尺寸、基准面是否正确。钻孔相关质量要求如表2所示。
mm
注:t为切割板厚度
mm
注:孔距超出允许偏差时,应采用与母材相匹配的焊条补焊后重新制孔
4.1.1. 3 构件拼装焊接
1)主要设备机具准备
本工程消能支撑芯管钢材为Q235B,外管等其他钢材均为Q345,所以构件焊接主要采用506直流焊机进行,Q345B钢材焊接采用手工电弧焊,焊条采用E5015(J507)。不同强度钢材焊接时,应遵循与低强度钢材相适应的焊接材料原则。
2)焊接前检查
选用的焊材强度应与母材强度相符,电焊机的种类、极性应与焊接要求相符。焊接部位组装以及表面清理质量若不符合要求,应修磨补焊合格后方可施焊。各种焊接法焊接坡口组装允许偏差值应符合相关行业标准规定。
3)焊接前清理
仔细清理焊接坡口内以及垫于坡口背部衬板表面的锈蚀、油污、氧化皮、水泥灰渣等杂物。
4)垫板、引弧板及引出板装配
施焊前要加装与被焊母材相同材质、厚度的引弧板、引出板、垫板,坡口形式与被焊焊缝相同,不得使用其他材质的材料作引弧板、引出板和垫板。引弧板和引出板长≥50mm,宽>50mm,厚≥4mm。
5)自动埋弧焊
严格按照焊接工艺和焊接规范施焊,每条焊缝焊到末尾时,应在引弧板上收弧避免在焊缝上出现弧坑。焊接完毕,应采用气割切除弧板,并修磨平整,不许用锤击落。
4.1.2 验收
本工程的消能支撑钢管均采用无缝钢管,材料出厂质量证明书齐全,外管无锈蚀、油污及损伤。经检测,钢管的抗拉强度、伸长率、弯曲试验、水压试验及化学成分均满足设计及规范要求。
支撑加劲板及节点板钢材为Q345B,分为10,12,14和16mm四种规格。经检测,钢板屈服强度、抗拉强度、伸长率及化学成分均满足设计及规范要求。
通过现场对构件进行抽样复试,消能支撑构件各项物理及化学指标均满足设计要求,各项允许偏差均符合规范要求,这为构件的安装打下坚实基础。
4.2 构件成品保护
4.2.1 钢构件堆放
1)露天堆放的钢构件应采取措施避免锈蚀,置于干燥、无积水处;为防止支点下沉,底层垫枕要有足够大的支撑面;构件堆放平稳、垫实。
2)相同钢构件叠放,为防止钢构件变形或被压坏,各层钢构件的支点应在同一垂直线上。
3)建立出入库制度,严格控制钢构件的出入库和存储等环节。
4.2.2 构件吊运
1)吊运大件由专人负责,使用合适的工夹具,并在吊点处做好保护,避免成品构件出现吊痕。严格执行吊运操作规程,防止在吊运过程中发生撞击、坠落、振动、变形或其他损坏。
2)设专人监管装载,上车的箱号及构件号要认真清点,堆放在车上的构件要牢固稳妥,为防止构件松动、遗失应采取必要的绑扎措施。
3)运输过程中保持平稳,超长、超宽、超高物件采用车辆运输时,驾驶员须经培训合格,并在车辆上设置标记。
4)装卸前,装卸人员要熟悉构件的重量、外形尺寸,并检查吊码、索具等情况,以防发生意外。
4.3 消能支撑节点埋件预埋
从土建施工开始就对消能支撑埋件的位置及尺寸加以复核,埋板与弯钩塞焊固定,弯钩与结构主筋焊牢,埋件表面平整,标高一致。框梁跨中埋件位置通过主轴网测出,每层梁底跨中埋件、梁柱节点埋件均与下层结构顶部埋件中对齐,并且层层位置统一。
埋件的锚固长度可按实际梁高适当调整,但总锚固长度不小于40d。
结构混凝土浇筑施工时,振捣棒不能撬动埋件,以防止埋件偏移。拆模后对埋件部位及时清理保护
4.4 消能支撑钢管安装连接
4.4.1 节点板焊接
消能支撑采取工厂制作、现场安装。在主体结构施工完毕后,由钢结构专业焊接工在埋件上按设计图纸要求位置焊接节点板,焊缝为双面贴角焊缝,焊缝高度为14mm。
连接节点板焊接完毕后,利用塔式起重机吊运至每层结构的设计位置,用高强螺栓连接节点板与消能支撑构件,同时利用经纬仪对支撑构件的垂直度及轴线位置进行校正。
4.4.2 高强螺栓连接
1)首先确认已进行了抗滑移试验,且试验结果合格。
2)安装前检查摩擦面,表面的水渍、油污等污物已认真清除。
3)高强螺栓的穿入以施工方便为原则确定其方向,并尽量保持一致。高强螺栓连接组装时,螺母带圆台的一侧应朝向垫圈有倒角的一侧。
4)安装高强螺栓时,严禁用锤敲打螺栓等方式强行穿入。当螺栓不能自由穿入时,应使用铰刀对该螺栓孔进行修整。修孔时,应将四周的螺栓孔全部拧紧,使板迭密贴后再进行铰孔,以防铁屑落入板迭缝中。修整后的螺栓孔最大直径不得大于螺栓直径的1.2倍。一个节点的扩孔数量不宜多于该节点孔数的1/3。严禁使用气割进行扩孔。
