工程结构减震控制

一、工程结构减震控制的概念

对高层建筑和高耸结构来说，水平荷载是主要荷载之一，并且往往起着控制作用,而对大跨度空间结构来说，竖向荷载却是主要控制荷载。水平荷载一般包括风荷载和地震荷载，这两种荷载都是动力荷载。随着高层建筑和高耸结构高度和高宽比的增大以及轻质高强材料的作用，其刚度和阻尼不断降低，在强风或强烈地震荷载作用下，结构物的动力反应强烈，很难满足结构舒适性和安全性的要求。按照传统的抗风抗震设计方法，即通过提高结构本身的强度和刚度来抵御风荷载或地震作用，是一种“硬碰硬("你强他也强,你弱他也弱":^))”式的抗震方法，它很不经济，也不一定安全，而且失去了轻质高强材料自身的优势，还不能满足日益现代化的机器设备不能因为剧烈振动而中断工作或者破坏的要求。

为了克服传统抗风抗震设计方法的缺陷，1972年美籍华裔学者姚治平首次提出了工程结构减震控制这一新方法。工程结构减震控制是由结构与控制体系共同抵御外界荷载，能动地调谐结构的动态反应，是―种积极主动的结构抗震对策。通常，结构减震控制按照是否需要外部能量驱动控制机构分为主动控制（AMD）和被动控制（PMD），半主动控制及混合控制。主动控制效果明显，但控制机构复杂，需要外加能源，控制系统的可靠性低；而被动控制技术是较早得到发展和应用的工程减震技术，构造简单，不需要外界能源输入能量，由控制机构隔离地震作用和消耗能量，达到减小结构地震反应的目的，如隔震、耗能减震和吸振减震等。混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构上的结构振动控制形式。从其组合方式来看，可分为：主从组合方式和并列组合方式。典型的混合控制装置有：AMD与TMD相结合、AMD与TLD相结合、主动控制与基础隔震相结合、主动控制与耗能减震相结合、液压－质量振动控制系统（HMS）与AMD相结合等。二、隔震技术“隔震”，即隔离地震。在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层，隔离地震能量向上部结构传递。降低上部结构的地震作用，达到预期的防震要术,使建筑物的安全得到可靠的保证。它包括上部结构、隔震装置和下部结构三部分。隔震包括基础隔震和层间隔震。隔震体系能够减小结构的水平地震作用，减轻结构和非结构的地震损坏。提高建筑物及其内部设施、人员在地震时的安全性，增加震后建筑物继续使用的能力，已被理论和国内外实发地震所证实。基础隔震技术是用水平力很“柔”的隔震元件将上部建筑与基础隔离，由于隔震层的刚度很小。当地震发生时，隔震层将发挥“隔”的作用，承受地震动引起的位移运动，而上部结构只作近似平动。1.结构隔震体系的基本特征隔震体系一般具有以下基本特征：(1).足够的竖向承载力。隔震装置具有较大的竖向承载力，在建筑结构物使用状态下，安全的支承上部结构的所有荷载，竖向承载力安全系数必须大于6，确保建筑结构物在使用状态下的绝对安全和满足使用要求。(2).隔震特性。隔震装置具有可变的水平刚度，在强风或微小地震时，具有足够的水平刚度，上部结构水平位移极小，不影响使用要求。在中等强度地震下，其水平刚度较小，上部结构水平滑动，使刚性的抗震结构体系变为柔性隔震结构体系，其固有自振周期大大延长，远离上部结构的自振周期和地面的场地特征周期，从而把地面震动有效地隔开，明显地降低上部结构的地震反应。通常情况下，隔震体系上部结构的加速度反应值可降低为非隔震结构的1/4～l/12。由于隔震装置的水平刚度远远小于上部结构的层间水平刚度，所以，上部结构在地震中的水平变形，从传统结构的“放大晃动型”转变为隔震结构的“整体平动型”，使得上部结构在强烈地震中仍处于弹性状态，有效的保护结构本身，同时也能有效的保护结构内部装修和精密设备。(3).复位特性。由于隔震装置具有水平弹性回复力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动复位功能，可满足震后的使用功能。(4).阻尼消能特性。隔震装置具有足够的阻尼，具有较大的消能能力。(5).隔震结构体系能有效保护上部结构，因此在各种生命线工程、宿舍楼、商场、精密仪器室等重要建筑中得到了广泛的应用。2.基础隔震技术基础隔震是以“软化”结构、“以柔克刚”的方式来隔离地震使结构达到抗震目的，其实质是通过降低结构刚度，延长结构自振周期来减少结构的地震反应。基础隔震技术适用面很广，尤其适用于量大面广的中、低层砖混房屋和钢筋混凝土房屋建筑：在高烈度地震区。采用基础隔震技术建造的房屋，可以突破现行抗震规范中对房屋层数的限制。在保证高宽比的前提下可以加高一到两层，这样可以增大建筑物的容积率。节省建设用地，提高土地利用率。近代的基础隔震技术基本上可分为两大类，即弹(粘)性隔震和基础滑动隔震。目前应用、研究较广的隔震装置有：夹层橡胶垫隔震装置；滚珠(滚轴)加钢板消能装置；粉粒垫层隔震装置；铅塞滞变阻尼器隔震装置；钢滞变阻尼器隔震装置；基底滑移隔震装置；悬挂基础隔震装置；混合隔震装置等。(1).叠层钢板橡胶支座的构造及减震原理[3]在弹(粘)性基础隔震中，叠层钢板橡胶垫隔震技术是世界上应用最广、实用性最好的一种柔性支承装置。