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1、各工作组要指定一名人员承担信息报送工作，负责搜集和整理本组及相关成员单位的各类信息，经组长审核把关后及时报综合组，每周至少报送一条工程进展信息，每季度报送工作总结。耗能方案 作者:szzyq 来源:本人 类别:结构设计、论文 日期:2002.03.07 今日/总浏览: 1/415 耗能减震技术的研究、应用与发展 一、结构振动控制的概念及分类 传统的抗震设计是通过增强结构本身的抗震性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，中震可修，大震不倒。而这种抗震方式缺乏自我调节能力，在不确定的地震作用下，很可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情
2、况下，结构构件的尺寸可能需做得很大，这样既给建筑布置带来一定的困难，在经济上又要增加相当多的投资。近年来，在土木工程领域新兴一种新型的抗震方式结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构共同承受地震作用，以调谐和减轻结构的地震反应。 结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。 被动控制无外加能源的控制，其控制力是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸能减震技术。 主动控制有外加能源的控制，其控制力是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。主动控制系统由传感器、运算器和施力作动器三部分组成。主动控制是将现代控制理
3、论和自动控制技术应用于结构抗震的高新技术。主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质量阻尼系统（AMD）等。主动控制研究较多的国家是美国、日本和中国，我国自80年代末期开始研究主动控制。目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验大楼和Kankyu Chayamechi大楼。 半主动控制有少量外加能源的控制，其控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数，从而起到调节控制力的作用。现有的半主动控制技术包括：半主动隔震装置、半主动TMD、半主动力触动器、半主动
4、变刚度装置和半主动变阻尼装置等。 混合控制在结构上同时应用被动控制和主动控制，或者是同时应用不止一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装置的长处，克服它们的弱点，以获得更好的控制效果。目前提出的混合控制方法主要有：同时采用AMD和TMD的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统以及主动控制和耗能减震相结合的混合控制系统。世界上第一个安装混合控制系统的建筑是位于日本东京的清水公司技术研究所。 在这四种控制技术中，主动控制的效果最好，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存在时滞问题，因此其应用程度少于其它三种控制技术；
5、被动控制造价低廉，减震效果良好，容易实现，目前发展最快，应用最广，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并得到了一定程度的推广应用；半主动控制介于主动控制和被动控制之间，其控制精确度较高，造价较主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔的应用和发展前景；混合控制综合了某几种控制方法的优点，因此其具有较好的控制效果，发展前景较为广阔。 二、被动控制的研究与应用 被动控制包括基础隔震技术、吸能减震技术和耗能减震技术。 基础隔震技术是指在建筑物或构筑物基底设置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输，使结构振动减轻，防止地震破坏。目前研究开发的基础隔震技术主要有：夹层橡胶垫隔震、摩擦滑移隔震、滚
