建筑消能減震-阻尼器

1、一、消能減震結構的發(fā)展與應用： 利用阻尼器來消能減震并不是什么新技術，在航天航空、軍工槍炮等行業(yè)中早已得到應用。從20世紀70年代后，人們開始逐步地把這些技術專用到建筑、橋梁、鐵路等工程中。 在美國，20世紀80年代開始，美國東西兩個地震研究中心等單位做了大量試驗研究，發(fā)表了幾十篇有關論文。90年代美國科學基金會和土木工程協(xié)會組織了兩次大型聯(lián)合，給出了權威性的試驗報告，供工程師參考。 在我國，1997年，沈陽市政府大樓的抗震加固中首次采用了摩擦耗能裝置，其后北京飯店、北京火車站和北京展覽館等多座建筑中應用消能減震技術。 在日本，目前已有超過100多棟的建筑物采用消能減震技術。 現(xiàn)代高層建筑日益

2、增多，結構受地震和風振影響十分明顯，減小結構所受的地震和風振反應，成為結構設計的一個重要方面。消能減震阻尼器，通過增加結構阻尼，耗散結構的振動能量來達到減小結構所受振動。（1） “阻尼”是指任何振動系統(tǒng)在振動中，由于外界作用或系統(tǒng)本身固有的原因引起的振動幅度逐漸下降的特性，以此一特性的量化表征。（2）高層建筑混凝土結構技術規(guī)程JGJ3-2010中：2.1.1 高層建筑：10層及10層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24米的其他高層民用建筑。（3）民用建筑設計通則GB50352-2005中：3.1.2建筑高度大于1OOm的民用建筑為超高層建筑。二、阻尼器耗能減震原理：耗能減震的原

3、理可以從能量的角度來描述。傳統(tǒng)結構：Ei =Er+Ed+Es耗能結構：Ei =Er+Ed+Es+EaEi為地震時輸入結構的總能量；Er為結構在地震過程中存儲的動能和彈性應變能； Ed為結構本身阻尼消耗的能量；Es為結構產(chǎn)生彈塑性變形吸收的能量；Ea為耗能裝置消耗的能量； （其中Er為能量轉(zhuǎn)換，并不是能量的消耗。）（1） 傳統(tǒng)結構中： 構件在利用其自身彈塑性變形消耗地震能量的同時，構件本身將遭到損傷甚至破壞。 （2）在消能減震結構中： 耗能（阻尼）裝置在主體結構進入耗能狀態(tài)前率先進入耗能工作狀態(tài)，耗散大量輸入結構體系的地震、風振能量，則結構本身需消耗的能量很少，主體結構反應將大大減小，從而有效地

4、保護了主體結構，使其不再受到損傷或破壞。三、阻尼器的種類：阻尼器種類繁多，我國將其分為位移相關型和速度相關型。(1)位移相關型阻尼器的耗能與其自身變形和相對滑動位移有關，常用的有金屬阻尼器和摩擦阻尼器。(2)速度相關型阻尼器的阻尼特性與加載頻率有關，常用的有粘滯阻尼器和粘彈性阻尼器。（一） 金屬耗能阻尼器一種位移相關型阻尼器，主要用于減小地震響應。利用金屬不同形式的彈塑性滯回變形來消耗能量。目前已開發(fā)和利用的主要有：鋼棒阻尼器、鉛阻尼器、形狀記憶合金、軟鋼阻尼器等。（滯回特性指材料在受外界干擾產(chǎn)生變形時具有企圖恢復原有狀態(tài)的抗力的特性。）Ø 加勁阻尼（ADAS）裝置（軟鋼阻尼器）：加

5、勁阻尼（ADAS）裝置是由數(shù)塊互相平行的X形或三角形鋼板通過定位件組裝而成的耗能減震裝置。安裝在人字形支撐頂部，在地震作用下，框架層間相對變形引起裝置頂部相對于底部的水平運動，使鋼板產(chǎn)生彎曲，利用彈塑性滯回變形耗散地震能量。具有長期可靠并不受環(huán)境與溫度影響的特點。如圖所示（二）摩擦耗能阻尼器：摩擦耗能器是一種位移阻尼器，主要用于減小地震響應。通過構件相對位移時產(chǎn)生摩擦做功而耗散能量。目前已有多種不同構造的摩擦耗能器，如Pall型摩擦耗能器、摩擦筒制震器等。Ø Pall型摩擦耗能裝置加拿大學者A.S.Pall發(fā)明。該裝置為一正方形連桿機構，與x形支撐相連。一種可滑動而改變形狀的機構。而