橡胶支座由薄钢板和薄橡胶板交替叠合经高温硫化粘结而成，所采用的橡胶一般有天然橡胶和氯丁胶。氯丁胶除抗冻和弹性外，其他性能(耐油、耐腐蚀、抗老化和阻尼等)均优于天然橡胶。由于在橡胶层中加设夹层薄钢板，而且橡胶层与夹层钢板紧密粘结，当橡胶支座承受垂直荷载时，橡胶板的横向变形受到约束，使橡胶支座具有很大的竖向承载力和竖向刚度。因薄钢板不影响橡胶板的剪切变形，使橡胶板对任何水平方向的运动均呈柔性约束。当橡胶支座承载水平荷载时，其橡胶层的相对侧移大大减少，使橡胶支座可达到很大的整体侧移而不致失稳，而且保持较小的水平刚度(仅为竖向刚度的l/500～1/1500)。并且，由于夹层钢板与橡胶层紧密粘结，橡胶层在竖向地震作用下还能承受一定的拉力，使该种支座成为一种竖向承载力极大、水平刚度较小、水平侧移容许值很大、又能承受竖向地震作用的理想的隔震装置。减震阻尼钢板橡胶支座的竖向承载力可达50～200t，竖向压缩刚度可达200～3000t/cm，它们的水平刚度较小，约为0.25～1.8t/cm，水平极限位移约为25～50cm。它们的剪切刚度是变化的，变形较小时刚度较大，中等变形时刚度最小，然后随变形的增大刚度又回升。变形过大时刚度回升，起到保护和限制侧向位移的作用。这种支座对于小震来说，结构就如同连在刚性基础上；对于强震来说，基底隔震系统一方面提供柔性滑动，另一方面可吸收大量能量，它由于局限所吸收的能量相当于临界粘滞阻尼吸收能量的35％。另外，橡胶支座具有自复位功能。根据对减震阻尼橡胶支座的不同阻尼比的要求，目前国内外主要采用下述几种不同材料制成的减震阻尼橡胶支座：=1\*GB3①.天然分层橡胶支座(MRB)普通减震阻尼橡胶支座一般采用天然橡胶或氯丁二氯橡胶制造。这种支座只具有弹性性质，本身并无显著的阻尼性能，因此，通常需要和阻尼器一起并行使用。=2\*GB3②.铅芯橡胶支座（LRB）在普通减震阻尼橡胶支座中部竖直地灌入铅棒就成为铅芯减震阻尼橡胶支座。灌入铅棒的目的：一是提高支座的吸能效果，确保支座有适度的阻尼；二是增加支座的早期刚度，对控制风反应和抵抗地基的微震动有利。铅芯减震阻尼橡胶支座既有隔震作用又有阻尼作用，因此，它可以单独地在隔震系统中使用，而无须另设阻尼器，使隔震系统的组成变得比较简单。由于纯铅材料具有较低的屈服点和较高的塑变耗能能力，使铅芯减震阻尼橡胶支座的阻尼比可达20％～30％。由这种橡胶支座组成的隔震系统作为主导产品，已广泛应用于国外的大中型桥梁，并取得了良好的效果。=3\*GB3③.高阻尼橡胶支座（HD—MRB）这种支座采用高阻尼橡胶材料制造。高阻尼橡胶可以通过在天然橡胶中掺入石墨得到，根据石墨的掺入量可调节材料的阻尼特性。高阻尼橡胶也可由高分子合成材料制成，这种人工合成橡胶不仅阻尼性能好，而且抗劣化性能也极佳，阻尼比可达到10％～15％。和铅芯减震阻尼橡胶支座一样，高阻尼减震橡胶支座同时具备隔震器和阻尼器两方面的功能，可在隔震系统中独立使用。为了能在时域上对考虑地基－结构动力相互作用的体系进行非线性分析，以基础隔震结构为力学计算模型，隔层层为非线性的，见图2所示。图中，M2为上部平台的质量，k2、c2分别为隔层系统的刚度和阻尼；ml、k1、c1分别为基础质量、地基土的等效刚度和等效阻尼系数。根据这个模型提出以下假设：(1)采用叠层橡胶隔层支座，隔震系统的本构关系取等价双线型恢复力模型，图3所示为隔层系统的恢复力特征；(2)实际隔震系统与等效刚度系统周期相同；(3)实际隔震系统与等效刚度系统阻尼自由振动的位移包络线相同。隔震系统本构关系的确定是计算基础隔震结构动力响应的关键。在本研究中取等价双线性模型。等价双线性模型中的k1、k2两个刚度，为隔震系统的等效刚度。隔震系统的刚度和阻尼比分别k和，则通过二者可得到隔震系统的等效刚度k1、k2。(2).滑移隔震技术摩擦滑移隔震技术，其基本原理是：把建筑物上部结构做成一个整体，在上部结构和建筑物基础之间设置一个滑移面，允许建筑物在发生地震时相对于基础作整体水平滑动。由于摩擦滑移作用，削弱了地震作用向上部结构的传递，同时，建筑物在滑动过程中，通过摩擦耗散了地震能量，从而达到减震的效果。滑移隔震技术与抗震相比，具有不可比拟的优点：①.解决了地震的超烈度问题。地震烈度是人们根据地质因素人为制定的，由于地震动的随机性，加之记录地震的时间与地球寿命相比很短，很难在地震发生时将地震烈度定准，而抗震、减震有很多人为对自然的依赖性，很难解决超烈度问题。采用了滑移隔震技术后，由于地震超烈度变化对建筑物的影响很小，如按烈度十度计算与按烈度九度计算变化很小，这就非常可靠地解决了地震超烈度问题。=2\*GB3②.避开由于建筑物自振周期和地震周期接近而产生的共振采用滑隔震技术后，由于滑移隔震层的作用，不论地震波的频带与建筑物自振频率如何接近，均不产生共振，从这个角度讲滑移隔震的防震效果可高达90％以上。在众多防震技术中，只有滑移隔震技术唯一具有不产生共振的优点。=3\*GB3③.地震中建筑物的加速度放大问题。现有的抗震方法中，由于房屋与基础牢固地联接在一起，地震作用下，建筑物是一个加速度的“放大器”，形成所谓的倒三角形分布，对于建筑物十分不利。采用滑移隔震技术后，在地震作用下，建筑物的加速度不仅不放大而且还有所变小，变形相应减小。