耗能減震結構設計與應用

耗能減震結構設計與應用1精選ppt1.1耗能減震的概念1

耗能減震的概念與原理1.1耗能減震的概念2精選ppt附加阻尼增加01234560.080.060.040.020.00

T(s)阻尼比0.05阻尼比0.10阻尼比0.15剛度剛度1.2

耗能減震的原理

0.12

0.10

隔震結構

傳統(tǒng)結構3精選ppt2月27日14時34分在智利〔南緯35.8度，西經72.7度〕發(fā)生8.8級地震，震源深度33公里。地震位于智利比奧比奧大區(qū)，距離康塞普西翁〔Concepción〕100公里，距離特木科〔Temuco〕110公里,距離該國首都圣地亞哥320公里。震源位于地下55公里。根據(jù)智利官方報道，截止2021年4月7日，在此次大地震中，死亡486人、失蹤79人、海嘯致使80萬人受傷或無家可歸，總損失達300億美元。災區(qū)道路阻斷、缺水短電，有報道稱震中附近的兩個城市損失沉重。地震還使200萬人受到影響，150萬棟房屋被毀，6個地區(qū)進入災難緊急狀態(tài)。2耗能減震建筑的地震考驗4精選ppt一幢帶消能減震鋼支撐超高層建筑一幢設有金屬球顆粒阻尼器高層建筑這也是近年來鮮有的經歷大地震考驗的消能減震高層及超高層結構工程實例。5精選ppt6精選ppt7精選ppt3消能減震裝置的類型與性能8精選ppt圖2.1-1

典型粘滯耗能器示意圖3.1粘滯阻尼器9精選ppt粘滯耗能器是根據(jù)流體運動，特別是當

流體通過節(jié)流孔時能產生粘滯阻力的

原理而制成的，是一種無剛度、速度

相關型的耗能器。常見的粘滯耗能器主要有：

缸式粘滯流體耗能器

粘滯阻尼墻

圓筒式粘滯耗能器10精選ppt3.2

粘彈性阻尼器11精選ppt

金屬耗能器根據(jù)金屬材料的不同可分為鋼耗能器、鉛耗能器和形狀記憶合金耗能器。鋼耗能器又包括軟鋼制成的耗能器和低屈服點鋼制成的耗能器。3.3

鋼阻尼器12精選ppt〔a〕X形加勁耗能器〔c〕開孔式加勁耗能器〔b〕三角形耗能器 圖2.3-1加勁耗能器3.3.1軟鋼耗能器

由于軟鋼在進入塑性范圍后具有良好的滯回特性，因此被用來制造各種類型的耗能減震裝置。13精選ppt不銹鋼板蝶形墊片墊片外板

剎車片中板

摩擦面外板 3.4摩擦耗能器開展始于20世紀70年代末?？梢苑譃?種類型： 摩擦耗能節(jié)點；板式摩擦耗能器；筒式摩擦耗能器；復合型摩擦耗能器。 板式墊片14精選ppt〔1〕板式摩擦耗能器15精選ppt〔2〕鋼管摩擦耗能器16精選ppt3.5防屈曲耗能支撐17精選pptFF

BucklingConventional

Brace

No

Buckling

(

Yielding

)Buckling

Restrained

BracePP

TensionCompressionTensionCompression18精選ppt(Buckling

Restrained

Part)Unbonding

MaterialsCore

Steel

Member

Steel

TubeConcrete

(Mortar)

Tab

Plate

BucklingRestrained

Brace19精選ppt1．在同一種耗能機制下，可利用多個耗能元件協(xié)同工作共同耗能；2．在同一種耗能〔阻尼〕減震器中，綜合利用不同的耗能機制共同耗能；即耗能〔阻尼〕減震器同時利用兩種或兩種以上的耗能方式耗能；3．耗能〔阻尼〕減震器應具有多道耗能減震防線〔或多級耗能元件〕；4．具有良好的變形跟蹤能力，其承載和耗能能力具有隨變形增大變化的自適應能力。3.6