6、摩擦力取決于板間的擠壓力，擠壓力可以通過松緊板上的高強螺栓來調(diào)節(jié)。（摩擦節(jié)點板） 該裝置按正常使用荷載及小震作用下不發(fā)生滑動，而在強烈地震作用下，在主體構件尚未發(fā)生屈服現(xiàn)象前，（彈塑性形變分界點）裝置即產(chǎn)生滑移以摩擦功耗散地震能量，達到消能減震目的。（三）粘彈性阻尼器(VED)粘彈性阻尼器是一種速度相關型耗能裝置，既可用于減小風振也可減小地震作用。1 材料：粘彈性材料又稱粘彈性阻尼材料，是一種高分子聚合物，性狀介于有粘性液體和彈性體之間體，具有儲備能量和耗散能量的特性。2 構造和性能構造：(1)自由阻尼層：是在需要減震的結構構件表面直接粘貼或者噴涂粘彈性材料，這樣既能減震又能降噪，同時還具有裝

7、飾效果。原理：將一層一定厚度的粘彈阻尼材料粘貼或噴涂于基板表面上，當基板產(chǎn)生彎曲振動時，阻尼層隨基層一起振動，在阻尼層內(nèi)部產(chǎn)生拉壓變形而耗能，從而起到減震降噪的作用。(2)約束阻尼層：是上一種形式的延伸。 由約束鋼板和粘彈性材料組成，約束鋼板由兩塊T型和一塊矩形的鋼板及粘彈性材料夾層構造而成。粘彈性材料與鋼板的結合表面的處理方法也隨著材料成分和特性的不同而采取各種方法。其基本形式如圖：原理：粘彈性材料隨約束鋼板往復運動，通過粘彈性阻尼材料的剪切變形來耗散能量。性能：采用粘彈性阻尼器可以有效地減小結構的位移反應和加速度反應，同未加阻尼器結構相比，結構的一般位移反應可以減小5080，加速度反應可減

8、小3060。作為阻尼耗能材料的粘彈性材料，其受到溫度、頻率等多種因素的影響。（1）隨著環(huán)境溫度的增加，粘彈性材料的耗能能力會降低。（2）在地震這種短時間作用下，溫度對粘彈性阻尼器中材料的 性能并沒有明顯減弱。（3）隨著外振力頻率的增加，粘彈性材料的耗能能力會降低。3 安裝方式 (1)小八字撐的安裝方式造成粘彈性阻尼器的剪切變形較小，影響粘 彈性阻尼器充分耗能，但這種支撐對建筑功能的影響小，因其所 占空間小，布置位置靈活。 (2)單向斜撐需安裝在房間隔斷、隔墻處，不影響建筑的使用，這 種支撐形式中粘彈性材料的剪切變形較大，消能減震能力較強。 (3)大八字撐同樣能夠使粘彈性阻尼器產(chǎn)生較大的剪切變形

9、，故消能 減震能力較強，對建筑使用功能的影響也不像單向斜撐那樣大。 (4)人字型撐的安裝也要充分考慮建筑的使用功能，因為這種形式會 占用較大的建筑空間，其安裝的粘彈性阻尼器的剪切變形由建筑 結構的層間位移轉(zhuǎn)化而來，（上、下層側向位移之差 ）缺點是安裝復雜，但消能能力強。(5)交叉對角撐適用于廠房結構，可以在廠房的柱間設置安裝粘彈性 阻尼器的消能支撐，這種支撐的消能減震能力也比較優(yōu)良。4 實際工程中的應用：(1)1969年，紐約世界貿(mào)易中心雙塔的每個塔中安裝了10000個粘彈性 阻尼器，從第10層到第100層均勻分布于結構中，用于抵抗風載；(2) 1982年，美國西雅圖哥倫比亞中心大樓安裝了26

10、0個粘彈性阻尼器。用于抵抗風載；(3) 1993年，位于美國加州圣荷塞的13層Sallta Clara市政大樓采用粘彈性阻尼器進行抗震改造，是粘彈性阻尼器的首次抗震應用。(4) 1998年，中國首都規(guī)劃大廈采用粘彈性阻尼器，減少地震和風振反應，效果顯著。（補充：西雅圖哥倫比亞中心大廈起初是因為在風振的影響下，頂部幾層有明顯的不舒適感，安上粘彈性阻尼器后，不再有不舒適感，效果良好。若采用加大側向剛度的方法來獲得同樣的效果，需要把現(xiàn)有的柱尺寸擴大一倍，價值約800萬美元，而采用粘彈性阻尼器所用的試驗及材料、安裝費用僅7O萬美元。由此可見，采用粘彈性阻尼器減小建筑的風振或地震影響在經(jīng)濟上是相當可觀的

