耗能减震加固方法的研究

1、耗能减震加固技术与方法的研究一、地震中结构的损伤与破坏二、传统的结构抗震加固方法 2.1 传统的加固方法 加大截面 粘贴钢板 增设支撑体系 增设剪力墙 碳纤维材料加固 外套框架加层加固传统加固方法的原理： 通过提高结构自身的强度和刚度，利用结构自身储存和消耗地震能量（即利用结构构件屈服后的延性耗散能量）以达到加固目标。2.2 传统加固方法的原理与缺点传统加固方法存在的问题： 传统加固方法加固的结构不具备自我调节能力，而且由于地震的不可预见性及结构反应的复杂性，其抗震加固未必有效。 采用传统的加固方法还存在造价高、施工时间长、适用范围窄、对用户造成的影响大等缺点。三、耗能减震加固的概念与原理3.

2、1 耗能减震加固的概念 耗能减震加固方法是通过在结构物 某些部位增设耗能（阻尼）减震器或耗能组件，以达到抗震加固目标的新方法。 耗能装置在结构加固改造中的安装示意图耗能装置加固底层柔弱结构示意图3.2 耗能减震加固的原理 从能量平衡的角度解释耗能减震加固的原理： 传统加固结构： 耗能减震加固结构： 一般来说，结构损伤与结构的最大变形 和滞回耗能（或累积塑性变形） 成正比，可用式 表达， 由于耗能减震加固结构的最大变形 和滞回耗能 比传统加固结构的最大变形 和滞回耗能 大大减小，因此，采用耗能减震加固方法比较合理有效。3.3 耗能减震加固的优点： 耗能减震加固方法较传统的加固方法有诸多的优越性：

3、加固机理明确、加固效果显著、方便简单、造价低、应用范围广、而且不改变原有建筑的风貌等。四、耗能减震加固结构的分析与设计方法4.1 耗能减震加固的设计步骤设计地震性能目标对已有结构计算分析是否满足结构的性能要求完成否是决定要求的阻尼比选择合适的阻尼器位置设计阻尼器估计结构的阻尼比计算耗能减震结构的地震响应4.2 耗能减震加固的目标确定耗能减震结构可按以下两个设防目标进行设计： 设防准则I： “小震不坏，中震可修，大震不倒”； 设防准则II： “中震不坏，大震可修” Vision2000将基于功能的抗震加固设 计功能目标可分为四个等级：无损伤正常使用状态、有损伤可修复状态、保障生命安全状态和倒塌控

4、制状态。除了这一般的基本目标外，业主和使用者可以根据自身的经济情况和特殊的使用要求提出各自的功能要求。4.3 耗能减震装置的选择与设计原则4.3.1 耗能减震装置的选择1）从耗能装置的力学特征角度选择耗能器目前，国内外学者研究开发了许多不同种类和形式的耗能器：速度相关型耗能器粘弹性阻尼器粘滞阻尼器 位移相关型耗能器摩擦耗能器钢弹塑性耗能器铅挤压阻尼器从耗能器的力学特征出发，对侧移要求严格的结构加固，选择粘弹性和粘滞性阻尼器更合适；如果加固结构增加阻尼的同时也需要增加侧向刚度，可以选择金属耗能器、摩擦耗能器或粘弹性阻尼器；如果加固结构不期望增加刚度，粘滞性阻尼器是最好的选择；如果加固结构所处环境

5、的温度变化较大，可以选择金属耗能器和摩擦耗能器。2）周围环境对耗能器性能的影响 耗能器的性能受环境条件影响较大，为了尽可能的限定在使用期内耗能器的反应特征，工程师必须考虑下列环境影响系数： 1）由于风、温度或其它反复荷载产生的高频率、小位移的运动引起耗能器性能的退化； 2）耗能器由于重力荷载产生的力或位移； 3）腐蚀或磨损； 4）老化、湿度或化学辐射； 5）紫外线辐射。3）考虑经济因素 随着经济的发展和耗能减震技术的进步，耗能器的价格、安装及施工费用也在不断发生变化。但目前来说，钢屈服耗能器和摩擦耗能器费用较低；粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器成本较高。 4.3.2 耗能装置的设置原则 耗能装置应根据

6、旱遇地震作用下的预 期结构位移控制要求设置。耗能减震结构中的耗能装置应沿结构的两个主轴方向分别设置，耗能装置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定。4.3.3 耗能减震器数量的估计耗能减震加固结构的概念设计阶段，耗能器数量的估计是很重要的方面。在初步确定耗能器附加给结构的阻尼比，并选定合适的耗能器后，可采用能量法估计结构中需多少耗能器方可达到预期的加固目标。4.3.4 耗能部件的布置原则合理的选择耗能器的安放位置，使得结构在满足变形要求的条件下使用耗能器的数量尽可能减小，或一定数量的耗能器耗散的能量最多，从而达到经济的目的。增设到结构中的耗能部件宜遵循一定的布置原则：