5)不得在潮湿环境中安装高强螺栓,应保持构件摩擦面干燥。
6)扭剪型高强螺栓的拧紧分为初拧、终拧。初拧后的高强螺栓应在螺母上作上标记,然后用专用扳手进行终拧,直至拧掉螺栓尾部梅花头。高强螺栓初拧时,使用定矩手动扳手或电动定矩扳手,终拧使用电动专用扳手。初拧扳手须定期标定,在使用前必须校正,其扭矩误差不得大于3%,合格后方能使用。
7)高强螺栓的初拧、终拧,应由螺栓群中央向外顺序拧紧,连接处的螺栓应按一定顺序施拧。高强螺栓的初拧、终拧应在同一天内(或24小时内)完成。
4.5 构件防锈及防火处理
1)消能构件在加工厂进行抛丸除锈,现场安装完毕后涂装防火涂料。加工厂使用辊道连续通过式多功能抛丸清理机除锈,用于构件的清理以及去除焊接钢板、钢管的压制氧化皮、锈及异物,使之获得纯净的金属表面,提高产品的抗腐蚀能力。
2)现场喷涂防火涂料前要对构件表面擦拭清理,去除油污、灰尘,保证表面清洁。喷涂施工应分遍完成,每遍喷涂厚度宜为5～10mm,必须在前一遍基本干燥或固化后,再喷涂后一遍。喷涂后的涂层应剔除乳突,确保均匀平整。
5 施工效果及总结
消能减震装置凭借其既经济又安全的特点,在实际工程中的应用越来越广泛。通过对本工程在多层框架结构中的消能减震结构的施工控制,加深了对消能减震体系的进一步认识,总结积累了相关工艺及技术措施,可为今后类似结构工程的施工提供参考。施工效果如图3所示。
参考文献
[1]中国建筑科学研究院.GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[2]中冶建筑研究总院有限公司,中国二冶集团有限公司.GB 50661—2011钢结构焊接规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
建筑隔震和消能减震设计及应用 篇4
1 建筑隔震与消能减震技术
目前,随着国内外对建筑隔震与消能减震技术研究的不断深入,隔震与消能减震技术得到了很大的发展,隔震技术的种类较多,大致可分为:基础滚球隔震、基础弹簧隔震、橡胶垫隔震、悬吊结构隔震、基础砂石垫层隔震以及结构底层柔性柱隔震等,其原理基本都是利用这些隔震系统来减少地震能量向上部的输入,隔震系统的存在能够延长结构自身的基本自振周期,通过适当的阻尼使结构的加速度反应大大减少,地震传来的能量将由隔震装置转化和吸收,阻止了能量向上部结构的传输,从而减少了上部结构的相对变形。
消能减震技术是把建筑结构中的某些构件(如支撑、剪力墙等)设计成消能部件或者在结构物中的某些部位(连接或节点处)设计安装阻尼器,消能部件和阻尼器的作用在于当结构遭遇风或地震作用时,其会先于建筑结构由弹性工作状态进而转为塑性工作状态,通过消能部件的塑性变形和阻尼吸收输入的能量,以减少主体结构的塑性变形,保证结构的安全性,其中消能部件可由斜撑、剪力墙、梁或节点等构成,此外,在结构的缝隙或构件的连接处设置消能装置,也能够发挥很好的消能减震作用。采用消能减震设计,对建筑物的使用功能影响较小,减震较明显,且布置相对灵活,同时地震力下布置的消能元件传给与之相连构件的附加力较少,对结构不会造成不必要的破坏。
2 建筑隔震与消能减震概念设计和原理
2.1 建筑隔震的概念设计
概念设计在建筑抗震和隔震中占有非常重要的地位,在进行工程抗震设计时,首先应该做好概念设计阶段,然后才是严谨、合理的抗震或隔震计算,最后则为抗震措施的选用。
建筑物隔震通常需要在建筑物与基础之间设置隔震装置,在地震作用下建筑结构的水平变形大多集中在隔震装置中,通过隔震装置的变形吸收了地震传给上部结构的能量,以达到将地震作用隔离的目的,提高了建筑物的地震安全性。建筑物隔震的概念设计首要任务是确定隔震系统能够允许的最大地震反应、建筑物的结构参数、地震反应频谱特性等,通过这些参数的确定可大致得到隔震层的总体参数。
2.2 隔震结构的运动方程
由于建筑物在地震中的运动相对较小,且处于整体平动状态,因此在概念设计阶段,通常可只需确定结构在不同方向的一维平动运动模型(见图1)。
一维模型的运动方程:
其中,X为隔震后建筑物的位移;·Xg·为隔震计算的输入加速度;λ为隔震结构的阻尼比;ωn为隔震结构的固有频率,ωn=K和M分别为一维动力模型的刚度与质量。
将地面运动表达为傅里叶级数的形式:
在概念设计阶段可以主要考虑主频的影响,则输入地震的加速度可简化为:
