消能减震设计

1、消能减震消能减震 消能减震的概念：消能减震的概念： 消能减震技术属于结构减震控制中的被动控制，消能减震技术属于结构减震控制中的被动控制，它是指在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、节点、它是指在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、节点、联结缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结联结缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置消能（阻尼）装置（或元件），通过构间等）设置消能（阻尼）装置（或元件），通过消能（阻尼）装置产生摩擦、弯曲（或剪切，扭转）消能（阻尼）装置产生摩擦、弯曲（或剪切，扭转）弹塑（或粘弹）性滞回变形来消散或吸收地震能量，弹塑（或粘弹）性滞回变形来消散或吸收地震能量，以减少主体结

2、构地震响应，从而避免结构产生破坏以减少主体结构地震响应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震抗震的目的。装有消能（阻尼）或倒塌，达到减震抗震的目的。装有消能（阻尼）装置的结构称为消能减震结构。装置的结构称为消能减震结构。 消能减震技术的特点消能减震技术的特点 减震效果明显，构造简单，造价低廉，适减震效果明显，构造简单，造价低廉，适用范围广，维护方便；用范围广，维护方便； 既适于新建工程，也适用于已有建筑物的既适于新建工程，也适用于已有建筑物的抗震加固、改造；抗震加固、改造； 既适用于普通建筑结构，也适用于抗震生既适用于普通建筑结构，也适用于抗震生命线工程。命线工程。 消能减震的原理消能减震的原

3、理 结构在地震中任意时刻的能量方程结构在地震中任意时刻的能量方程 a)a)传统抗震结构传统抗震结构 b)b)耗能减震结构耗能减震结构hkcvinEEEEEdhkcvinEEEEEEEd消能（阻尼）装置或消能元件消散或消能（阻尼）装置或消能元件消散或 吸收的能量。吸收的能量。 在上述能量方程中，由于在上述能量方程中，由于EvEv（或（或EvEv）和）和EkEk（或（或EkEk）仅仅是能量转换，不能消能，）仅仅是能量转换，不能消能，EcEc和和EcEc只占总能量的很小部分（约只占总能量的很小部分（约5%)5%)左右。在传统的抗左右。在传统的抗震结构中，主要依靠震结构中，主要依靠E Eh h消耗地震

4、能量，但因结构构消耗地震能量，但因结构构件在利用其自身弹塑性变形消耗地震能量的同时，件在利用其自身弹塑性变形消耗地震能量的同时，构件本身将遭到损伤甚至破坏，某一结构构件耗构件本身将遭到损伤甚至破坏，某一结构构件耗能越多，则其破坏越严重。在消能减震结构体系能越多，则其破坏越严重。在消能减震结构体系中，消能装置或元件在主体结构进入非弹性状态中，消能装置或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入消能工作状态，充分发挥消能作用，前率先进入消能工作状态，充分发挥消能作用，耗散输入给结构体系的地震能量，则由结构本身耗散输入给结构体系的地震能量，则由结构本身非线性消耗的能量大大降低，这意味着结构反应非线性消耗

5、的能量大大降低，这意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构。将大大减小，从而有效地保护了主体结构。结构的损伤程度结构的损伤程度 结构的损伤程度与结构的最大变形结构的损伤程度与结构的最大变形maxmax和滞回消能（或累积塑性变形）和滞回消能（或累积塑性变形）E Eh h成正比，可以表达为：成正比，可以表达为： D=fD=f（max, Emax, Eh h） 在消能减震结构中，由于最大变形在消能减震结构中，由于最大变形maxmax和构件的滞回消能和构件的滞回消能E Eh h较之传统抗震较之传统抗震结构的最大变形结构的最大变形maxmax和滞回消能和滞回消能E Eh h大大大大减少，因此结