復合型耗能器20精選ppt分類

摩擦阻尼器摩擦耗能位移相關粘滯流體

粘滯流體

阻尼器

速度相關

粘彈性

粘彈材料

阻尼器

速度相關

軟鋼

金屬屈服

阻尼器

位移相關

防屈曲

桿件屈曲耗能支撐

位移相關工作原理

技術水平☆☆☆☆☆☆

☆☆☆

☆☆☆☆

☆☆☆☆需關注的問題

自恢復能力差耐久性差，僅地震超高壓試驗

溫度影響

僅地震

僅地震高聳結構大跨結構

多/高層

結構復雜結構橋梁結構應用范圍

應用程度☆☆☆☆

☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆開展方向

新型高性能

阻尼器研發(fā)

結構減振

新方案/新體系

設計/分析(性能指標量化)

標準/規(guī)程完善推廣應用21精選ppt4、消能減震結構設計內容與步驟

消能減震結

構設計內容

消能裝置選擇消能裝置布置位置消能裝置布置數(shù)量子框架設計22精選ppt設計地震設計要求滿足結構特性 選擇適宜的消能器位置計算消能器的剛度和阻尼 消能減震結構的分析 足夠的阻尼比結束否是否無消能器結構的分析和設計

確定結構所需的阻尼比

或設計流程23精選ppt4.1

消能減震結構的概念設計24精選ppt3.8.1

隔震與消能減震設計，可用于抗震平安性、使用功能有較高要求或專門要求的建筑?！菊f明】2021年局部修訂改為非強制性要求。本次修 訂，將使用功能“特殊〞要求改為“較高或專門〞 要求，并明確用于抗震平安性較高要求的建筑，不 限于2001版的8、9度設防地區(qū)。4.1.1

適用范圍和設防目標25精選ppt12.1.4

消能減震設計可用于鋼、鋼筋混凝土、鋼-混凝土混合等結構類型的房屋。消能部件應對結構提供足夠的附加阻尼，尚 應根據(jù)其結構類型分別符合本標準相應章 節(jié)的設計要求。有減震需求，有相對位移或相對速度的一切結構。26精選ppt3.8.2

采用隔震或消能減震設計的建筑，當遭遇到本地區(qū)的多遇地震影響、抗震設防烈度地震影響和罕遇地震影響時，可按高于本標準1.0.1條的根本設防目標進行設計?！菊f明】本次修訂，1.0.1條將設防目標分為根本目標 和專門目標兩種情況，本條文字相應調整。當結構 采用隔震和消能減震設計方案，具有可能滿足提高 抗震性能要求的優(yōu)勢，故推薦其按較高的設防目標 進行27精選ppt12.1.6

建筑結構的隔震設計和消能減震設計，尚應符合相關專門標準的規(guī)定；也可按抗震性能目標的要求進行性能化設計?！菊f明】本條與2001

版的規(guī)定相比，明確提

醒可采用隔震、消能減震技術進行結構的

抗震性能化設計。隔震與消能減震技術是實現(xiàn)性能化設計的有效方法28精選ppt12.1.2

建筑結構隔震設計和消能減震設計確定設計方案時，除應符合本標準第3.5.1

條的規(guī)定外，尚應與采用抗震設計的方案進行比照分析?！?.5.1結構體系應根據(jù)建筑的抗震設防類別、抗震設防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結構材料和施工等因素，經技術、經濟和使用條件綜合比較確定?！?9精選ppt消能減震結構設計是結構抗震設計的手段方法之一！消能減震設計是實現(xiàn)結構“小震不壞、中震可修、大震不倒〞的有效、可靠、經濟的方法！消能減震設計是實現(xiàn)結構性能化抗震設計的最為直接、最有效的手段和方法！30精選ppt1〕耗能減震結構應選擇I、II類場地，且宜選 擇對抗震有利的地段，避開不利地段；當無 法避開時，應采取有效措施；4.1.2耗能減震結構場地31精選ppt4.1.3 耗能減震結構體系2〕耗能減震結構的平面、立面布置，主體結構、支撐結構材料和施工應滿足國家?建筑抗震設計標準?〔GB2021-5001〕的要求；32精選ppt