其中,ω为输入加速度的主频率,一般取隔震结构所在处的特征频率;Ag为输入加速度等效位移峰值。
由式(1),式(3)可得建筑物位移是式(1)中系数的函数幅值函数为:
在一维模型下,隔震结构加速度反应衰减比η(隔震衰减比)可表达为:
在隔震设计时,隔震装置在不同方向的动力反应都可以用上述方法来估计,式(5)在隔震设计中起着重要的作用,由上面的式子可知,在概念设计阶段我们只需先确定结构的质量M,输入地面的加速度输入地面的加速度主频率ω,隔震层的阻尼比λ和要求隔震层上部结构的加速度反应等,通过式(5)计算出隔震层的固有频率ωn,从而估算出其总体刚度K,反之也可利用式(5)由隔震层的总体刚度K确定η,进而计算出隔震层的隔震效果。
由结构力学可知,是隔震结构与非隔震结构的分界线,当>1.414时,η<1,可知隔震层上部结构的地震加速度峰值小于地震输入的加速度峰值,故隔震层具有隔震效果,为隔震结构,但若<1.414时,则结构无隔震效果,相当于传统的抗震结构,所以一般结构在隔震设计时取频率比为≥2。
此外,在隔震设计过程中还需要估算出隔震层的总体刚度K的上限值:
其中,Dh为近场系数;Fek为隔震层以上总的水平地震作用力;uh为隔震层允许水平位移;α为作用于隔震层以上设计的设计水平地震加速度;M为隔震层以上总的质量。
在隔震层的总体刚度确定后,可根据建筑隔震设计将总体刚度分配到每个隔震支座上去,进行隔震设计。
2.3 隔震技术应用范围
国内外研究表明,硬土场地较适宜采用隔震结构的建筑,我国隔震结构可适用于Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类场地,以剪切变形为主的体型结构,建筑结构布置多为规则结构,一般不采用隔震措施时基本周期不宜大于1.0 s的建筑,此外,由于隔震层的存在,还应考虑软弱隔震层的抗倾覆能力,因此,在隔震设计中还应对风荷载以地震之外的其他水平荷载进行相应的限制。
2.4 建筑结构消能减震设计
消能减震建筑设计时,应根据罕遇地震或设防烈度下预期的结构位移控制要求进行设计,其原理从能量的角度可描述为:
传统的抗震结构:Ein=Ev+Ec+Ek+Eh。
消能减震结构:E'in=E'v+E'c+E'k+E'h+E'd。
其中,Ein,E'in均为地震过程中输入结构体系的能量;Ev,E'v均为结构体系的动能;Ec,E'c均为结构体系的粘滞阻尼耗能;Ek,E'k均为结构体系弹性应变能;Eh,E'h均为结构体系的滞回耗能;E'd为消能(阻尼)装置或耗能元件耗散或吸收的能量。
从上式可以看出传统的抗震结构体系中,地震传来的能量主要通过Eh耗散,这就意味着地震输入的能量大部分由结构自身的塑性变形吸收,若地震输入结构的能量过大,则很可能会造成结构体系的严重破坏,失去承载能力,但在设计有消能部件的结构,则由于消能部件会先于结构构件而产生塑性变形,吸收地震能量,而后才是结构体系,有效地保护了主体结构。
消能减震结构在地震作用下起反应的关键是确定结构的总刚度和总阻尼比,即:
其中,Ks为原结构的刚度;Ka为消能部件附加给结构的有效刚度。
其中,ξs为原结构的刚度阻尼比;ξa为消能部件附加给结构的有效阻尼比,对于速度线性相关型的消能部件有:Wc=,对于位移相关型、速度非线性相关型和其他类型消能部件有:Wc=∑Aj。
其中,η2为阻尼调整系数,当小于0.55时,应取0.55;ξ为阻尼比。
消能减震结构的计算方法,与消能部件的类型、布置位置、数量及所提供的阻尼大小有关。一般情况下,大阻尼的阻尼矩阵不满足振型分解的正交性条件,需直接采用恢复力模型进行非线性静力分析或非线性时程分析,但若主体结构基本控制在弹性范围内时,可采用较为简单的线性计算方法估计,对于振型分解反应谱法,应采用振型阻尼比计算。
2.5 消能减震结构的使用范围
采用消能减震技术需要对建筑进行抗震设防分类,要弄清楚场地条件、抗震设防烈度、建筑的使用功能、结构选型及方案等情况,并结合安全和经济方面综合考虑。一般情况下,消能减震技术可用于钢结构、钢筋混凝土结构以及钢—混凝土组合结构等建筑,由于其可以减少结构的水平和竖向的地震作用,故使用范围较广,结构高度和类型均不受限制。
3 建筑减震措施