6、构的损伤大大减小。减少，因此结构的损伤大大减小。 消能减震装置的类型与性能消能减震装置的类型与性能 消能减震装置的种类很多，根据消消能减震装置的种类很多，根据消能机制的不同可分为摩擦消能器，钢弹能机制的不同可分为摩擦消能器，钢弹塑性消能器，铅挤压阻尼器，粘弹性阻塑性消能器，铅挤压阻尼器，粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器等；根据消能器消能尼器和粘滞阻尼器等；根据消能器消能的依赖性可分为速度相关型（如粘弹性的依赖性可分为速度相关型（如粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器）和位移相关型阻尼器和粘滞阻尼器）和位移相关型（如摩擦消能器，钢弹塑性消能器和铅（如摩擦消能器，钢弹塑性消能器和铅挤压阻尼器）等。挤压阻尼器）等。 1

7、 1、速度相关型消能器、速度相关型消能器（1 1）粘弹性阻尼器）粘弹性阻尼器 钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性材料，钢板之间相对钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性材料，钢板之间相对运动使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形，吸收和消散能量。运动使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形，吸收和消散能量。其滞回环呈椭圆形，具有好的消能性能，它能同时提供刚度和其滞回环呈椭圆形，具有好的消能性能，它能同时提供刚度和阻尼。粘弹性阻尼器的性能受温度，频率和应变幅值的影响，阻尼。粘弹性阻尼器的性能受温度，频率和应变幅值的影响，其消能能力随温度的增加而降低；随着频率的增加而增加；当其消能能力随温度的增加而降低；随着频率的增加

8、而增加；当应变幅值小于应变幅值小于5%5%时，应变的影响不大。时，应变的影响不大。 （2 2）粘滞阻尼器）粘滞阻尼器 粘滞阻尼器主要有筒式粘粘滞阻尼器主要有筒式粘滞阻尼器、粘滞阻尼墙系统等。滞阻尼器、粘滞阻尼墙系统等。筒式粘滞阻尼器一般由缸体、筒式粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘滞流体组成。活塞上活塞和粘滞流体组成。活塞上开有小孔，并可以在充有硅油开有小孔，并可以在充有硅油或其他粘性流体的缸内作往复或其他粘性流体的缸内作往复运动。当活塞与筒体间产生相运动。当活塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞的小孔对运动时，流体从活塞的小孔内通过，对两者的相对运动产内通过，对两者的相对运动产生阻尼，从而耗散能

9、量。粘滞生阻尼，从而耗散能量。粘滞阻尼器分为线性和非线形粘滞阻尼器分为线性和非线形粘滞阻尼器曲线。运用较多的是非阻尼器曲线。运用较多的是非线形粘滞阻尼器。线形粘滞阻尼器。粘滞阻尼器的滞回曲线粘滞阻尼墙粘滞阻尼墙 粘滞阻尼墙系统是一种可作为墙体安装在结构层间的粘滞阻尼墙系统是一种可作为墙体安装在结构层间的阻尼系统，它由外部钢板、内部钢板、隔板和粘性体构成。阻尼系统，它由外部钢板、内部钢板、隔板和粘性体构成。阻尼墙的减震原理是把地震时建筑物上下层和层间速度差阻尼墙的减震原理是把地震时建筑物上下层和层间速度差转换为内外部钢板间的相对速度，使其根据充溢在两者间转换为内外部钢板间的相对速度，使其根据充溢

10、在两者间的粘性体的速度变化率产生比例阻尼力。粘滞阻尼墙的滞的粘性体的速度变化率产生比例阻尼力。粘滞阻尼墙的滞回曲线饱满，可以用于低层和高层建筑。回曲线饱满，可以用于低层和高层建筑。粘滞阻尼墙系及其滞回曲线2 2、位移相关型消能器、位移相关型消能器（1 1）摩擦消能器）摩擦消能器 摩擦消能器一般在正摩擦消能器一般在正常使用荷载及小震作用下常使用荷载及小震作用下不发生滑动，而在强烈地不发生滑动，而在强烈地震作用下，在结构主要构震作用下，在结构主要构件发生屈服之前，装置即件发生屈服之前，装置即产生滑移以摩擦做功来消产生滑移以摩擦做功来消散地震能量，并改变了结散地震能量，并改变了结构的自振频率，从而使