12.3.8

當消能減震結構的抗震性能明顯提高時，主體結構的抗震構造要求可適當降低。降低程度可根據(jù)消能減震結構地震影響系數(shù)與不設置消能減震裝置結構的地震影響系數(shù)之比確定，最大降低程度應控制在1

度以內。本條是新增的。當消能減震的地震影響系數(shù)不到非消能減震的50%時，可降低一度。33精選ppt不要被裝飾蒙蔽了雙眼！4.1.4消能器的選擇、數(shù)量確定及布置原那么34精選ppt消能部件布置均勻 布置 防止薄弱層位移和速度最大位置4.1.4.2消能器的布置原那么 動力特性相近35精選ppt

d

Wcj/4

Ws消能器

數(shù)量附加阻尼比計

算原結構

設計減震結構分析

原結構

分析期望阻

尼比阻尼比法

nj

14.1.4.3

消能減震裝置數(shù)量確定

期望36精選ppt37精選ppt4.2

消能減震結構分析方法消能減震結構的分析方法取決于：〔1〕主體結構和消能器在地震作用下所處的狀態(tài)；〔2〕消能器的類型：位移相關型還是速度相關型。4.2.1

消能減震結構分析選擇38精選pptX非線性結構/非線性耗能器非線性結構/線性耗能器線性結構/非線性耗能器

線性結構/線性耗能器圖

耗能減震結構分析的四種情況39精選ppt主體結構消能器分析方法彈塑性彈塑性

線

性

線

性非線性

線

性非線性

線

性靜力彈塑性

分析方法靜力彈塑性

分析方法振型分解反

應譜法振型分解反

應譜法彈塑性時程

分析方法彈塑性時程

分析方法彈塑性時程

分析方法

彈性時程

分析方法40精選ppt

4.1.3在彈性時程分析和彈塑性時程分析中，消能減震結構的恢復力模型應包括結構恢復力模型和消能部件的恢復力模型。4.1.6消能減震結構采用彈塑性時程法分析法計算時，根據(jù)主體結構構件彈塑性參數(shù)和消能部件的參數(shù)確定消能減震結構非線性分析模型，相對于彈性分析模型可有所簡化，但二者在多遇地震下的線性分析結果應根本一致。

4.3

消能減震結構分析模型4.3.1

消能減震結構分析模型41精選ppt

4.1.7采用靜力彈塑性分析方法分析時應滿足以下要求： 1消能部件中消能器和支撐根據(jù)連接形式不同，可采用串聯(lián)模型或并聯(lián)模型，將消能器剛度和支撐的剛度進行等效，在計算中消能部件采用等剛度的連接桿代替。 2結構目標位移確實定應根據(jù)結構的不同性能來選擇，宜采用結構總高度的1.5％作為頂點位移的界限值。42精選ppt普通結構按離散方式來劃分模型，主要可分 為層間模型、桿系模型和有限元模型 〔FEM〕。

耗能減震結構體系那么是由主體結構和耗能支撐〔包括耗能器和支撐〕所組成，故其分析模型可采用與普通結構相同的分析模型，唯一的差異就是必須考慮耗能支撐對結構模型的影響。43精選ppt4.3.2

消能器的恢復力模型44精選ppt在分析模型中，與消能器連接的支撐必須真實模擬，不能假設支撐的剛度；不能改變消能器與支撐的連接方式。45精選ppt3.3.3

消能減震結構的總阻尼比應為結構阻

尼比和附加阻尼比的總和，結構阻尼比應

根據(jù)主體結構處于彈性或彈塑性工作狀態(tài)