6、珠及滚轴隔震、支撑式摆动隔震和混合隔震等。近年来，越来越多的国家开展了基础隔震技术的研究，因此，隔震技术也得到了飞速的发展。理论上较为成熟，并且也有相当多的实际应用。截止1999年12月份统计表明：日本94栋，美国21栋，中国46栋，意大利19栋，新西兰16栋，已采用了基础隔震技术。最近有些国家已制订了相应的隔震规范，我国即将出台的新规范就包含了基础隔震部分。 吸能减震技术是在主体结构中附加子结构，使结构的振动能量分散，即结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小主结构振动的目的。目前主要的吸能减震装置有：（1）调谐质量阻尼器（TMD）；（2）调谐液体阻尼器（TLD）；（3）质量
7、泵；（4）液压质量控制系统（HMS）；（5）空气阻尼器。其中，应用最多的是TMD和TLD，如1976年，美国波士顿60层的John Hancock大楼在58层上安装了两个重300吨的TMD，质量块在9米长的钢板上滑动，它很好地减小了大楼的风振反应，防止了玻璃幕墙的脱落。澳大利亚的悉尼电视塔，加拿大多伦多电视塔，日本的Chiba Port塔以及Funade桥的桥塔均安装了TMD，其减震效果均令人十分满意。日本的Yokohama海岸塔是一个高101米的钢塔架结构，为减小结构的风振反应，在结构上共设置了39个圆柱形的TLD，实例分析表明，安装了TLD后塔的阻尼比由0.6%增加到4.5%，在强风作用下
8、塔的加速度减小到原来的1/3，满足舒适度要求。除此之外，日本149.4米高的Yokohama王子饭店也在其顶部安装了TLD以控制其风振反应。 三、耗能减震技术的研究、应用与发展 耗能减震技术是把结构物中的某些构件（如支撑、剪力墙等）设计成耗能构件或在结构物的某些部位（节点或连接处）装设阻尼器。在风载和小震作用下，耗能构件和阻尼器处于弹性状态，结构体系具有足够的抗侧移刚度以满足正常的使用要求，在强烈地震作用时，耗能构件或阻尼器率先进入非弹性状态，从而保护主体结构在强震中免遭破坏。 目前研究开发的阻尼器种类较多，归纳起来主要有：(1) 金属阻尼器；(2) 摩擦阻尼器；(3) 粘滞阻尼器；(4) 粘
9、弹性阻尼器；(5) 复合型阻尼器。 1. 金属阻尼器 由于金属材料在弹塑性范围以后具有较好的滞回性能，因而被用来制造各种类型的耗能装置。常用的金属阻尼器有：软钢阻尼器、铅阻尼器和形状记忆金属阻尼器。 软钢阻尼器是充分利用软钢具有较好的屈服后性能，进入塑性阶段后具有良好的滞回特性。1972年Kelly首先进行金属阻尼器的研究和实验的；1991年Wittaker等人和1992年Tsai等人分别研究了X型软钢阻尼器（XADAS）和三角形软钢阻尼器（TADAS）的减震特性。目前这两种阻尼器是国内外研究较多的软钢阻尼器。由于软钢阻尼器具有滞回特性稳定，低疲劳性能好，对环境和温度的适应性强和长期性能稳定等
10、优点，因此引起了国内外学者的广泛关注，并已在一些建筑物上开始应用。例如，在意大利Naples的一幢29层的钢结构、美国San Francisco的一幢非延性钢筋混凝土结构和墨西哥的三幢钢筋混凝土结构上均安装了软钢阻尼器，其中美国和墨西哥的情况是为了对原有结构进行抗震加固。软钢阻尼器的缺点是：可恢复性差，其滞回耗能性能受其形状的影响较为显著，如形状制作不合适，会引起滞回环的畸变。 铅阻尼器是充分利用铅具有密度大、熔点低、塑性高、强度低、润滑能力强等特点，同时由于铅具有较高的延性和柔性，故在变形过程中可以吸收大量的能量，并且具有较强的变形跟踪能力，而且通过动态回复和再结晶过程，其组织和性能还可恢复
11、至变形前的状态，因此铅阻尼器具有以下优点：（1）使用寿命不受限制；（2）提供的阻尼力可靠；（3）对位移变化敏感；（4）构造简单，工作中不需维护。但它具有恢复性差和铅对环境造成污染等缺点。 形状记忆合金（SMA）是一种兼有感知和驱动功能的新型材料，它与传统材料的区别是具有高阻尼和大变形超弹性特性，能够重复屈服而不产生永久变形，因而具有很好的耗能能力。目前，主要的几种记忆合金为Ni-Ti合金、Cu基合金和Fe基合金等。90年代初，一些学者对形状记忆合金阻尼结构的地震反应进行了研究。Aiiken等在美国加利福尼亚大学地震工程研究中心对装有Ni-Ti拉力装置的3层钢结构模型进行了试验研究；美国国家地震