这对处理建筑物受冲撞最厉害的底层部位和薄弱层部位十分有利。=4\*GB3④层间剪力过大的问题。现有的抗震方法，建筑物受到很大的层间剪力，特别是砌体结构，层间剪力常常是造成破坏的重要原因。采用滑移隔震技术后，层间剪力仅为现有抗震方法的20％～30％，极大地提高了建筑物的防震能力。=5\*GB3⑤楼层最大剪力问题在地震作用下，采用抗震方法时，建筑物是否能满足最大剪力的要求是验证建筑物能否抗震的重要指标。采用滑移隔震技术后，楼层最大剪力仅为采用现有抗震方法下的楼层最大剪力的20％～40％左右，因此可以极大地减少抗水平侧向力的强度，增加建筑物的层数，由此产生的经济效益是十分可观的。 另外，采用滑移隔震技术后，在地震作用下建筑物基本处于弹性状态，因此余震对建筑物的威胁比较小，不论什么时间、地点发生地震，建筑物与人员的损失均可减少。 图4滑移隔震结构隔震层动力模型图5滑移隔震结构剪切型多自由度串联体系动力模型对摩擦隔震系统通常作如下假定：1)滑移面的摩擦力在结构的整个运动过程中保持为常量；2)结构的材料为线弹性材料；3)仅考虑水平地震作用。在以上假定下，系统可作为一具有滑动支撑的n层剪切结构。在地震作用下，它存在两种运动状态，一种是不滑动态，此时系统的基底剪力比摩擦力小，基础将与地基共同运动,系统可作为基础固定的n个自由度系统；另一种状态是滑动态，一旦基础剪力超过基底摩擦力，基础就开始滑动，系统增加一个自由度，成为在基底承受摩擦力的n十1个自由度系统。在地震作用下，以上两种运动状态交替出现.如上图5所示。文献[10]中作者给出滑移隔震结构隔震层动力方程，分析了含滑移隔震层的剪切型多自由度串联体系模型，并给出模型的状态方程，并利用Matlab提供的动态系统仿真工具Simulink建立了基础滑移隔震串联多自由度体系模型，提出了基于Simulink的结构滑移隔震计算分析方法，并将程序进一步应用到经平移后采用滑移隔震技术进行减震加固的江南大酒店工程中，验证了该方法的可行性和可靠性。(3).基础隔震的设防水准“叠层橡胶隔震支座隔震技术规程”(报批稿)第1.0.3条规定“按本规程设计与施工的隔震结构，当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震时不损坏，且不影响使用功能；当遭受本地区设防烈度的地震时，仅产生非结构性损坏或轻微的结构损坏，一般不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震时。不致发生危及生命的破坏和丧失使用功能。”隔震结构在遭遇第一水准烈度(多遇地震)时，建筑结构及内部仪器设备处于完全正常的使用状态，结构可视为弹性体系；遭遇第二水准烈度(设防烈度的地震)时，建筑结构及内部仪器设备仍处于正常的使用状态，结构基本上可视为弹性体系；遭遇第三水准烈度(罕遇地震)时。上部结构可能出现有限的非弹性变形，但不危及生命安全和不丧失使用功能，内部设备仪器也不致出现丧失其使用功能的破坏；下部结构不产生危及上部结构的破坏，使整个隔震体系仍能保持正常工作。上述三个水准的设防目标是通过以下设计实现的：第一阶段设计是强度验算，取第一水准(多遇地震)的地震动参数。计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应。对隔震结构构件进行截面承载力验算。该阶段隔震层的刚度选取实际需要叠代进行。由于隔震层的刚度取值与隔震层产生的位移相关，实际计算时先假定小震下位移的刚度，由此计算小震下的位移，若与假定位移相差较大。则核计算出的位移取定隔震层的刚度进行重新计算，直到满足为止。为了便于设计人员按照《建筑抗震设计规范》进行抗震设计。可以通过隔震结构与非隔震结构的层间剪力对比确定的“水平向减震系数”，从而进一步确定水平向计算烈度，进行结构截面抗震验算和采取构造措施。在确定水平向减震系数时，隔震结构层间剪力值比保守地提高了I／0.7倍，并且剪力对比是在多遇地震下进行的。多遇地震下的隔震层水平位移较小，水平刚度较大，隔震层的隔震和消能效果并未充分发挥；当隔震结构遭遇设防烈度地震作用及罕遇地震作用时。隔震层水平位移较大，水平刚度较小，隔震层的隔震和消能效果将得到充分发挥。因此，按多遇地震下剪力对比确定的“水平向减震系数”进行抗震设计的隔震结构，其设防水准将高于按设防烈度进行抗震设计的非隔震结构。要注意的是，一般隔震结构并未考虑竖向地震作用，所以，隔震结构的竖向地震作用计算、抗震验算和相应的构造措施仍需满足设防烈度的要求。第二阶段设计是变形验算。取第三水准(罕遇地震)的地震动参数验算隔震结构的水平变形。对上部结构，只容许出现有限的非弹性变形，其层间弹塑性位移角限值只相当于《建筑抗震设计规范》对层间弹塑性位移角规定限值的1／3～1／6；而对下部结构，则要求满足层间弹性位移角限值的要求。即下部结构在罕遇地震下仍处于弹性工作阶段。这样，隔震结构的设防水准明显高于相应的非隔震结构。对于隔震房屋的设计，为了与建筑抗震设计规范相协调，便于广大设计人员容易掌握，我国的隔震规范采用了“水平向减震系数“的计算概念。计算隔震结构水平地震作用时采用的低于设防烈度的烈度指标，按多遇地震作用下隔震房屋与非隔震房屋层间剪力对比确定。