浅析耗能减震装置的研究现状

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  摘 要:我国是一个地震高发地区,所以全国大多数地区的建筑都需要进行抗震设防,多高层建筑发生破坏会给人们生命、财产带来巨大损失,会对国家及社会稳定发展带来严重影响。传统的抗震技术采用的是“硬抗”的方法,是通过提高结构的强度、刚度等途径来抵抗地震。但是,像工业厂房、医院、通讯中心类的配备有高精密仪器的建筑,对抗震设计的要求很高,采用传统依靠建筑吸能抗震的设计方法已不能满足要求。随着建筑抗震技术的发展以及对抗震机理的深入认识,耗能减震成为了抗震技术的一个发展趋势,而耗能减震结构体系的实现主要依赖于研制出简便实用的耗能减震装置———阻尼器。
  关键词:耗能减震装置;结构体系;研究现状
  1耗能减震结构体系的特点
  耗能减震技术作为一种结构被动控制措施,是在结构物某些部位(如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等)设置耗能装置(或元件),通过耗能装置产生摩擦,弯曲(或剪切、扭转)弹塑性(或粘弹性)滞回变形耗能来耗散或吸收地震输入结构中的能量,以减小主体结构地震反应,从而保护主体结构的安全。
  (1)从动力学观点看,相当于增大结构的阻尼,使结构的响应变小;(2)从能量观点看,结构本身的振动能量是一定的,通过消能装置消耗掉一部分能量,使结构本身需消耗的能量减小;
  (3)在小震或风荷载作用下,耗能减震装置不产生滑动或耗能材料不进入塑性滞回耗能状态,耗能减震结构相当于主体结构的普通支撑框架体系,有足够的刚度来控制侧向变形,结构体系处于弹性状态;(4)在中震或大震作用下,耗能减震装置在主体结屈服前产生滑动或者耗能材料进入塑性滞回耗能状态,消耗大量输入给主体结构的地震能量,避免或延缓了主体结构构件的屈服,一定程度上达到了保护主体结构的目的;(5)耗能减震体系与主体结构间不产生相对运动,它通过消能装置的相对变形和相对速度提供附加阻尼,以消耗输入结构的地震能量,达到预期耗能减震要求。
  2耗能减震装置的分类
  消能减震装置可依据不同材料、不同耗能机理和不同构造来生产制作,经过多年发展研究,耗能减震器的种类逐渐丰富,具体分类见下表 ~ 4。
  3耗能减震装置在建筑结构中的应用
  3.1阻尼器国外研究现状
  1972年Kelly 等人首先提出通过在结构中安装金属耗能器来进行地震反应控制的设想,随后各国研究人员进行了一系列金属阻尼器[27]的理论、试验和应用研究,并提出了各种形式的耗能阻尼装置。
  Tsai等人对三角形加劲耗能装置进行了低周反复加载试验,Bergman和Goel[28]对X型加劲耗能装置进行了试验研究。在国内,欧进萍、吴斌等对X形和三角形钢板耗能器的力学性能和减震效果进行了实验研究,得出钢板屈服耗能器基于疲劳性能的设计准则,另外还对钢板屈服耗能器的“薄膜效应”进行了研究,进一步提出钢板屈服耗能器考虑“薄膜效应”的疲劳验算准则。
  3.2阻尼器国内研究现状
  自1972年提出土木工程振动控制的概念开始,结构振动控制现在已经成为结构抗震领域的热点课题之一;20世纪80年代初,我国土木工程界王光远院士首先引入了结构振动控制的概念,随后国内土木工程界的广大学者、研究人员深入展开了结构隔震、耗能减震、吸振减震、主动控制、半主动控制和混合控制等方向的研究,取得了一系列丰硕的成果。
  1999年,粘滞-弹簧阻尼器用于北京饭店的抗震加固改造中;2002年,上海市申贝大厦商住楼使用了橡胶支座耗能减震系统;2004年,粘滞阻尼器应用于宿迁市建设大厦工程;无粘结支撑被应用于台湾的国泰中心;铅粘弹性阻尼器被应用于汕头的潮汕星河大厦。
  2006年李宏男等提出了五种不同形状的软钢阻尼器,开发研制出“单圆孔钢板耗能器”和“双X形钢板耗能器”。2012年田姚等人提出了一种新型软钢阻尼器——回型软钢阻尼器,并證明了回型软钢阻尼器的可行性并且得到了回型软钢阻尼器的主要耗能参数。
  2015年韩启浩、张永山、汪大洋等人通过实例研究证明了带肘节式连接减震方案能有效地降低耗能减震层位置处的内力突变,验证了黏滞阻尼器采用肘节式连接比人字形连接具有更高的耗能效果,证明了带肘节式连接耗能减震层对超高层结构抗震的有效性和可行性。
  2017年胡强等人采用有限元方法对方钢管铅芯阻尼器的力学性能进行分析,并与圆钢管铅芯阻尼器进行对比研究.结果表明,与圆钢管铅芯阻尼器相比,方钢管铅芯阻尼器的延性和屈服剪力略低、屈服后刚度略高、初始刚度与耗能性能相近.因此,方钢管铅芯阻尼器能够满足耗能减震的作用。
  4结束语
  耗能减震设计在我国的现行规范《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中也已新增加了一些相关内容,这适应了我国建筑发展新的需求,与建筑低损耗发展方向及建筑工业化相互交融。随着结构振动控制技术的研宄和发展,加之现代建筑对抗震技术的更高要求,耗能减震己经成为抗震设计的一个主流发展趋势。
  参考文献
  [1]龙旭.耗能减振结构的抗震设计方法[J].地震工程与工程振动,1998,(02):98-107.
  [2]欧进萍,吴斌.组合钢板耗能器——一种新型耗能减震装置[J].地震工程与工程振动,1997,(01):33-40.
  (作者单位:东北石油大学)
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