减震技术虽有许多种,但有些仍处于初步研究和设计阶段,不能直接用于实际建筑结构中,除过上面论述的在建筑结构中采用隔震和消能减震措施外,还有两种较为常用的减震措施,这两种减震措施分别为:1)采用高延性构件:结构的延性大就意味着结构具有良好的变形和耗能能力,但设计的同时也应该注意满足承载能力的要求,一般在设计中常采用强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件以及强梁柱塑性铰的方法以提高结构的延性和安全性。2)提高结构本身阻尼:理论研究表明,结构对地震的反应随着阻尼比的增大和自振周期的加长而减少,结构的阻尼随着结构类型、材料、地基情况等的不同而不同,尤其对于高层建筑设计时应尽量选用阻尼较大的材料和结构,同时也可以设置一定的阻尼器。
4 建筑减震技术当前存在的问题
隔震与消能减震技术虽然在建筑结构中得到了广泛的应用,但也存在一些不足之处,比如:
1)目前,大多数隔震装置在水平地震力作用下减震效果较好,但竖向地震荷载作用下的减震效果不明显,由于竖向地震作用对大跨度、高耸和悬臂结构的建筑影响较大,故对于这一方面的减震性能还需要进一步的深入研究。2)研制和开发新型的隔震装置、阻尼器和消能减震元件,设计出高性能的减震装置。3)研制出一种既减震又便宜的减震装置,由于当结构采用隔震装置时会加大结构的造价,这是业主不想看到的,所以这对隔震结构在建筑中的大量应用带来了困扰。4)扩展隔震结构的使用范围,加强研究对于软弱地基、高层以及超高层结构如何使用隔震装置,以更好地实现安全、适用、耐久和经济的要求。
5 结语
在结构中采用隔震和消能减震技术,对地震作用的降低具有非常明显的效果,隔震与减震体系相比传统的抗震体系更为安全、适用、可靠,在使用了隔震和消能减震的体系中,可以使结构保持在弹性工作状态,因此结构的受力更加明确、合理,可利用线弹性理论对结构进行分析,消能减震技术与传统的抗震技术相比,地震反应可以减少40%~60%左右,可以明显节约工程造价和结构加固造价,一般情况下,结构越高、越柔、跨度越大,则消能减震效果越是明显,所以消能减震装置在超高层结构、高耸结构、大跨度结构以及桥梁等结构中研究应用必将成为新的趋势。
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消能减震技术应用综述 篇5
1 屈曲约束支撑的原理
屈曲支撑一般构成是由核芯单元、外约束单元和滑动机制组成的装置, 利用约束单元防止核芯单元在受压时产生屈曲, 从而保证核心单元在拉力和压力作用下都能耗散地震能量的减震装置, 其构成原理如图1所示。中间芯材又称受拉单元, 通常采用低屈服强度和延性较好的钢材, 一般情况下, 其截面可设计成“一”字型、“工”字型、“十”字型等。“一”字型板截面宽厚比取10~20, “十”字型截面宽厚比取5~10, 其它截面形式, 可按《建筑抗震设计规范》GB50011中同中心支撑的板件宽厚比的限值[3], 核心钢支撑截面宜采用“十”或“H”型, 钢板厚度宜为10~30mm。核芯钢支撑钢板与外围约束部分之间的间隙值不应小于核心钢支撑工作段截面边长的1/250, 一般情况下取1~2mm, 并宜采用无粘结材料隔离。当采用钢筋混凝土作为外约束单元时, 伸入钢筋混凝土部分的过渡段与外约束单元之间的间隙不宜小于5%的工作段长度, 并采用聚苯乙烯泡沫或海绵橡胶材料填充间隙。在外包约束段端部与支撑加强段端部斜面之间留不小于10mm的间距。核芯单元、外约束单元和滑动机制组成, 有防屈曲套管的约束, 芯材受压时不会发生整体屈曲, 所以中间的芯材在受拉和受压时都能达到屈服。由于芯材受压时因泊松效应而产生膨胀, 为加尼奥或消除芯材受力时将力传给套管, 在芯材与套管间设置一层无粘结材料或小小的空隙。通过支撑屈服耗能保护梁、柱构件不破坏, 减小了大震下的变形, 且因只发生支撑屈服, 震后易于更换。支撑刚度的强度完全发挥, 一般来说, 相同刚度下, 承载能力比普通支撑提高3~10倍。在地震作用或风的作用下, 支撑的内力在受拉和受压两种状态下往复变化, 当支撑由压屈状态逐渐变为受拉状态时, 支撑的内力以及刚度接近为零。屈曲约束支撑与普通支撑滞回性能对比如图2所示。
2 屈曲约束支撑分类与适用范围