“叠层橡胶隔震支座隔震技术规程”(报批稿)第4.1.7条规定：计算隔震结构水平地震作用时，水平向减震系数可按下列原则确定：在一般情况下，水平向减震系数应通过隔震房屋和非隔震房屋在多遇地震作用下各层最大层间剪力的比值确定。当隔震结构各层最大层间剪力与非隔震结构对应层最大层间剪力的比值中的最大值不大于表1中数值时，可按表1确定相应水平向减震系数；水平向减震系数的取值不应低于0.25。[4]3.层间隔震技术层间隔震是结构隔震与抗震相结合的一种方法，它是在原结构上安装由质量和隔震支座组成的耗能减震装置，地震时，耗能减震机构吸收并消耗地震能量，从而减小原结构的地震反应。上部隔震部分结构对下部抗震部分也具有TLD作用。它的减震效果一般在10％～40％之间，显然它的减震效果不及基础隔震结构，但它可利用结构的加层或原结构的隔热层，做适当的改建，从而达到减震目的。所以这是一种简单、容易实现的方法，在增加少量投资的同时，大大提高结构的抗震能力，适用于旧房加层和抗震加固结构。层间隔震常用的支座是橡胶支座，可提高弹性回复力。橡胶支座高度不宜太大。在上海，已有几栋邮电通讯机房采用这一方法进行了加固，另有十几栋住宅在应用这一技术加层，几栋高层建筑也在采用层间隔震方法控制结构的第二据型反应来达到减震的目的。4.一种新型隔震结构体系——基础隔震板片结构体系基础隔震板片结构体系是一种新型隔震结构体系，是基础隔震装置和板片结构体系的有机结合，如图6所示。它采用基础隔震装置使整个建筑物的自振周期显著增大，使得建筑物在地震作用下的水平振动大大减小，从而增加建筑物的抗震能力。由于传递到上部结构的地震荷载显著减小,上部结构中可以不使用梁，而仅采用剪力墙、柱和大平板等构件来承载。 图6基础隔震板片结构体系示意图基础隔震板片结构体系具有许多传统结构体系所无以比拟的优点，特别适用于中高层住宅建筑。(1)抗震性能好。首先，由于基础隔震板片结构体系采用大板片楼盖代替了传统的梁板结构，整个结构的重量大大减轻，对结构抗震十分有利。其次，采用基础隔震装置吸收地震能量，隔离地震对上部结构的影响，可以使上部结构在强烈地震时只产生很小的振动。(2)施工方便快捷。采用基础隔震板片结构体系，下部结构可以在现场安装，上部结构构件可以工业化生产，运到现场后拼装成整体，可以极大缩短工期，而且容易控制质量。 (3)经济效果明显。在上部结构中不使用梁，这样建筑物的空间也会大大增加；结构的抗震性能好，将会降低地震作用下建筑物的破坏程度，从而整个结构的维护费用也将极大地减少，带来良好的经济效益。(4)使用功能良好。房间平面不受梁柱的限制，可以根据实际使用功能要求进行灵活布置。由于天花板不受横梁阻隔，房间内部视觉效果良好。三、消能减震技术1.结构消能减震体系的机理结构消能减震体系，是把结构物的某些非承重构件(如支承，剪力堵，连接件等)设计成消能杆件，或在结构的某部位（层间空间，结点，联接缝等）装设阻尼器（目前主要有：金属阻尼器、摩擦阻尼器、弹塑性耗能器、粘弹性阻尼器、记忆合金耗能器、粘性流体阻尼器和压电陶瓷阻尼器等）。在凤或小震作用下，这些消能构件或消能装置具有足够的初始刚度，处于弹性状态，结构物仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。当出现中、大地震时，消能构件或装置率先进入消能状态，其消耗的能量可占输入结构的地震能量的90％从而保护主体结构及构件在强烈地震中兔遭破坏。根据震动台试验可知，消能减震结构与传统抗震结构，其地震反应减少40％～60％。经济上，采用消能减震结构比采用传统抗震结构，可节约造价5％～10％。若用于旧有建筑物的耐震性能改造加固，节省造价10％～60％。消能减震有阻尼减震和吸能减震两种方式。2.阻尼减震技术 目前常用的耗能阻尼器主要分迟滞型和粘滞型两大类：迟滞型阻尼器与速度无关，有摩擦型阻尼器、金属屈服型阻尼器以及各种类型的铅阻尼器等；粘滞型阻尼器的性能易受温度和加载速度的影响，有粘弹性材料阻尼器、油阻尼器等。(1).铅—橡胶阻尼器在各种各样的耗能阻尼器中,铅—橡胶阻尼器几乎是最理想的，特别能够满足耐久性的要求、它具有性能稳定、不受环境条件(温度、湿度等)影响、不需维护、可在工厂大批量生产、能保证质量等优点。铅－橡胶阻尼器既可以装在消能支撑上，也可以装在消能剪力墙的耗能缝中，组成各种消能构件，应用十分方便。铅－橡胶阻尼器的外形类似于铅芯橡胶隔晨垫，但内部构造和材料性能指标不同，因为铅—橡胶阻尼器的设计要求与橡胶隔震垫完全不同，橡胶隔震垫要求能够承受很大的竖向压力，提供很高的竖向刚度，而在水平方向则要有充分的柔度；铅—橡胶尼器则要求提供一定的水平刚度和尽可能大的阻尼，但对其竖向强度和刚度没有要求，因为它所受的竖向压力很小。文献[14]通过4种铅芯直径的8个试件分别在6种控制位移下的低周复水平荷载试验，研究铅－橡胶阻尼器的初始刚度、屈服刚度以及等效阻尼比的影响因素和变化规律。试验结果表明，铅－橡胶阻尼器有较大的阻尼值和初始水平刚度，即使在几毫米的水平位移下也有较高的阻尼参数，是一种理想的耗能阻尼器；铅－橡胶阻尼器的各种参数除了与铅芯直径有关之外，也随剪切变形(即水平控制位移)而变化。