分別確定。3.3.4

消能減震結構的總剛度應為結構剛度

和消能部件附加給結構的有效剛度之和。4.4

附加剛度和阻尼比計算46精選ppt 6.3.2消能部件附加給結構的實際有效剛度和有效阻尼比，可按以下方法確定：1位移相關型消能部件和非線性速度相關型消能部件附加給結構的有效剛度可采用等價線性化方法確定。2消能部件附加給結構的有效阻尼比可按下式計算：

n

j

147精選ppt1.根本思路利用振型分解的概念，將多自由度體系分解 成假設干個單自由度系統(tǒng)的組合，引用單自 由度體系的反響譜理論來計算各振型的地 震作用，然后再按一定的規(guī)律將各振型的 動力反響進行組合以獲得結構總的動力反 應。4.5

消能減震結構分析方法4.5.1基于等價線性化的振型分解反響譜法48精選ppt耗能減震結構：首先必須根據(jù)耗能減震結構體系非線性的特 點對其進行一些處理，然后才能使用振型 分解法進行分析。由于某些類型耗能器的 恢復力出現(xiàn)較強的非線性〔如軟鋼類耗能 器、摩擦耗能器〕，從而導致結構動力方 程的非線性，使其不能應用經典的振型分 解法求解，需要對耗能減震器非線性力進 行等價線性化處理。49精選ppt

X

C

X

K

X

F

M

X

g

M

X

C

X

K

X

M

X

g

=

C

=..

.

..

Ks

Ke

Cs

Ce

K

將耗能減震結構體系的非線性運動方程：

M

等效線性化后按振型分解法求解，運動方程可寫為：

..

.

..

50精選ppt

Csj

*

Cej

*

原結構的阻尼矩陣一般采用Rayleigh阻尼，通常是滿足正交條件的，即

耗能器附加給結構的阻尼矩陣通常不滿正交條件。但是簡化計算可作近似處理，忽略阻尼矩陣的非正交項，那么有：ii

ji

j

TCs

j

0ii

ji

j

TCe

j

051精選ppt

忽略非經典阻尼矩陣非正交項的結構反響誤差不超過10%，大多數(shù)情況下誤差不超過5%，即使振型阻尼比大于20%時仍能保持這樣的精度。52精選ppt53精選ppt 時程分析方法，亦稱直接動力法，是根據(jù)選定的地震波和結構恢復力特性曲線，通過線性加速度法、Wilson-法等逐步積分的方法對動力方程進行直接積分，從而求得結構在地震過程中每一瞬時的位移、速度和加速度反響。該方法能夠精確反映整個地震過程中，結構從彈性到彈塑性階段的內力變化，以及構件開裂、損壞直至結構倒塌破壞全過程。4.5.2時程分析法54精選ppt(a)

單自由度摩擦耗能結構體系(b)

恢復力模型的疊加(c)

疊加后結構的分析模型圖4.4-6

單自由度摩擦耗能結構體系及其分析模型55精選ppt5.4.3

靜力彈塑性(Push-over)分析方法靜力彈塑性〔Push-over〕分析方法，是指在結構上施加豎向荷載作用并保持不變，同時沿結構的側向施加某種分布形式的水平荷載或位移，隨著水平荷載或位移的逐級增加，按順序計算結構由彈性狀態(tài)進入彈塑狀態(tài)性的反響，并記錄在每級加載下開裂、屈服、塑性鉸形成以及各種結構構件的破壞行為，以此來發(fā)現(xiàn)結構薄弱環(huán)節(jié)及可能的破壞機制等，并根據(jù)不同性能水平的抗震需求〔如目標位移〕對結構抗震性能進行評估。56精選ppt