11、结构的自振频率，从而使结构在强震中改变动力特性，构在强震中改变动力特性，达到减震目的。达到减震目的。摩擦消能器的滞回曲线（2 2）钢弹塑性消能器）钢弹塑性消能器 软钢具有较好的屈服后性能，利用其进入弹塑软钢具有较好的屈服后性能，利用其进入弹塑性范围后的良好滞回特性，目前已研究开发了多种消能性范围后的良好滞回特性，目前已研究开发了多种消能装置，如加劲阻尼装置，锥形钢消能器，圆环（或方框）装置，如加劲阻尼装置，锥形钢消能器，圆环（或方框）钢消能器，双环消能器，加劲圆环消能器，低屈服点钢钢消能器，双环消能器，加劲圆环消能器，低屈服点钢消能器等。这类消能器具有滞回性能稳定，消能能力大，消能器等。这类消

12、能器具有滞回性能稳定，消能能力大，长期可靠并不受环境与温度影响的特点。长期可靠并不受环境与温度影响的特点。加劲阻尼装置及其滞回曲线(a)加劲阻尼装置及其与支撑的连接 (b)加劲阻尼装置的滞回曲线（3 3）铅消能器）铅消能器 铅具有密度大、熔点低、塑性好、强度低等铅具有密度大、熔点低、塑性好、强度低等特点，具有稳定的消能能力。下图为利用铅挤压特点，具有稳定的消能能力。下图为利用铅挤压产生塑性消散能量的原理制成的阻尼器。滞回曲产生塑性消散能量的原理制成的阻尼器。滞回曲线基本呈矩形，如图线基本呈矩形，如图(c)(c)，在地震作用下，挤压力，在地震作用下，挤压力和消能能力基本上与速度无关。和消能能力基

13、本上与速度无关。 3 3、复合型阻尼器、复合型阻尼器 复合消能器是由两种或两种以上的消能元件（或消能机制）组合成的新型消能减震装置，它联合了不同消能元件的优点，增加了消能能力，具有更高的可靠性和稳定性。如：铅橡胶阻尼器，组合式铅橡胶阻尼器，铅粘弹性阻尼器等。如图所示，它综合利用了铅挤压滞回变形和橡胶剪切变形两种机制耗能，具有较大的滞回能力，可提供较大的阻尼力，且具有较大的初始刚度和较小的屈服后刚度，滞回曲线也丰满。 4 4、消能器的恢复力模型、消能器的恢复力模型（1 1）速度相关型消能器的恢复力模型）速度相关型消能器的恢复力模型FF 速度相关型消能器的力变形曲线速度相关型消能器的力变形曲线（a

14、 a）粘滞消能器）粘滞消能器 （b b）粘弹性消能器）粘弹性消能器（a）（b） 消能器的恢复力与变形和速度的关系一般可消能器的恢复力与变形和速度的关系一般可以表示为：以表示为： 和和 分别是消能器刚度和阻尼器系数，分别是消能器刚度和阻尼器系数， 和和 分别为消能器的相对位移和相对速度分别为消能器的相对位移和相对速度。 dddCKF dCdK 一般一般K Kd d=0=0，C Cd d= C= C0 0 ，阻尼力仅与速度有关，阻尼力仅与速度有关，可表示为：可表示为： C C0 0为粘滞阻尼器的阻尼系数，可由阻尼器的为粘滞阻尼器的阻尼系数，可由阻尼器的产品型号或由试验确定。产品型号或由试验确定。

15、ddCF粘滞阻尼器粘滞阻尼器 刚度刚度K Kd d和阻尼系数和阻尼系数C Cd d一般由下式确定：一般由下式确定： ()()和和 G()G()分别是粘弹性材料的损失因子分别是粘弹性材料的损失因子和剪切模量，一般与频率和速度有关，由粘弹和剪切模量，一般与频率和速度有关，由粘弹性材料特性实验曲线确定，性材料特性实验曲线确定，A A和和分别是粘弹分别是粘弹性材料层的受剪面积和厚度，性材料层的受剪面积和厚度，是结构振动的是结构振动的频率，对于多自由度结构，频率，对于多自由度结构， 可取结构弹性可取结构弹性振动的基本固有频率。振动的基本固有频率。 )()(CdAG 粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器)(KdAG