11、。）（四）粘滯耗能阻尼器： 是一種速度相關型阻尼器，消耗地震或者風振能量。在我國，越來越多的橋梁、高層建筑、體育場館中也應用了液體粘滯阻尼器。 Ø 圓柱筒式液體粘滯阻尼器：1發(fā)展與原理：早期的液體粘滯阻尼器像一個長方形的容器，如下圖，其中充滿油料，由活塞桿帶動一組平板，與固定在另一端的平板之間產(chǎn)生剪切運動，由于油的粘性產(chǎn)生阻力，起到阻尼器的作用。但由于油腔體積相對較大，油料可運動空間較大，導致這種阻尼器的效率很低，而且受溫度影響也較大。19 世紀中期，法國的一家軍火公司首先采用節(jié)流孔來控制流體運動的阻力。后來，經(jīng)過各國競相發(fā)展和改進，形成一種體積比較小、能提供很大阻尼力、受溫度影響也

12、很小的油阻尼器，一直應用到現(xiàn)在。活塞桿的設計，要求能夠承受運動過程中的任何載荷，不允許變形，多采用不銹鋼。與活塞缸緊密結合的活塞頭把阻尼器分成2個液腔，活塞頭上的小孔，可讓2個腔體中的硅油，在一定的活塞壓力下可以按設計要求來回流動。硅油通過狹小的阻尼孔時，硅油的粘性產(chǎn)生摩擦力，阻尼器吸收的地震、風振能量通過硅油的運動與摩擦阻力，轉(zhuǎn)換為熱能耗散。Ø 實際工程中的應用北京盤古大觀(Pangu Plaza)1)阻尼器布置盤古大觀為45層，191m高層鋼結構。將阻尼器均勻設置在層間位移較大的2439層，共計100個粘滯液體阻尼器和8個粘彈性液體阻尼器。2)阻尼器減震效果分析經(jīng)計算，加設阻尼器

13、后結構向?qū)娱g位移角減小效果見下表。 （層間位移角：樓層層間最大位移與此層高之比）3)經(jīng)濟性評價對于盤古大觀的直接建設費用，分別采取傳統(tǒng)方案與阻尼器方案對比，結果顯示，在相同結構反應中，阻尼器方案結構反應低，價格卻最省(如下表)。Ø 粘滯阻尼墻：是由日本學者M.Miyazaki等在1986年提出，于20世紀80年代在日本得到應用。一種箱式的粘滯阻尼器，有時也起到隔墻作用。1986年，日本學者M.Miyazaki等對一個安裝有粘滯阻尼墻的5層鋼框架結構縮尺模型進行實驗研究，模型結構總重為1t。實驗表明，當結構沒有設置結構阻尼墻時，模型的阻尼比為0.02，結構基本周期0.367s。當安裝粘

14、滯阻尼墻后，模型的阻尼比為0.32，結構基本周期為0.286s。（阻尼比：在土木、機械、航天等領域是結構動力學的一個重要概念，指阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比，表達結構體標準化的阻尼大小。 臨界阻尼系數(shù)：任何一個振動系統(tǒng)，當阻尼增加到一定程度時，物體的運動是非周期性的，物體振動連一次都不能完成，只是慢慢地回到平衡位置就停止了。當阻力使振動物體剛好能不作周期性振動而又能最快地回到平衡位置的情況，稱為“臨界阻尼”。結構基本周期：結構基本周期是指結構按基本振型完成一次自由振動所需的時間。）原理：如下圖所示，在粘滯型阻尼墻系統(tǒng)中的活塞，表現(xiàn)為一內(nèi)鋼板，且該鋼板只能在平面內(nèi)運動，由外鋼板組成的容器內(nèi)裝有粘滯

15、液體。在結構中，內(nèi)鋼板（活塞部分）固定于上層樓板。其外鋼板（容器部分）固定于下層樓板。地震作用下，樓層產(chǎn)生層間位移，從而使得粘滯阻尼墻內(nèi)的粘滯液體被剪切，地震輸入的能量被耗散。補充：（五）質(zhì)量阻尼器：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)（TMD）安裝連接在結構上，由固體質(zhì)量、減震器和阻尼器組成。將TMD系統(tǒng)的自身振動頻率調(diào)整到結構振動的振動頻率頻率附近，當外力（地震、風振）使得結構物的振動被激發(fā)時，阻尼器會產(chǎn)生與結構反向共振的振動，此時作用在主結構上的能量會轉(zhuǎn)移到調(diào)質(zhì)阻尼器上，進而消散。Ø 臺北101大樓調(diào)質(zhì)量阻尼器構造臺北101大樓調(diào)質(zhì)阻尼器懸吊于8792層之間。這個類似單擺的調(diào)質(zhì)阻尼器，質(zhì)量固體為其直徑約為5.5m的鋼球體。整個球體由90mm直徑的高強度鋼索