X

&&

X

&任何建筑結構在地震作用下的動力方程可表示為：

M

C

K

X

M

I

&&靜力彈塑性分析法是將輸入結構的特定地震波等效為一系列的靜力荷載，并逐級增大這個靜力荷載，此時每步等效靜力荷載下的動力方程為：

M

C

K

X

{Fe}X

&&

X

&

Xg57精選ppt

Push-over法的根本原理就是在結構的分析模型上以某種方式側向力，并使該側向力逐級單調增加，直至結構到達預定的狀態(tài)：形成機構、位移超限或到達目標位移，以此來分析結構或構件從彈性狀態(tài)進入彈塑性狀態(tài)的反響，判斷其變形能力是否滿足預定設計和使用功能的要求。4.5.3

Push-over法58精選ppt

整個Push-over分析包括選擇適宜的側向加載方式、等效單自由度體系的建立、荷載-位移曲線的建立以及結構抗震性能的評估。當結構進入彈塑性階段時，只能近似對其反響進行描述，在高階振型對結構的地震反響影響較大時，采用Push-over分析法得到的計算結果具有較大的誤差。因此，在選用Push-over法進行結構分析時，應滿足以下條件：結構剛度和質量沿高度分布均勻，地震反響以第一振型〔根本振型〕為主。59精選ppt能量法的概念最初是豪斯納〔HousnerG.W.〕 于1956年提出來的，并首次將能量的平衡關 系應用于簡單結構的抗震設計之中。4.5.4能量分析法60精選ppt

能量分析法的思想是在地震過程中輸入〔耗能減震〕結構體系的能量必須與結構體系內部能量的存儲、轉換和消能相平衡。 EinEvEcEkEh＋Ed61精選ppt

能量分析法的根本原理是保證地震過程中輸入結構的能量不超過結構所允許的耗能能力。 EinEd式中忽略了Ev、Ec、Ek、Eh等因素的影響、一方面簡化了計算，另一方面可作為結構的平安儲藏。62精選ppt4.6

消能減震結構設計步驟

期望阻尼比設計法 采用振型分解反響譜法、時程分析法和靜力彈塑性分析時所用的期望阻尼比循環(huán)設計方法就是以結構所需求的阻尼比作為首要的設計參數(shù)，通過對現(xiàn)有的設計方法進行較小的修正，再通過循環(huán)迭代計算分析，從而完成裝設耗能器結構的設計。63精選ppt設計地震設計要求滿足結構特性結束是否 無耗能器結構的分析和設計 確定結構所需的阻尼比 或 選擇適宜的耗能器位置 計算耗能器的剛度和阻尼 耗能減震結構的分析否 足夠的阻尼比圖5.2-1耗能減震結構的設計流程圖64精選ppt4.7

主體結構設計65精選ppt消能子框架示意圖子框架設計

重要構件考慮極限阻尼力

附加彎矩等消能支撐消能器4.7

消能子結構設計

消能部件子框架66精選ppt3.4.3

在消能器極限位移或極限速度對應的阻尼力作用下，與消能器連接的支撐、墻〔支墩〕應處于彈性工作狀態(tài)；消能部件與主體結構相連的預埋件、節(jié)點板等應處于彈性工作狀態(tài)，且不應出現(xiàn)滑移或拔出等破壞。4.9

連接與構造67精選ppt5消能器的檢測 確保結構平安：理想與現(xiàn)實 保護設計者： 促進生產商提高質量：3.2.3消能器的抽樣和檢測應符合以下規(guī)定： 1消能器的抽樣應由監(jiān)理單位根據(jù)設計文 件和本規(guī)程的有關規(guī)定進行。 2消能器的檢測應由具備資質的第三方進 行。68精選ppt5.6.1消能器的性能檢驗，應符合以下規(guī)定：1對黏滯消能器，抽檢數(shù)量不少于同一工程同一類型同一規(guī)格數(shù)量的20％，且不應少于2個，檢測合格率為100％，該批次產品可用于主體結構。檢測合格后，消能器假設無任何損傷、力學性能仍滿足正常使用要求時，可用于主體結構。69精選ppt2