16、（2 2）滞变型消能器的恢复力模型）滞变型消能器的恢复力模型 软钢类消能器具有类似的软钢类消能器具有类似的滞回性能，仅其特征参数不同。滞回性能，仅其特征参数不同。通常可采用图通常可采用图(a)(a)所示的折线所示的折线形模型来描述。摩擦消能器和形模型来描述。摩擦消能器和铅消能器的滞回曲线近似为铅消能器的滞回曲线近似为“矩形矩形”，基本不受荷载大小、，基本不受荷载大小、频率、循环次数等影响，故可频率、循环次数等影响，故可采用图（采用图（b b）所示的刚塑性恢）所示的刚塑性恢复力模型。复力模型。消能减震结构的设计原则消能减震结构的设计原则1 1）一般情况下，消能减震结构宜采用静力非线性分）一般情况

17、下，消能减震结构宜采用静力非线性分析方法或非线性时程分析方法。析方法或非线性时程分析方法。2 2）当主体结构基本处于弹性工作阶段时，可采用线）当主体结构基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分析方法作简化计算，并根据结构的变形特征性分析方法作简化计算，并根据结构的变形特征和高度等，按底部剪力法、振型分解法和时程分和高度等，按底部剪力法、振型分解法和时程分析法。其地震影响系数可根据消能减震结构的总析法。其地震影响系数可根据消能减震结构的总阻尼比计算。阻尼比计算。3 3）消能减震结构的总刚度应为结构刚度和消能部件）消能减震结构的总刚度应为结构刚度和消能部件刚度的总和。刚度的总和。4 4）消能减震结构的

18、总阻尼应为结构的阻尼和消能部）消能减震结构的总阻尼应为结构的阻尼和消能部件附加给结构的有效阻尼的总和。件附加给结构的有效阻尼的总和。5 5）采用消能减震的体系其层间弹塑性位移角限值，）采用消能减震的体系其层间弹塑性位移角限值，框架结构宜采用框架结构宜采用1/801/80。消能部件的设置消能部件的设置 消能减震结构应根据罕遇地震作用下的预期消能减震结构应根据罕遇地震作用下的预期结构位移控制要求，设置适当的消能部件，消能结构位移控制要求，设置适当的消能部件，消能部件可由消能器及斜支撑，填充墙，梁或节点等部件可由消能器及斜支撑，填充墙，梁或节点等组成。消能部件按其构造形式可分为消能支撑、组成。消能部

19、件按其构造形式可分为消能支撑、消能节点和消能连接等。消能节点和消能连接等。 消能减震结构中的消能部件应沿消能减震结构中的消能部件应沿结构的两个主轴方向分别设置，消能结构的两个主轴方向分别设置，消能部件宜设置在层间变形较大的位置，部件宜设置在层间变形较大的位置，其数量和分布应通过综合分析合理确其数量和分布应通过综合分析合理确定，并有利于提高整个结构的消能减定，并有利于提高整个结构的消能减震能力，形成均匀合理的受力体系。震能力，形成均匀合理的受力体系。消能减震结构计算要点消能减震结构计算要点（1 1）消能减震结构一般应采用非线性静力分）消能减震结构一般应采用非线性静力分析法或非线性时程分析法计算。

20、当主体结构析法或非线性时程分析法计算。当主体结构基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分析基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分析方法作近似估算，并根据结构的变形特征和方法作近似估算，并根据结构的变形特征和高度等，采用底部剪力法、振型分解反应谱高度等，采用底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。其地震影响系数可根据消法和时程分析法。其地震影响系数可根据消能减震结构的总阻尼比按能减震结构的总阻尼比按规范规范的规定计的规定计算。算。 （2 2）对非线性静力分析法，可采用消能减震）对非线性静力分析法，可采用消能减震结构的总刚度和总阻尼比计算。对非线性结构的总刚度和总阻尼比计算。对非线性时程分析法，宜采用