为了保证橡胶的恢复力，铅芯直径与橡胶外径应满足一定的比例。而且得出铅－橡胶阻尼器有以下规律：=1\*GB3①.铅芯直径越大，阻尼器的初始刚度越大；并且初始刚度在控制位移为土5mm时最大，±10mm时次之，在±20mm之后趋于稳定；=2\*GB3②.铅芯直径越大，阻尼器的屈服刚度越大；并且屈服刚度随控制位移而变化，在控制位移为±5mm的最大，±10mm时次之，在±40mm之后趋于稳定；=3\*GB3③.铅芯直径越大，阻尼比越大；但铅芯直径d＝80mm与d＝100mm两种阻尼器的阻尼比相差不大，在控制位移＜±20mm时，前者甚至大于后者。各种铅芯直径阻尼器的阻尼比在控制位移较小时都已经有较大的数值；在控制位移＞±40mm后，均随控制位移的增大而减小。(2).油阻尼器油阻尼器是由一固定缸、带孔活塞及活塞杆组成，当外力作用于活塞杆端部销轴，活塞杆推动活塞移动，硅油通过活塞上的小孔(阻尼孔)从活塞的一侧流向另一侧，消耗了能量。当发生地震时，建筑物结构发生振动力作用于消能器的活塞杆轴向，使活塞左右交替移动，不断消耗地震所产生的能量，使建筑物振动绝对位移量减小，并控制在允许的范围内，保护了建筑物，达到抗震目的。根据其阻尼系数不同可分为不同规格和型号，北京站抗震加固消能支撑工程所用阻尼铝为美国Taylor公司生产，阻尼力为136T，如图8所示。此钢结构形式为型钢(槽钢和H型)框架加厚壁无缝钢管斜支撑的三角形稳定结构，阻尼器通过耳板及底座安装于斜支撑和框架之间，框架外四焊有螺纹钢锚筋，同原结构梁及柱的化学植筋连为一体，更增加了结构的稳定性，这样在发生地震时，梁和柱由于震动产生的位移正是通过与框架之间的后浇梁和柱传递给阻尼器，使阻尼器产生拉(或压)力，产生阻尼，使梁和柱的震动减缓、位移减小，使建筑物受到最小程度的破坏，从而产生抗震的目的。[18] 图7：油阻尼器构成的消能支撑结构简图 图8：北京站抗震加固消能支撑工程支撑安装北面立面图(3).粘弹性阻尼器(VED)粘弹性阻尼器是由粘弹性材料与约束钢板交替叠合粘结而成的，是一种主要与速度相关的减振装置，它是通过粘弹性材料的滞回变形来减小结构的振动反应的。粘弹性阻尼器的力—位移滞回曲线为椭圆形，消能能力比与位移相关的消能减振装置强得多，既能用于抗震也能用于抗风，并且只要有微小的振动，就能减振。常采用的粘弹性消能支撑型式有2种：①单向对角斜撑，如图9所示，按尺寸不同，有8种编号从A1，A2，A3，B,C1,C2，C3，C4；②小八角撑，如下图10所示，只有一种编号D。图9A，B，C型消能支撑及粘弹性阻尼器(单位：mm) 图10D型消能支撑及粘弹性阻尼器(单位：mm)试验表明，2种粘弹性阻尼器都有稳定的良好的动力性能，最大剪切变形幅值可达298％。粘弹性材料的老化年限在80a以上，由于粘弹性材料在阻尼器中被钢板包裹，故实际的老化年限还要大些，可以满足设计使用年限50a的要求。试验表明，当环境温度在10～25度范围内，激励频率为0.7～1.5Hz时，可取表观的贮存剪切模量G’为4.2～6.2N／mm，损耗因子为0.8～1.05。粘弹性材料与钢板间的受剪粘结强度为1.52N／mm2，考虑安全因素取为0.8N／mm2，故A1、A2、A3、B、C1、C2、C3、C4、D型消能支撑的拉力或压力设计值分别为720和40kN。消能支撑允许的轴向变形主要取决于粘弹性阻尼器的剪切变形幅值，考虑到安全，只取50％，故A1、A2、A3、B、C1、C2、C3、C4、D型消能支撑允许的受拉或受压变形值分别为10和5mm。文献[16]根据粘弹性阻尼材料的应力—应变关系，推导了粘弹性阻尼器和人字型支撑的组合层间单元刚度矩阵及单元控制力向量；并基于框架结构的空间特性，建立了设置斜撑Ved框架结构在考虑空间协同分析的基础上地震反应时程分析的控制方法；最后，应用该方法，对设置Ved斜支撑后钢筋混凝土框架结构进行了结构地震反应时程分析，并根据计算结果对其减震效果进行了分析讨论。(4).粘弹性—摩擦阻尼器粘弹性—摩擦阻尼器装置是根据粘弹性阻尼器和摩擦阻尼器各自的耗能特点设计出的一种新型耗能阻尼器装置，该复合阻尼器在小震作用下。由粘弹性材料对结构耗能减震，在大震作用下。当粘弹性材料应变达到某一定值时，自动启动摩擦耗能装置，既充分发挥了摩擦阻尼器的减震作用，又避免了粘弹性材料的破坏，使结构拥有自适应的控制能力。文献[17]根据新型粘弹性－摩擦阻尼器的耗能特点和底部框架础体结构动力特性，提出通过对底部框架砌体结构设置粘弹性－摩擦阻尼器，达到对底部框架砌体结构抗震加固的目的,并推导了粘弹性—摩擦阻尼器和人字型支撑的组合层间单元刚度矩阵和控制力向量，建立了设置粘弹性—摩擦阻尼器框架结构地震反应时程分析的控制方法。3.吸能减震技术之一--------TMD和TLD吸能减震有两种方式：（1）、通过附加的质量，弹簧体系起到消耗地震作用的功能或设置的专门的容器灌注液体，通过晃动，起到耗能作用，主要有调频质量阻尼器（TMD）和调频液体阻尼器（TLD）。（2）、结合其他构件兼起耗能作用，如设置消能支撑、减震墙、制振墙、容损构件等，使结构再出现变形时大量消耗地震能量，起到防震作用。(1).