對黏彈性消能器，抽檢數(shù)量不少于同一工程同一類型同一規(guī)格數(shù)量的3％，當同一類型同一規(guī)格的消能器數(shù)量較少時，可在同一類型消能器中抽檢總數(shù)量的3％，但不應少于2個，檢測合格率為100％，該批次產品可用于主體結構。檢測后的消能器不應用于主體結構。70精選ppt3

對摩擦消能器、金屬消能器和復合型消能器，抽檢數(shù)量不少于同一工程同一類型同一規(guī)格數(shù)量的3％，當同一類型同一規(guī)格的消能器數(shù)量較少時，可在同一類型消能器中抽檢總數(shù)量的3％，但不應少于2個，檢測合格率為100％，該批次產品可用于主體結構。檢測后的消能器不應用于主體結構。71精選ppt4

對屈曲約束支撐，抽檢數(shù)量不少于同一工程同一類型同一規(guī)格數(shù)量的3％，當同一類型同一規(guī)格的消能器數(shù)量較少時，可在同一類的屈曲約束支撐中抽檢總數(shù)量的3％，但不應少于2個，檢驗支撐的工作性能和拉壓反復荷載作用下的滯回性能，檢測合格率為100％，該批次產品可用于主體結構。檢測后的屈曲約束支撐不應用于主體結構。72精選ppt5.6.2產品檢測合格率未到達100%，應在同批次抽檢產品數(shù)量加倍抽檢；加倍抽檢的檢測合格率為100%，該批次產品可用于主體結構；加倍抽檢的檢測合格率仍未到達100%，該批次消能器不能在主體結構中使用。73精選ppt

8.18.28.38.48.58.68.7一般規(guī)定 消能部件進場驗收 消能部件的施工安裝順序 施工測量和消能部件的安裝、校正 消能部件安裝的焊接和緊固件連接 施工平安和施工質量驗收 消能部件的維護6消能部件的施工、驗收和維護74精選ppt加固施工開始標記鋼筋檢測準備工作到達現(xiàn)場驗證安裝支座〔連接件〕安裝阻尼支撐安裝阻尼器密封、油漆完成檢修結束準備工作安裝工作75精選ppt日本某耗能減震加固工程的施工全程(a)標記

(c)鉆孔((b)檢測鋼筋(d)打磨外表76精選ppt(e)到達現(xiàn)場

(g)預應力釘?shù)膹埩φ{整

(f)安裝阻尼支撐(h)密封、油漆77精選ppt(i)完成78精選ppt消能器檢查內容及維護〔目測檢查〕79精選ppt支撐目測檢查內容及維護80精選ppt7地震反響觀測系統(tǒng)的設置3.1.10抗震設防烈度為7、8、9度時，高度分別超過160m、120m、80m的大型公共消能減震結構，應按規(guī)定設置建筑結構的地震反響觀測系統(tǒng)，建筑設計應預留觀測儀器和線路的位置和空間。81精選ppt8

設計文件中應注明的問題3.1.4確定消能減震結構設計方案時，消能部件的 布置應符合以下規(guī)定： 3消能部件的設置，應便于檢查、維護和替換，設計文件中應注明消能器使用的環(huán)境、檢 查和維護要求。3.2.2應用于消能減震結構中的消能器應符合以下

規(guī)定：2

消能器的性能參數(shù)和數(shù)量應在設計文件中

注明82精選ppt

耗能器已經從作為結構附加保護系統(tǒng)的第二道防線開展成為結構構件的一局部，并取代傳統(tǒng)的結構抗震構件。耗能減震器可用于有抗震或抗風要求的一切結構，應用極為廣泛。一般來說，結構越高、越柔、跨度越大、變形越大，或抗震設防烈度越高，耗能減震效果越顯著。8

耗能器在工程中的應用83精選ppt