7、1）尽量缩小质量中心和刚度中心的差异对于规则结构，耗能部件应在基本满足业主空间使用需求的基础上，沿结构的两个主轴方向分别设置或仅在一个主轴方向布置，图11为耗能部件的几种设置方式，耗能部件的平面布置应规则、对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；对于有偏心的结构，尚尽量在远离刚心的一端布置耗能器，以减小结构扭转效应的发生。 2）以层间位移为指标布置 采用耗能器进行结构抗震加固的目的主要是控制结构的层间位移。减震结构的计算分析结果表明，增设耗能器后结构位移变化的规律比速度、加速度变化的规律更强，因此，耗能部件的竖向布置以层间位移为控制指标更合理恰当，宜遵守以下几条原则：a）增设耗能部件后对其所在

8、层的层间位移降低最大，故耗能部件应增设在层间位移较大的楼层；b）增设耗能部件后，对上部邻近层的位移控制效果要比对下部邻近层的位移控制效果好，因此，当层间位移基本相等时，耗能部件宜增设在较低层；c）在某些情况下，增设耗能部件结构的部分层层间位移比相应原结构的层间位移大，故耗能部件在竖向上宜每层都设置，尽量做到加固后各楼层的屈服强度系数大致相等，防止某一层产生较大的层间侧移，出现塑性变形集中效应。4.3.5 耗能部件的连接与构造耗能部件的连接和构造，包括以下三种情况： （1）耗能器与支撑构件的连接和构造；（2）耗能器同时和支撑构件及主体结构连接；（3）支撑构件与主体结构的连接和构造。 由于拟加固结

9、构的最初设计未考虑使用耗能器，在原有框架梁里并未预埋联结钢板，增设耗能部件与主体结构的连接会比较复杂，连接的形式和构造因耗能器的类型及支撑构件和主体结构的材料不同而不同，一般可采用螺栓连接或刚性连接。耗能器与斜支撑、填充墙、梁或节点的连接,应符合钢构件连接或钢与钢筋混凝土构件连接的构造要求，并能承担耗能器施加给连接节点的最大作用力，防止节点先于耗能器破坏；耗能器及其连接构件应具有耐久性能和较好的易维护性。4.4 耗能减震加固结构的分析与设计方法 许多国家已经制定或正在制定耗能减震结构的加固设计指南或设计规范，我国规范规定常用的设计方法有底部剪力法、振型分解反应谱法、时程分析法，规（GB5001

10、1-2001）首次引入了以推覆（pushover）方法为代表的非线性静力分析方法(Nonlinear Static Procedure，简称NSP)。 国外学者对基于功能的抗震设计方法进行了大量的分析研究，并已进入新一代的抗震加固设计标准，用以指导工程抗震加固设计。该方法既能把握结构构件和耗能元件的非线性性能，又较为简便实用，不失为一种有效的评价结构性能的手段，成为目前抗震加固设计研究的热点。 基于功能的抗震加固方法，是根据建筑重要性的不同，将建筑结构的抗震需求划分为不同的抗震水平，通过结构的功能目标来量化各个抗震水平，根据不同量化指标进行结构加固设计，以使建筑在地震中达到预期的抗震效果。 基

11、于能量的抗震加固设计方法亦日益 受到重视。地震对结构作用的实质是一种能量传递、转化、存储和耗能的过程，能量分析方法是从地震能量输入与结构或构件能量耗散间的相互关系进行分析设计，其最大优点是可以考虑结构在地震作用下的累积损伤，而且可以包含地震持时对结构地震效应的影响。 五、耗能减震加固技术的工程应用 目前，许多不同构造、不同种类的耗能器已被应用于实际加固工程中。 摩擦型阻尼器 在加固工程中的应用Pall型摩擦阻尼器应用于加拿大的Ecole Polyvalente教学楼的抗震加固中, 该建筑为三层预制装配结构，建于1967年，由于抗侧力不足且延性较差，在1988年Quebec（魁北克）地震中遭到破

12、坏，共使用64个摩擦耗能支撑进行加固，节省加固费40%、施工时间60%。摩擦阻尼器在加固工程中的应用摩擦型阻尼器在加固工程中的应用联邦电子科研大楼位于加拿大首都渥太华，它建于1993年，在2003年的时候加多了一层。这是一幢3层的混凝土框架结构的建筑，带有一个地下室。它里面都是一些灵敏度很高的装置和贵重的设备，保证那些装置科学数据的安全和在大震中这一建筑能持续地工作是十分重要的，所以对这一建筑进行加固。摩擦型阻尼器在加固工程中的应用加拿大的Montreal市的Nouver Europa民用建筑由两幢10层的钢筋混凝土框架建筑所组成，还带两层的地下室，两部分之间用走廊相连。为了满足顾客对更高的居