调频液体阻尼器(TLD)近年来，一种称为调频液体阻尼器(TunedLiquidDamper，TLD)的被动控制装置、由于具有简单、经济、容易安装、容易调整水的晃动频率，维护少等特点，越来越受到注意。所谓TLD就是利用结构上固定容器中液体的惯性和粘性耗能来减小结构振动。通常,TLD可与建筑顶部的储水装置结合使用。这种阻尼器具有很多优点：经济，基本上不增加或只增加很少的土建费用就可以达到减震的目的；简单易行，可方便地将盛水容器放置在建筑物上；适合于短期和长期使用；较少的维护费用；多用途，利用水箱可同时作为供水装置和阻尼器。当建筑结构在风荷载或地震荷载作用下发生振动时将带动水罐一起运动，而水罐的运动将使罐中的水产生晃动、并引起表面的波浪，这种水和波浪对罐壁的动压力差就构成了对建筑结构的减震力。1980年，Modi等首次提出利用液体阻尼器来抑制地面结构物的风致失稳。1984年，Bauer提出一种新的抑制结构物振动反应的阻尼器，即利用贮有两层互不相容的不同密度液体的矩形容器作为阻尼器安装在结构上，依靠两层液体交界面的运动产生动侧压力来提供减振力。从工作原理上况，这两种液体阻尼器都是调谐液体阻尼器。1987年，Sato提出用TLD控制建筑结构的振动。同年，TLD装置首次应用于地面结构物——日本的Nagasaki机场指挥塔的风振控制。此后，TLD对地面结构物动力反应控制的研究引起了土木工程界学者和工程设计人员的广泛关注，目前在这一领域已取得了一定的研究成果，并开始付诸工程实践、其有效性也得到了证实。调谐液体阻尼器主要分两类。第一类是矩形、圆柱形或圆环形的水箱，第二类是一种U型形状的管状水箱，一般所说的TLD是指第一类，而把第二类称之为调谐液体校状阻尼器(tunedliquidCloumnsdamper。简称TLCD)。 通过有关结构实例的计算研究，我们可以看到，经过适当设计的调频液体质量阻尼器(TLD)可以有效地减小结构的风振和地震反应。而且，从功率谱曲线可知，TLD对于结构的能量耗散，主要集中在结构的基频附近，可见，TLD对结构的第一振型起主要的控制作用。 调频液体质量阻尼器(TLD)作为一种被动控制装置，由于其众多优点,已成为震动控制中的一个热点。虽然液体质量阻尼器研究及应用时间不长，但已取得了重要的研究成果，其有效性已在实际结构的应用中得到证实。不过，调频液体质量阻尼器的研究与应用尚且处于起步阶段，还有许多问题有待研究。如建立更一般的既包括深水也包括浅水振荡的TLD计算模型(因水箱有时具有多用途)；进一步研究TLD多自由度体系在地震作用下的特性，包括理论和试验研究；实际结构中用TLD来减小地震反应，目前尚属空白，应加大试点力度；开展更加有效的调频液体阻尼器的半主动控制装置等课题的研究。由于结构分析技术和轻质高强材料的发展，今后将要兴建的高、柔土木工程结构，其高度将会越来越高。因此，调频液体阻尼器一定会在土木工程结构的减震中发挥越来越大的作用。(2).调谐质量阻尼器(TMD)TMD系统就是在主体结构上附设一个或多个小型的振动系统，它们都有自己的质量、自身的支承体系，即自复位弹簧与阻尼器，将起自振频率设计成与主体结构的主要自振频率接近或一致时，附加体系的振动反应将会非常强烈，并且会对主体结构产生一个抵消外力作用的反向力，起到减轻主体结构振动的作用。这时候，TMD就相当于一个“吸振器”，将主体结构的振动吸收到附加结构上，以附加结构的较大幅度的振动为代价，来消减结构的振动反应。在TMD的设计上一般要求“吸振器”具有很强的变形能力且不发生破坏。TMD的质量块可以使用已有的水箱、砼块、装铅的钢箱、环绕在结构外部的装铅钢箱、环形水箱等，其质量一般取结构系统总质量的1/20到1/200，一般质量块质量越大，减震效果越好。设计原则是TMD的自振频率设计成与主体结构的主要自振频率接近或一致，这样就可以确定TMD的阻尼系数和弹性刚度系数。弹簧系统可以用普通的螺旋弹簧或者用气动弹簧，弹簧一般要沿纵横两个方向安装或者四周都安装。阻尼系统一般用油压阻尼器，它通过调节活塞面积、油的粘滞度来控制阻尼，要求阻尼系统能够市振动反应减小，而且使质量块的运动控制在一定运动范围内，当然应该与弹簧系统配对设置。另外还需要质量块的支撑系统，即要合适选用悬吊的挂钩或者尽量小的摩擦系数，保证质量块的运动的灵敏度；例如，支承式支撑系统可以用支承质量块的数个在钢板上滑动的液压千斤顶构成，用质量块与支承钢板间的增设油膜层来减小摩阻力。TMD的减震效果一般只能使结构振动响应下降20%到25%，对设计参数进行优化后能下降1/3到1/2。TMD的适用范围广，对于高层或其他低频长周期的也都能适用，可以单独使用，也可以与基础隔震等措施联合使用。TMD可以用来减小房屋在地震作用下的竖向震动，而隔震体系则不能隔离竖向振动。(3).粘弹性条板式减震装置粘弹性条板式减震装置在大地震时，可以大幅度地吸收反应加速度，减小建筑物的晃动强度，以保持震后建筑物内部的使用功能。这种减震装置被设置在建筑物的外围和内部梁柱构成的框架内(如图11所示)，并按八字形分开组装。这种装置在地震与风荷作用下，加在建筑物上的振动能量，即被粘弹性体集中吸收，因而能降低建筑物强烈摆动的危害。