建筑工程中常用的屈曲约束支撑有三大类[4], 第一类即一般作为耗能构件使用的耗能型屈曲约束支撑、第二类即为拉压屈服型软钢阻尼器使用的屈曲约束支撑型阻尼器、最后一类为承载型屈曲约束支撑承载构件使用的承载型屈曲约束支撑三种。耗能型屈曲约束支撑, 其工作原理是在小震或中震阶段处于弹性阶段的支撑, 利用其全部芯板自身承载力来提高支撑的设计承载力, 在大震作用下, 处于弹塑性阶段的支撑, 利用支撑内芯板的拉压屈服滞回来消耗能量的消能减震结构构件;屈曲约束支撑型阻尼器, 其工作性能目标是在小、中及大震阶段均处于塑性阶段的支撑, 与粘滞型的阻尼器相比是基于位移型的, 通过拉压屈服耗能的消能减震结构构件;承载型屈曲约束支撑承载构件使用, 其工作性能目标是在小震阶段支撑处于弹性状态, 在中震简单支撑不屈服, 在大震作用下支撑不屈服或塑性的支撑, 指通过引入屈曲约束机制来提高支撑构件的设计承载力, 保证支撑在屈服前不会发生失稳破坏, 从而充分发挥钢材强度[5]。
3 屈曲约束支撑设计
屈曲支撑的主要设计过程:
1) 根据结构整体计算结果及支撑承载力按照等效截面法选择合适的计算截面。以整体结构计算指标满足要求为前提, 根据要达到的设计既定目标调整支撑大小、反复试算, 确定合适的截面, 保证支撑在所设定的目标地震作用下起到保护结构主体和构件的目的。
2) 整体稳定分析, 约束钢套管刚度的选取。外围约束钢套管单元应具有足够的抗弯刚度是保证内部芯板单元受压屈服而不丧失结构稳定性的首要条件, 从而防止支撑的整体失稳。考虑支撑在实际使用状态中存在芯板单元与间接参与抵抗弯曲变形的外围钢套管约束单元之间存在轴向变形位移差, 工程实际工程中, 支撑整体失稳的临界荷载采用能量计算方法, 计算公式根据欧拉理论, 建立微分平衡方程为
根据内核单元微分平衡方程
将式 (3) 代入式 (2) , 整理后得到
式 (4) 为四阶常微分方程, 求出通解和特解, 支撑两端铰接, 边界位移为0, 弯矩为0, 求得屈曲约束支撑整体失稳极限荷载为式 (5) 所示。
式中, E1、E2分别为内芯板单元和外围钢套管约束单元的弹性模量;l1、l2分别为内芯板单元和外围钢套管约束单元的面积惯性矩;l为支撑长度。
内芯板单元的本质是芯材通过发生弹塑性变形截面屈服消耗能量, 于是, 内芯板单元在支撑整体失稳之前发生自身全截面屈服。考虑到支撑内芯板单元的抗弯刚度远小于外围钢套筒单元的抗弯刚度及芯板屈服后的刚度减退甚至消失的影响, 此时可不考虑内芯板单元自身刚度的作用, 表示整体失稳极限荷载与内核构件屈服荷载之间的关系
一般取1.5左右, 如果S<1, 随轴力的增大, 轴向变形增加, 支撑内芯抗压承载力达不到屈服强度就退出工作。
将支撑内芯单元全截面屈服的必要条件简化如下
式中:———约束单元的相对刚度;
Fy———内芯单元全截面屈服荷载, 且满足Fy=AFy。
3) 内芯单元自身的稳定
式 (1) 、 (2) 给出了支撑单元整体屈服时的边界方程, 此方程确保了支撑单元整体失稳的可能性, 当内芯接触材料的弹性模量E值过小时, 外围约束单元不能提供足够的弹性约束刚度限制内芯单元变形, 此时内芯单元在理论上将发生连续约束条件下失稳的可能, 即内芯单元在约束区内存在稳定问题。
(1) 对约束构件填充材料的要求
填充材料应满足内芯变形四阶微分方程要求
式中, 求解上式, 可得填充材料的弹性模量EC应满足
“一”字型截面弹性模量EC满足
“十”字型截面弹性模量EC满足
钢材的弹性模量Es约比其屈服强度fy高700倍左右, 而普通混凝土弹性模量EC仅是钢材弹性模量的, 所以采用混凝土作为约束构件的填充材料很容易满足要求。
(2) 对约束构件刚度的要求[6]
分析表明, 随着接触点的增多, 对约束单元的刚度进行逐步衰减, 采取保守简化设计, 将采用单点接触所需刚度进行分析。
外围约束单元对内芯的弹性支撑条件简化为弹簧常数为C1的弹簧
由平衡条件, 可得荷载P与外围约束单元接触点位移δ的关系式
在正常使用极限状态下, 若以控制点位移δ≤δ0为目标位移, 则钢套筒的刚度须满足[7]
(3) 端部接触剪力
接触点个数n对应于内芯屈服半波数为n, 而对于两端铰接的轴心压杆, 发生n个半波弹性屈曲的临界荷载为
根据内芯板单元的塑性特征Pn≤fyA1, 可得
式中, El为支撑材料抵抗弯曲变形的能力, 因内芯单元的贡献很小可不考虑其作用, 仅取E2l2。
(4) 核心板单元杆端支撑节点板承载力分析[8]