13、住条件的需要从而对这幢建筑进行改造，加固中一共安装了60个 Pall摩擦阻尼器。波音公司的飞机制造车间 ，建于19681991年间 。车间为钢结构，高有37m，净跨350m，整个建筑物覆盖面积达98英亩 ，为对这些车间进行抗震升级 ，使用Pall阻尼器 ，整个的加固工程费用为6500万美元，跟传统方法相比，节约了3000万美元 。摩擦型阻尼器在加固工程中的应用马京大楼位于美国加利福尼亚州奥克兰市，建于1930年。该大楼为全钢结构,地上4层,地下1层,屋面标高22.4，原结构设计没有考虑抗震要求，根据美国现行建筑规范需进行结构抗震加固。采用了钢-混凝土组合抗侧力结构进行加固，且在钢斜撑的三个连接

14、节点处采用了摩擦阻尼节点。摩擦阻尼节点采用铜垫板以确保固定摩擦系数0.3。摩擦型阻尼器在加固工程中的应用金属屈服减震器阻尼器在加固工程中的应用附加阻尼刚度(ADAS) 装置已被应用于墨西哥城一幢办公楼的抗震加固中。该建筑为10层钢框架结构，建于50年代，后来又增加了3层，在1985年墨西哥大地震中，由于塑性变形和扭转变形过大而导致破坏后，除去增加的3层并采用装有ADAS装置的人字形和X形钢支撑进行加固。 金属屈服减震器阻尼器在加固工程中的应用金属屈服减震器阻尼器在加固工程中的应用西安长乐苑招商局广场4号楼为商务和住宅用楼，结构体系为现浇部分框支剪力墙结构。根据结构抗震鉴定报告说明 ，该结构的抗

15、震能力不足，要对其进行加固。最终采用具有强大消能作用的开孔式软钢阻尼器来进行本建筑抗震加固工程 ，pushover结果分析显示加装开孔式软钢阻尼器（HADAS）后，有效提升了楼的抗震能力。金属屈服减震器阻尼器在加固工程中的应用台湾he-Hwa银行，这是一幢47层的高层建筑 ，1999年在施工期间遭遇了Chi-Chi大地震 ，但建筑物并没有受到破坏，但由于设计规范的改变（地震加速度从0.23g变为0.33g），为了提高其抗震能力 ，使用了弯曲约束支撑（BRB），从而达到了预期的目的。金属屈服减震器阻尼器在加固工程中的应用阻尼器在台湾的应用还有以下的一些例子屈服约束支撑在台北国家大楼中的应用 金属

16、屈服减震器阻尼器在加固工程中的应用三角金属软钢板阻尼器在台北商业街中的应用 日本某事务所为钢筋混凝土框架结构，地上10层，地下1层，建筑面积1600平方米，建于昭和52年，采用钢弹塑性耗能器进行抗震加固。金属屈服减震器阻尼器在加固工程中的应用日本名古屋市某事物所为钢筋混凝土框架结构，建筑面积957平方米，地上9层，地下2层，高37.1米，建于1972年，地震破坏后，于1999年横向采用极低屈服点钢，纵向采用耐震壁进行抗震加固。金属屈服减震器阻尼器在加固工程中的应用粘滞耗能阻尼器在加固工程中的应用粘滞耗能阻尼器在加固工程中的应用北京展览馆建于1953年，建筑面积近5万平方米，其原设计未考虑抗震设

17、防。鉴定原结构不满足北京地区8度抗震要求，应进行全面抗震加固 。共用116个粘滞阻尼器 、和消能支撑 ，从而达到抗震要求。粘滞耗能阻尼器在加固工程中的应用韩国Chun-su桥位于Seo-Hal高速公路上，全长为766m，于2001年竣工。 为了使底部结构在地震加速度峰值为0.154g时不至于破坏 ，决定对桥进行加固，轴方向增加粘滞阻尼系统 。结果纵向的运动比容许的值要低，并因此使得结构的频率比加固前要低。粘滞耗能阻尼器在加固工程中的应用同样的还有Epo桥 ，位于韩国西北部的yungGy省，该桥于1992开始通车，总长为797m 。粘滞耗能器在加固工程中的应用粘弹性耗能器在加固工程中的应用潮汕星

18、河大厦位于汕头市金环路东侧，是一座综合性高层建筑。总建筑面积27976.8平方米，地下1层，地上总高度98.70m。潮汕星河大厦由于原设计为二十二层，施工至十二层时，业主提出增加三层，结构变为二十五层 。采用由广州大学周云教授研制的复合型铅粘弹性阻尼器 ，达到预期的目的。粘弹性耗能器在加固工程中的应用北京饭店为钢筋混凝土框架结构，建于50年代 ，总建筑面积为19340平方米，结构高37m，总共8层，局部9层。北京地区的地震基本烈度为8度，原结构未考虑抗震，在1976年的唐山地震中有所损坏，震后结构第7层进行了加固处理。消能器采用了法国JARRET公司生产的粘滞一弹簧阻尼器 。加固结构在小震作用下，层间位移减小幅度达50%60%左右 ，达到要求。粘弹性耗能器在加固工程中的应用北京京西宾馆西楼是一幢形体呈“山”字形的现浇钢筋混凝土框架剪力