图11粘弹性条板式减震装置与应用图12粘弹性减震装置结构示意图图12示粘弹性减震装置是日本鸿地司开发的一种粘弹性条板式减震装置，由5块钢板叠合构成，在钢板间的隙内，填入橡胶条粘弹性体。条板式粘弹性减震装置由钢板与粘弹性体相间叠合而成。粘弹性体按功能与使用要求可分为高衰减性橡胶系与橡胶沥青系两种，前者用于温度变化大的建筑物外围，后者则用于受温度变化影响小的建筑物内部。根据试验研究，其主要优点是：与同类产品相比可降低成本1／2～1／3；具有很高的减震性能，大地震时，可使建筑韧的振动强度降低50％，能防止室内家具杂物等移动和倾倒，对中小型地震和风荷载更能适应；安装方法简易，可在结构施工、安装框架时同时进行，作业效率高。4.吸能减震技术之二——消能支撑(1)塑性消能支撑（即钢材受弯屈服型消能支撑，即耗能框支撑）利用小钢框(圆的或方的)的塑性弯曲变形来消能，如图13所示。前苏联学者做过这方面的研究，我国学者也作过这种消能支撑的试验研究工作。这种消能支撑的耗能性能好，但更换或维修较为不便。 图13耗能框支撑简图图14摩擦阻尼消能支撑图15摩擦剪切铰消能支撑图16铅－橡胶阻尼消能支撑(2)摩擦阻尼消能支撑由摩擦阻尼器构成的消能支撑 最简单的摩擦阻尼器是由三块钢板组成。中间一块沿支撑轴线方向开有条形滑移槽，上、下两块钢板钻有普通螺栓孔，采用高强螺栓将三块钢板连成一整体，这就是消能节点。这一部分再与支撑其它部分相连。文献[26]作者设计讨论了一种摩擦型滑动消能支撑，在试验基础上，对其工作机理进行了初步探讨，分析了其修复力特性及其影响因素。试验表明，这种摩擦消能支撑与普通支撑相比，能够耗散较多的能量，而且支撑中应力始终保持在可控制的弹性范围内。在增加结构延性和消耗能量等抗震特性方面，这种消能支撑是很有效的。加拿大的Pall研究的Pall阻尼器消能支撑（又称交叉板式摩擦阻尼器构成的支撑），支撑中间有一个小方框，方框四角为铰结，框内四条斜杆交于中点（即将两个摩擦阻尼器交叉设置在一个矩形小框中），在中点处用高强螺栓夹紧，如图14所示。它不仅能保证摩擦阻尼器的变形要求，还可以保持房屋向左向右振动时的对称性，同时可避免支撑杆受压屈曲。(3)摩擦剪切铰消能支撑（1991年研制成功）如陈宗明等的研究成果（文献[20]），见上图15。(4)油阻尼器消能支撑把油阻尼器装在斜撑上，利用油的粘滞阻尼来消能。(5)铅—橡胶胶阻尼消能能支撑，如如图16所示。(文献[14]])(6)复合型摩摩擦消能支支撑（1995年研制而而成）[19]] 因上述各型摩擦擦消能支撑撑兼有滑动动摩擦和转转动摩擦，故故称之为复复合型摩擦擦消能支撑撑。这种摩摩擦消能支支撑能最大大眼度地提提高摩擦消消能的效率率。同时，由由于利用了了小方框机机构，使得得当一个方方向受到挤挤压时，另另一个方向向就被迫伸伸展，这样样受压斜扦扦屈曲后在在支撑反向向受力时能能马上进入入受拉状态态，得以伸伸直，大大大减小了空空档的出现现。强震发发生时，复复合型摩擦擦消能支撑撑主要经历历三个工作作状态：=1\*GB3①.弹性状态当当水平荷载载较小时，斜斜拉杆和斜斜压杆均处处于弹性状状态，机构构节点不转转动，方框框保持方形形，如图17所示。=2\*GB3②.斜压杆屈曲状态态为了有效效利用杆件件的承载力力，四根斜斜杆均按拉拉杆设计。随随着水平荷荷载的增大大，斜压杆杆进入屈曲曲状态，但但斜拉杆仍仍处于弹性性状态。如如图18所示。=3\*GB3③.消能状态随着水平平荷载的继继续增大，斜斜拉杆的应应力不断增增大，在斜斜拉杆屈服服前，消能能节点转动动，开始消消能；同时时，方框内内沿斜拉方方向产生滑滑动，使方方形的机构构变成菱形形，促使斜斜压杆也产产生滑动，并并由弯曲状状态逐渐伸伸直。如图图19所示。图17复复合型摩擦擦消能支撑撑弹性状态态图18斜压杆屈屈曲状态图19消能状态 文献[19]详细介介绍了复合合型摩擦消消能支撑的的研制（介介绍了七种种支撑构造造型式,型、I型、Ia型、=2\*ROMANII型、=2\*ROMANIIa型、=3\*ROMANIIII型、=3\*ROMANIIIIa型）和试试验情况，并并且讨论了了该种支撑撑的动力分分析方法。文文献[21]介绍了装装有复合型型摩擦消能能支撑的钢钢框架模型型的地震模模拟振动台台试验。文文献[22]]提出了=2\*ROMANIII型的另一一种改进型型，称之为为=2\*ROMANIIb型，通过过全面分析析和计算了了I。型和=2\*ROMANIIIb型两种摩摩擦消能支支撑装置在在各种变形形状态下的的单元刚度度矩阵，并并且文中建建立的型和和=2\*ROMANIIb型两种摩摩擦耗能机机构的力学学模型和滞滞回模型，可可进一步用用来进行消消能减震结结构体系的的地震时程程分析。文文献[23]][24]]运用非线线性规划中中的复形法法，对消能能支撑结构构中消能支支撑进行了了优化，编编制了适用用性较好的的计算机程程序，并以以一个6层钢筋混混凝土框架架作为算例例，给出了了在不同层层间位角限限值下的优优化结果。