端板连接构造具有一定的复杂性, 根据实验研究并结合有限元分析发现, 如果节点板平面外刚度不足, 在支撑压力作用下, 节点板会发生屈曲, 将影响支撑系统的承载能力, 实际工程设计过程中常采用简化的设计方法, 即偏于保守地取长柱稳定性分析结果, 当分析结果高于由内芯板段的屈曲荷载换算得到的连接段应力时, 连接板就会获得较高承载及变形能力, 且考虑到连接板因制作及安装误差等产生的不利因素影响, 扭转屈曲应力
化简为, 考虑制作误差等初始缺陷, 取宽厚比
4 算例
4.1 工程概况
某住宅建筑总层数为9层, 各层层高均为2.90m, 室内外高度差为0.45m, 不计入屋顶构架和出屋面楼电梯间, 房屋高度26.55m, 建筑平面布局呈矩形, 建筑结构的安全等级为Ⅱ级, 设计使用年限为50年, 建筑抗震设防类别为标准设防类, 抗震设防烈度为8度, 设计地震基本加速度为0.3g, 设计地震分组为第三组, 场地类别为Ⅱ类, 设计特征周期小震为0.45s, 大震为0.50s, 阻尼比为小震0.05, 大震0.05, 标准层建筑平面图如图3所示。
4.2 设置屈曲约束支撑结构设计分析过程
在结构设计中, 支撑布置在能最大限度地发挥其耗能作用的平面位置, 并且不能影响建筑使用与效果, 为支撑结构发挥允许的最大承载功能的状态及结构达到使用功能极限状态, 支撑布置形式根据建筑柱距及层高一般可采用V形斜杆、人字形斜杆或单斜杆体系, 也可采用偏心支撑的布置形式, 当采用偏心支撑布置时候, 偏心支撑框架中的支撑斜杆可连接在梁与柱相交处, 分析结果应保证支撑先于框架梁屈服[5]。在本工程中, 经过对整体指标和支撑本身的验算, 定义了三种支撑截面, 支撑形式采用耗能型, 支撑布置方式中BRB1、BRB3均采用人字形, BRB2采用单斜杆形, 材料选用Q235。根据建筑功能及本工程特性, BRB屈曲支撑平面图如图4所示。模型建立先按一般结构建模方法完成、梁板柱的建模, 添加楼屋面恒活荷载, 梁上隔墙荷载, 按结构平面图中所示位置布置支撑, 并按常规结构设置结构分析参数, 模型输入完成后, 屈曲约束支撑需要在程序中将两端连接边界条件修改为铰接, 进行初步分析设计, 由于屈曲约束支撑不需要稳定性验算, 故只需满足承载力要求即可。
4.3 结构动力特性分析
由于支撑的布置, 解决了结构由扭转振型为第一振型的特性转化为平动振型为第一振型的特性, 支撑的设置避免了前期未设置支撑结构质心和刚心距离过大问题, 动力特性见表1。
4.4 地震作用下结构极限状态设计
多遇地震作用下结构分析结果表明, 布置屈曲约束支撑后, 结构各层梁、柱等主要受力构件的承载力均满足各极限状态受力要求, 各结构构件配筋减小, 消能减震效果明显, 达到抗震规范所给定的既定目标。因现行规范对采用消能技术的工程, 结构应在大震下, 进行罕遇地震作用下正常使用极限状态验算, 为此采用弹塑性静力时程分析法进行计算, 计算结果见表2, 由表2可知设置屈曲约束支撑, 整体结构的性能得到大幅提高, 结构在设置屈曲约束支撑框架中在小震作用下层间位移角1/795远小于规范限值1/550, 在大震作用下层间位移角1/89远小于规范限值1/50, 支撑的设置有效减小了结构层间位移角, 结构变形得到了有效控制, 控制率均达45%以上, 且增大了结构抗扭能力。由此可见在设置约束支撑情况下可适当削弱混凝土框架, 节约钢材。
5结束语
本文先介绍防屈曲约束支撑的基本原理, 并对防屈曲约束支撑的简要设计过程中一些常用参数做一介绍, 通过简单算例介绍带支撑结构设计方法的同时分析了设置屈曲约束支撑结构较传统结构优越性。以供设计人员在相似工程方案比选与消能减震工程设计时参考。
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石油勘探中的消能减震 篇6
1 基础施工方面
实行首层现浇板会审制和技术交底制, 避免给排水、卫生器具在平面位置上与建筑相矛盾。首层现浇板浇筑前应检查排水立管位置与通风管道、窗、土建上层梁等是否矛盾及影响美感, 卫生器具位置是否与门、电气开关、插座相矛盾, 多媒体箱是否在门侧壁而影响日后装修, 开关的位置是否使用方便;给水管道是否与采暖、排水管道相互影响, 做到事前控制, 以满足使用方便美观可靠的原则。要根据设计确定的标高, 及时复核给排水、消防系统管道标高与现有场地标高是否符合要求深度, 以免对此不进行复核而造成给排水系统受阻。在基础独基、条基施工时应在钢筋绑扎时通知安装队伍进行接地装置施工, 复核接地装置正确无误, 避免造成诸如设有地下通风系统而土建图未标洞口, 造成浇筑砼后发现通风系统洞口未预留或位置不一致等被动局面。