耗能减振及阻尼减振体系发展现状

耗能减振及阻尼减振体系发展现状 摘要：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。本文介绍耗能减震体系的基本理论，并介绍了耗能减震的应用范围及以后的发展前景，对阻尼器在耗能减震结构中的研究与应用进行了综述。 关键词：阻尼器；耗能减震；耗能减震结构体系；等效阻尼；

绪论 耗能减振及阻尼减振体系发展现状传统的抗震设计方法依靠构件的弹塑性变形来吸收地震能量，一方面不可避免地会给结构带来一定的损伤，甚至倒塌；另一方面随着建筑技术的发展，人们对于建筑的要求也越来越高，房屋高度越来高，结构跨度越来越大，而构件端面却越来越小，已经无法按照传统的加大构件截面或加强结构刚度的抗震方法来满足结构的抗震和抗风要求。合理有效的现代抗震途径是采取结构振动控制技术。工程结构振动控制是指在结构的特定部位安装某些特殊装置（如隔震垫等）、某种机构（如耗能支撑、耗能剪力墙等）或施加外力，以改变或调整结构的动力特性和动力作用，以调谐和减轻结构的地震反应。 自1972年J．T. RYao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70年代，国际土木工程界首次提出了结构振动控制的概念，由此开辟了土木工程界一个崭新的研究领域。结构振动控制 20世纪80年代初，我国土木工程界王光远院士首先引人了结构振动控制的概念，随后国内土木工程界的广大学者、研究人员深人展开了结构隔震、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。 结构振动控制按照控制措施是否需要外部能源，可以分为主动控制、半主动控制、被动控制及混合控制。耗能减震技术作为一种结构被动控制措施，是在结构物的某些部位（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。是一种有效、安全、经济且较为成熟的工程减震技术。 目前，在结构的合理位置合理安装阻尼器已是现今适用最广泛的耗能减震技术之一，我国现《建筑抗震设计规范》（GB5 11—2010）[ 2 ]将隔震和耗能减震设计作为重要内容专设一个章节，内容也越来越详尽，他适应我国经济发展的需要，有条件地利用耗能减震技术来减轻建筑结构的地震灾害是完全可能的，并随着建筑抗震技术的发展及对抗震机理的深入分析，耗能减震技术成为抗震技术的一个发展趋势

耗能减震结构体系的特点 （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构屈服前产生滑动或者耗能材料进人塑性滞回耗能状态，消耗大量输人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，以消耗输人结构的地震能量，达到预期耗能减震要求。 2主要阻尼器的耗能原理及性能 2.1摩擦阻尼器 摩擦阻尼器在主要结构构件屈服前的预定载荷下产生滑移式变形，依靠摩擦或阻尼消耗地震能量。在风荷载或小震作用下，摩擦阻尼器不动作，而是依靠建筑结构本身的耗能能力耗散能量，而在中震或大震时，在建筑结构发生塑性变形前摩擦阻尼器开始作动，改变结构的自振频率，以达到减震目的。摩擦阻尼器可采用不同的机械组合方式和不同的摩擦介质，但其基本机理都是通过摩擦进行耗能，界面有钢与钢、黄铜与钢等。加拿大Pall Dynamic公司 /摩擦阻尼器最有代表性。图1所示为一种x形支撑摩擦阻尼器构造示意图

盖板

图1 x形支撑摩擦阻尼器 2.2粘弹性阻尼器 粘弹性阻尼器主要是由具有弹性和粘性双重特性高分子聚合物制成的粘弹性材料和约束钢板所组成，如图2所示，它依靠粘弹性材料产生的剪切变形或拉压变形来耗散能量的耗能减震装置。根据变形方式分为：拉压型阻尼器和剪切型阻尼器。

图2粘弹性阻尼器 3粘滞阻尼器 粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和流体组成，如图3所示，活塞在缸内可做往复运动，活塞上有适量小孔，筒内盛满流体，当活塞与缸筒之间发生相对运动时，由于活塞前后的压力差使流体阻尼材料从阻尼孔中通过，产生阻尼力，减小结构反应。通过改变阻尼孔的大小、长度、形状可以获得不同的阻尼效果。主要有薄壁小孔、细长小孔、螺旋孔三种形式。粘滞阻尼器能给结构提供很高的阻尼，在相当宽的频带内具有结构保持线性反应、对温度的不敏感性、阻尼力与位移不同步等优点，对加速度和层剪力有很好的控制效果。

活塞杆 图3粘滞阻尼器构造图 2.4复合型阻尼器 复合型阻尼器是结合了不同耗能元件的特点，利用两种或两种以上的耗能元件或耗能机制设计而成的耗能减震装置。目前已研制开发的复合型耗能器有：铅粘弹性阻尼器、流体粘弹性阻尼器、软钢摩擦耗能器等。复合型耗能器充分利用了各种耗能器的优点，能提供多种耗能机制。 2.5金属阻尼器 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。 金属阻尼器是主要由各种不同的金属材料（如软钢、低屈服点钢和铅等）制成、利用金属材料屈服时产生的塑性滞回变形来耗散能量的耗能减震装置。 金属阻尼器具有良好的耗能能力和变形跟踪能力，工作性能稳定，耐久性能良好，构造简单易于更换，功能维护费用低，它既可以配合隔震支座或隔震系统，作为其中的耗能单元或者限位装置，也可以单独用于建筑结构中变形相对位移较大的部位，给主体结构提供附加阻尼和刚度，具有广泛的应用前景，同时在研究、试验和应用方面取得了很大的进展。

3耗能减震结构的应用

由于耗能减震技术突破了传统抗震设计的“以硬制强” “增强结构”，用“以柔克刚”、“耗能减震”，不仅使结构“大震不倒"，还能通过增大阻尼减小结构在大震时的位移与加速度反应提高抗震设计水平。这项技术既可用于新建工程，也适用于已有建筑物的抗震加固、改良，既适用于普通的建筑结构，如住宅、办公楼等，也适用抗震生命线工程，具有广阔的应用范围和应用前景。 摩擦阻尼器已用于我国十余座单层、多层工业厂房结构中：1999年，粘滞—弹簧阻尼器用于北京饭店的抗震加固改造中；2000年，粘弹性阻尼器应用于宿迁市交通大厦工程；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。 金属阻尼器近年来在日本、美国和中国台湾等国家和地区的新建和抗震加固工程中得到广泛的应用。目前，在各种类型的金属耗能器中运用较多的是无粘结支撑、蜂窝状和槽型等开孔阻尼器、低屈服点钢剪切板阻尼器等。最早应用金属屈服阻尼器的是新西兰一幢6层办公楼预制板斜撑中；意大利不勒斯的一幢2层的钢结构悬挂建筑，'在核心筒和悬挂楼板之间采用了锥形软钢阻尼器；x型钢板屈服阻尼器作为抗震加固措施已被安装在旧金山的两幢建筑和墨西哥城的三幢建筑中；加劲阻尼装置被应用于台湾的金华休闲购物中心；低屈服点钢剪切板阻尼器被应用于日本新住友医院等。

参考文献、

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