21、消能部件的恢复力模时程分析法，宜采用消能部件的恢复力模型计算。型计算。（3 3）消能减震结构的总刚度（）消能减震结构的总刚度（k k）为原结构）为原结构刚度刚度(ks)(ks)和消能部件附加给结构的有效刚和消能部件附加给结构的有效刚度（度（kaka）之和；总阻尼比（）之和；总阻尼比（）为原结构）为原结构阻尼比（阻尼比（ss）和消能器附加给结构的有效）和消能器附加给结构的有效阻尼比（阻尼比（ss）之和，即）之和，即 askkkas4 4、消能部件的性能要求、消能部件的性能要求（1 1）消能器应具有足够的吸收和耗散地震能量的能）消能器应具有足够的吸收和耗散地震能量的能力和恰当的阻尼力和恰当的阻尼

22、（2 2）消能部件应具有足够的初始刚度）消能部件应具有足够的初始刚度 （3 3）消能器应具有优良的耐久性能，能长期保持其）消能器应具有优良的耐久性能，能长期保持其初始性能，消能器在最大允许位移幅值下，按允初始性能，消能器在最大允许位移幅值下，按允许的往复周期循环许的往复周期循环6060圈后，消能器的主要性能衰圈后，消能器的主要性能衰减量不应超过减量不应超过10%10%，且不应有明显的低周疲劳现象。，且不应有明显的低周疲劳现象。 （4 4）消能器构造应简单，施工方便，易维护性好）消能器构造应简单，施工方便，易维护性好。 5 5、消能器附加给结构的有效阻尼比、消能器附加给结构的有效阻尼比 当采用非

23、线性时程分析法时，消能器附加给结当采用非线性时程分析法时，消能器附加给结构的有效阻尼比和有效刚度宜根据消能器的恢复构的有效阻尼比和有效刚度宜根据消能器的恢复力模型确定。当采用底部剪力法，振型分解反应力模型确定。当采用底部剪力法，振型分解反应谱法和静力非线性法时，消能部件附加给结构的谱法和静力非线性法时，消能部件附加给结构的有效阻尼比，可按下式估算：有效阻尼比，可按下式估算： aa消能减震结构的附加阻尼比；消能减震结构的附加阻尼比； WcWc所有消能部件在结构预期位移下往复一周所消所有消能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量；耗的能量； WsWs设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能设置消

24、能部件的结构在预期位移下的总应变能。 ）（scaW4W/ 不考虑扭转影响时，消能减震结构在其水平不考虑扭转影响时，消能减震结构在其水平地震作用下的总应变能，可按下式估算：地震作用下的总应变能，可按下式估算： FiFi质点质点i i的水平地震作用标准值；的水平地震作用标准值； UiUi质点质点i i对应于水平地震作用标准值的对应于水平地震作用标准值的位移。位移。 iisUF21W / 速度相关型消能器在水平地震作用下所消耗速度相关型消能器在水平地震作用下所消耗的能量的能量WcWc，可按下式估算：，可按下式估算： T T1 1消能减震结构的基本自振周期；消能减震结构的基本自振周期； C Cj j第

25、第j j个消能器的线性阻尼系数；个消能器的线性阻尼系数； j j第第j j个消能器的消能方向和水平面的夹角；个消能器的消能方向和水平面的夹角； u uj j第第j j 个消能器两端的相对水平位移。个消能器两端的相对水平位移。 2jj2j12cucosCT2W / 位移相关型，速度非线性形相关型和其他类位移相关型，速度非线性形相关型和其他类型消能器在水平地震作下所消耗的能量型消能器在水平地震作下所消耗的能量WcWc，可按，可按下式估算：下式估算： Aj Aj 第第j j个消能器的恢复力滞回环在相个消能器的恢复力滞回环在相对水平位移对水平位移UjUj时的面积。时的面积。jCAW 当采用底部剪力法，振型分解反应谱法当采用底部剪力法，振型分解反应谱法和静力非线性法时，消能器的有效刚度可取和静力非线性法时，消能器的有效刚度可取消能器的