同时在现浇板中敷设电气线管应配合土建施工, 应在底层钢筋铺设、绑扎并垫置保护层后方能进行线管的敷设, 避免先敷设线管导致电气线管部位钢筋无保护层及削弱受力截面。在管线密集处应检查上部钢筋网的设置, 防止板裂缝, 同时确保线管之间留有一定的间隙, 确保砼的密实性。梁底部电气线管敷设不能破坏梁钢筋的位置, 若有影响, 安装电气线管应避开梁主筋敷设, 避免结构受力受到影响。总之, 无论是软钢阻尼器、粘滞阻尼器还是其他类型的阻尼器, 都是比主体结构慢一拍进行安装的。这些元件发挥作用是结构总体成型之后在完成状态之下。因此对于很多项目来说, 形象进度———回收资金个对资金链生死攸关的节点就大大和缓了:位于关键线路上的工作量减少了, 进度计划更容易实现了, 宽松的进度、合理的工期也更能保证质量。
2 节点施工方面
采用消能减震的原理进行结构设计, 采用专门的阻尼元件后, 层间位移和层间剪力都大幅度地减少下来, 这意味着比一味增加构件的承载能力的抗震设计更加容易施工, 比一味“死扛”的增加配筋率、增加截面尺寸和提高混凝土强度的方法具有更低廉的单价。大家都知道实物量越大的项目, 对单价越敏感, 因此简便易行的混凝土结构, 虽然单价降低有限但是考虑到庞大的基数后对控制造价还是有一定意义的。更重要的是:解决了有限的截面和巨大的内力之间的矛盾, 解决了某些建筑巨大的使用荷载、庞大的构件截面、庞大的构件质量、还有配筋计算上的矛盾。比如我所在企业所施工的某酒店, 结构转换梁的杆件配筋已经密集到了“梁上柱”插筋都无法安装的地步, 梁柱节点的混乱可想而知。这就要求检查电气线管的敷设对结构钢筋位置的影响以及土建施工人员对安装管的保护。框架梁板钢筋绑扎完, 监督施工方电气均压环施工, 施工时纠查电气施工人员对钢筋随意焊接行为, 保证结构受力钢筋质量。土建、安装设计变更应同步进行, 避免土建 (安装) 工程变更而设计变更未体现安装 (土建) 变更内容, 应考虑变更相互之间的影响, 避免出现工程事故。
3 质量方面
目前消能减震的建筑应用不算广泛, 剪力墙结构还是主流, 这里有造价的原因。但是在推广之后, 采购数量增加、形成规模效益, 阻尼元件的采购价格是可以降低的。加之前面也提到了“死扛”型的抗震建筑, 在设防烈度提高的情况下, 兼顾使用荷载, 其造价也不低, 如果采用消能减震设计降低了混凝土结构的单价, 则可以抵消相当一部分的设备采购价格。很多即有建筑物修缮、改造、提高抗震等级等案例中, 更是体现了消能减震建筑的经济优势, 怎么改建都比拆除重建来得经济且快捷。但由越来越不可靠的工人队伍去掌握, 还不如让相对稳定的专业工厂去掌握。产品在安装前的检测, 也远比结构成型后的检测来得简便。毕竟建筑产品特别是湿作业的产品, 其状态的“可检测”意味着“已成型”。阻尼元件则可以在交货状态就进行检测, 决定是否接受。采用阻尼元件后质量控制由“离散”转向“收敛”。
4 社会效益方面
建筑施工企业出了向社会提供合格的建筑产品外, 还有一个社会责任就是提供初级的就业机会。或许会有这样的疑问, 采用大量工厂加工的阻尼元件后, 大量的产值从施工单位转移到了工厂, 是否影响了施工企业的效益?混凝土湿作业工作量的减少, 是否剥夺了很多传统工种的就业机会?我认为这方面应保持积极的态度去考虑。目前施工单位靠自营产值, 起利润空间本来就不高, 生存状态也不好, 保持自营产值的比例不是提高利润空间的合理途径。另一方面, 工厂本身也是吸纳劳动力的细胞, 工厂提供产品、安装服务也是纳入总包管理范畴的, 因此不能把工厂和施工企业在利益分配上对立起来看待。施工总承包企业不同于土建企业, 应该在技术研发、实验室成果等方面有所投入, 采用技术含量更高、更精密的消能减震元件, 将吸引和鼓励现有的传统总包企业参与到产品的研发、生产、检测、安装、甚至是理论研究之中, 高的技术含量带来高的附加值, 进而提高利润空间, 这也是符合价值规律的。
消能减震技术应用综述 篇7