文文献[25]讨论了=2\*ROMANIIIb型摩擦消消能支撑的的弹塑性本本构关系的的简化模型型，对层间间剪切型的的框架结构构作基于Newmmark－法的弹塑性性动力时程程分析，设设计了非线线性动力时时程分析程程序FEDBBAP，在此基基础上，对对六层钢框框架结构模模型输入四四个不同地地震动，FEDBBAP分析的结结果表明：：摩擦消能能支撑钢框框架(FEDDBF)比抗弯钢钢框架(MRFF)的地震作作用明显降降低，尤其其在强震作作用下效果果更加显著著，最大位位移反应减减少约40％～60％，顶层层加速度放放大系数减减小约40％～55％。根据“高钢规程”，钢结构构层间弹性性和弹塑性性位移角限限值分别为为p＝1/2550和p＝1/70。经验算算，该钢框框架不设置置摩擦消能能支撑时(即MRF)满足层间间弹性位移移要求，但但不满足层层间弹塑性性位移要求求；而设置置摩擦消能能支撑时(即FEDBBF)则不但满满足层间弹弹性位移要要求，同时时亦满足层层间弹塑性性位移要求求。复合型摩擦消能能支撑具有有如下优点点：=1\*GB3①初始刚度度大；=2\*GB3②当水平力力反向时支支撑空档小小，支撑的的滞回曲线线饱满，耗耗能能力大大；=3\*GB3③多次荷载载循环后，滞滞回曲线无无退化现象象；=4\*GB3④构造简单单，容易加加工，造价价便宜，易易于在实际际工程中应应用；=5\*GB3⑤耐久性好好，不需维维护。（7）.偏交耗能支撑偏心支撑钢框架架是一种相相当有效的的抗震结构构体系。偏偏心支撑框框架(EBFF)充分利用用了支撑与与柱、或支支撑与支撑撑之间的梁梁段形成耗耗能梁段，是是一种非常常刚劲的结结构体系，具具有极好的的耗能能力力以抵抗大大的地震影影响，还可可保护支撑撑斜杆免遭遭过早屈曲曲，相应地地延长和有有效地保持持结构抗震震能力的持持续时间，且且可有效地地节约钢材材(比中心支支撑框架轻轻约20％，比纯纯弯框架轻轻约30％)。因此可可以说，具具有耗能梁梁段的偏心心支撑框架架兼顾了抗抗弯框架和和中心支撑撑框架的优优点。它通通过连杆(如图20所示)的屈服和和塑性变形形发展消耗耗地震能量量。连杆正正常工作时时，偏心支支撑和框架架锭的受力力应小于其其承载力，因因此偏心支支撑钢框架架的设计原原则为：在在使连杆达达到其设计计承载力的的外荷载下下，支撑和和柱的受力力应是达到到其设计承承载力的多多少分之一一；或支撑撑和柱的设设计承受外外载能力应应为连杆设设计承受外外裁能力的的多少倍。从内力分布图221中可知，耗耗能梁段在在水平力作作用下将承承受高的均均布剪力、高高的杆端弯弯矩及较低低的轴向荷荷载，同时时在耗能梁梁段以外的的梁也承受受了较大的的杆端弯矩矩及轴向力力。对于长长度较小的的耗能梁段段，随着水水平荷载的的增加，在在杆段弯曲曲破坏之前前，往往在在梁段内产产生剪切铰铰，形成剪剪切梁段；；对于长度度较大的耗耗能梁段，其其端部的弯弯矩值较大大，在梁段段剪切屈服服前将产生生弯曲屈曲曲。国内外外的一些资资料均把e<1..6Mp//Vp的梁段称称为剪切型型梁，e>1..6Mp//Vp的梁段称称为弯曲型型耗能梁段段(Mp为梁段塑塑性抗弯强强度，Vp为抗剪强强度)。从内力力分布可知知，剪切型型梁段由于于剪力分布布均匀，如如不考虑局局部高应变变，一旦形形成剪切塑塑性铰，该该铰的分布布范围将很很大，甚至至充满整个个梁段。也也就是说，剪剪切型梁段段具有非常常好的变形形能力，因因而可以耗耗散更多的的能量。文献[27]将以试试验和统计计为基础，用用可靠度理理论确定了了偏心支撑撑钢框架的的设计原则则。EBF的设计，是是根据在耗耗能梁段外外，框架基基本上处于于弹性阶段段的设计思思想。在极极限荷载下下，消能梁梁段要出现现非弹性变变形，表现现为极好的的延性和耗耗能能力。规规范规定，要要保证粱、支支撑、杆及及其连接处处于弹性，而消消能粱段保保持稳定。在在大震作用用下，消能能梁段可出出现永久性性变形和损损坏。设计计EBF时有三个个变量：支支撑形状、消消能梁段的的长度和消消能粱段的的截面特性性。当这几几个参数确确定后，框框架设计的的其它方面面可按对上上述三个方方面影响最最小的原则则来完成。文献[28]试验了了五榀试件件，比较了了三种支撑撑形式：单单斜支撑、斜斜交叉支撑撑、k型支撑，在在试验过程程中考虑连连系梁的剪剪切斜裂缝缝影响，以以及支撑梁梁、校材料料非线性、节节点区锚固固钢筋的粘粘结滑移等等因素，对对偏心支撑撑钢筋混凝凝土框架进进行了非线线性分析，分分析结果表表明：=1\*GB3①与纯框架相比，粘粘结滑移对对偏心支撑撑框架的变变形影响减减小，但同同样使承载载能力略有有降低。=2\*GB3②P-△效应也较普通框框架影响减减小，仅在在进入下降降段支撑开开始屈服后后P－△效应影响响才较为明明显。=3\*GB3③当结构梁柱内形形成的塑性性铰数目使使结构成为为机构时，结结构的承载载能力及变变形均未达达到极限状状态，仍能能提供抗力力。在塑性性铰达极限限状态支撑撑压屈后结结构才进入入下降段。所所以结构极极限状态不不仅与结构构塑性铰数数目、状态态有关，而而且与支撑撑受力状态态有关。=4\*GB3④连系梁的变形性性能对框架架承载力及及延性均有有较大影响响，对于X型支撑影影响分别达达9％和20％。=5\*GB3⑤随偏心支撑抗侧侧刚度的增增大，框架架的承载力力提高；而而延性降低低。当支撑撑侧向刚度度达总侧向向刚度95％时，框框架性能与与珩架相似似，而当支支撑侧向刚刚度较小，占占总刚度20％时，框框架性能与与纯框架相相似。说明明偏心支撑撑框架性能能可通