12、工程研究中心对装有铜锌铝记忆合金装置的5层钢结构模型进行了试验研究；Higashino等对利用镍钛合金丝制成的阻尼器的性能作了研究；Adachi等也对安装有形状记忆合金阻尼器的桥梁的减震进行了系统的研究。 2. 摩擦阻尼器 摩擦阻尼器的研究始于70年代末。目前，研究开发的摩擦阻尼器主要有：Pall摩擦阻尼器、Sunitome摩擦阻尼器、摩擦剪切铰阻尼器、滑移型长孔螺栓节点阻尼器。这些摩擦阻尼器都具有较好的库仑特性，摩擦耗能明显，可提供较大的附加阻尼。荷载大小和频率对其性能的影响不大，且构造简单，取材容易，造价低廉，因而具有很好的应用前景。摩擦阻尼器的缺点是两种材料在恒定的正压力作用下，保持长期
13、的静接触，会产生冷粘结或冷凝固，所期望的摩擦系数发生改变。在地震作用时，滑动面产生滑动而使摩擦装置产生退化，地震后会产生永久性偏位，需要进行维修和保护。目前国内外对摩擦阻尼器及装有摩擦阻尼器的结构体系的试验研究和分析较多，已建立了一套专用的设计方法并编制了专用的摩擦减震支撑框架分析程序（FDBFAP），用来分析和设计摩擦减震支撑框架。 加拿大的Montreal市的Concordia大学图书馆共使用了60个摩擦阻尼器；加拿大民航大楼共使用了58个摩擦阻尼器；日本Omiya市31层的Sonic办公大楼共安装了240个摩擦阻尼器；加拿大Sorel的一幢教学楼建于1967年，在1988年的Saguen
14、ay地震中受损，其抗侧能力和延性均不能满足规范要求，为此在支撑上安装了摩擦阻尼器对其进行加固，效果良好。 3. 粘滞阻尼器 粘滞阻尼器一般是由缸体、活塞和流体组成。活塞在缸筒内可作往复运动，活塞上有适量小孔，筒内盛满流体，当活塞与筒体产生相对运动时，流体从活塞上的小孔内通过，产生流体阻尼力，从而耗散运动能量，减小结构的反应。活塞上孔的数量和筒内流体的体积，可根据阻尼器所需提供的阻尼值来确定，流体可为硅油或其它粘性流体。粘滞阻尼器能提供较大的阻尼，有效地减小结构的振动，同时阻尼器产生的阻尼力与结构的位移反应和柱中弯矩异相，因此该阻尼器在减小结构层间位移和剪力的同时，不会在柱中产生与柱弯距同相的轴
15、力。此外，粘滞阻尼器受激励频率和温度的影响较小，但粘滞阻尼器的加工制作较难，粘滞流体易发生渗漏。 粘滞阻尼器早就广泛地应用于军事、航天、船舶、设备和管网的减震中，最近几年才应用于土木工程，目前已有一些工程应用实例。如美国洛山矶的两幢基础隔震的民用住宅，其基础隔震系统就是由螺旋弹簧和粘滞阻尼器构成的；在意大利的一座长1000米，重25000吨的桥梁的每一个桥台下安装了粘滞硅胶阻尼器，阻尼器重2吨，长2米，活塞杆的行程达500mm，能抵抗500吨的力，耗散2000千焦的能量；1994年美国新San Bermardino医疗中心也使用了粘滞阻尼器，共安装了233个阻尼器。 4. 粘弹性阻尼器 粘弹性
16、阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板组成。图1为常用的粘弹性阻尼器，它由两块T形约束钢板夹一块钢板所组成，钢板之间夹有粘弹性材料。粘弹性阻尼器一般设在能产生相对变形的位置，如斜撑、人字形支撑、梁柱节点、桁架下弦杆上或毗邻建筑之间，当结构层间发生位移时，粘弹性阻尼器会产生剪切滞回变形，耗散输入的振动能量，减小结构的振动反应。 大量的试验研究表明：影响粘弹性阻尼器耗能性能的主要因素是温度、频率和应变幅值。其影响规律为 (1) 粘弹性阻尼器具有很好的耗能能力，其耗能能力随着温度的增加而降低： (2) 粘弹性阻尼器的耗能能力随着频率的增加而增加，但在高频下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至一平衡值； (3) 当应变幅值小于50%时，应变的影响是次要的，但在大应变的激励下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至一平衡值。 为精确地描述粘弹性阻尼器的应力应变关