近年来, 随着建筑技术的提高以及人们对建筑结构性能和美观性的双重需求, 钢结构特别是大跨网壳结构被广泛应用于建筑结构中。网壳结构跨度大、质量轻、造型美观的优点使其在建筑结构中的地位越来越重要, 与此同时, 网壳结构的减震问题也受到了越来越多的关注。在钢结构减震中, 支座减震是极其重要的一种技术, 所谓支座减震技术, 就是通过在上部结构与下部支撑结构与基础之间设置减震支座, 减小能量向上部的传输[1]。目前, 主要的减震支座有类弹簧式隔震支座 (橡胶隔震支座) 、滑动式隔震支座以及混合式隔震支座[2]。橡胶支座由交替放置的橡胶片和薄钢板构成, 既可以承受较大的竖向荷载, 又可以增大结构的震动周期, 达到很好的减震效果[3]。摩擦摆隔震支座工作时通过水平方向上的滑动使上部结构做单摆运动, 同时支座提供的恢复力使支座能依靠其承托的重力往中心位置回复, 使地震响应得到控制[2]。以上两种支座经过长期的发展和改进已经广泛应用于工程中, 是比较成熟的减震支座。但其成熟性在一定程度上使其结构趋于固定, 在短时间内较难取得进一步的发展。本文提出一种新的减震支座设计理念和方案, 从新的角度进行减震支座的研究。
2 液压减震支座简介
液压减震支座 (图1) 由以下几部分组成: (1) 活塞, (2) 圆柱形油槽, (3) 液压缓冲装置, (4) 钢管, (5) 漏斗状阀门。两侧的活塞与油槽通过八个高强度且具有支撑作用的弹簧相连, 在没有荷载的情况下活塞顶盖位于距油槽最远的位置处。油槽内壁有卡槽用以固定活塞, 防止其发生相对扭转。油槽与外侧的液压缓冲装置通过一个小孔直接相连。液压缓冲装置由靠近油槽主体一侧的钢制管和外侧的高弹性橡胶管, 二者通过两个漏斗形的阀门相连。在没有荷载的情况下, 油槽与外部液压缓冲装置均充满着等压的硅油。
3 工作原理
初始状态下, 两活塞之间距离最远, 油槽与液压缓冲装置内的液压最小, 且相等。当存在轴向挤压荷载的时候, 两端活塞会向中间移动, 使得油槽内部液压升高。由于在液压缓冲装置内存在进油阀和出油阀阻碍了内测钢管和外侧弹性橡胶管的连通, 使得出油阀的小钢珠被顶开, 硅油从内测流入外侧, 这样通过外部橡胶管的膨胀作用, 使得液压达到平衡状态。而当撤去外部轴向荷载时, 油槽内油压降低, 这种情况下产生的内低外高的油压差, 使得出油阀闭合, 进油阀打开, 油液回流, 再次回到油压平衡的状态。
当支座处于一种振动荷载的作用下时, 外部的支撑弹簧会与内部的油体相互配合, 使得振动产生的能量转化为液体的动能, 外部弹簧的应变能, 弹簧的弹性势能以及内能, 从而减少构件收到的损害。
4 技术关键
4.1支撑弹簧的强度。
只有当弹簧强度处于一个合适的值时, 支座才能正常使用。当弹簧强度过高时, 活塞的动作强度有限, 这样会使得支座的消能减震效果主要由弹簧来承担, 降低了支座的整体利用率。而如果支撑弹簧的强度过低, 则会导致弹簧长期处于受压状态, 时间久了, 会造成弹簧自身的疲劳, 同时, 弹簧强度低也会导致油槽内部长期处于高压状态, 两侧的缓压橡胶管也会一直处于膨胀状态, 这会减少支座的使用寿命。综上, 在确定支撑弹簧的强度的时候, 应当先对支座所处的荷载环境进行统计分析, 取荷载的平均值, 支撑弹簧在平均荷载的作用下游1/3的缩短量时, 较为合适。
4.2 出油阀和进油阀
出油阀与进油阀的设计直接体现支座对于压差的敏感性, 而对于液压差的敏感程度则反映了液压粘滞缓冲的使用效率, 设计内容包括钢珠的大小, 漏斗型管的直径以及固定钢珠的的钢珠弹簧的弹性模量。设计的目的则是为了保证在振动荷载的作用下出油阀和进油阀不能同时打开, 所以荷载的振动频率和幅度都会对设计造成影响。如果阀门对于液压过于敏感, 则在一个施压过程中, 出油阀们会被打开, 当载荷突然变小油压突然降低时, 进油阀会被打开, 出油阀门不能及时关上, 这会减少消能缓冲的效率。
4.3 外侧橡胶管
外侧橡胶管在支座工作时通过自身的膨胀对荷载导致的过高油压进行平衡, 起缓冲器的作用。对于橡胶管的设计, 要保证其能够在最大和最小容油量的情况下正常工作, 其次, 在实际使用中, 要保证在支座受平均载荷的情况下橡胶管的应变能为0, 这样能够提高其使用效率和使用寿命。
5 结论
相对于一般的缓冲器阻尼器, 本文所介绍的支座运用了弹簧和粘滞液体两种缓冲原理。弹簧主要用以缓冲冲击, 液压装置可以有效地吸收震动中的能量, 通过弹簧和粘滞液体的双重作用改变上部结构的动力特性。所以在整体上的消能减震效果要优于普通的消能减震装置, 适用于小型的建筑中, 且构件以承受竖向荷载为主, 比如建筑顶部的结构框架中。
参考文献
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