1、 消能減震施工技術消能減震施工技術 傳統的抗震方法是房屋上部結構和基礎牢牢地連傳統的抗震方法是房屋上部結構和基礎牢牢地連接在一起，地震時，地面運動能量經過基礎輸入到房接在一起，地震時，地面運動能量經過基礎輸入到房屋結構，致使房屋結構發生振動、變形，甚至倒塌。屋結構，致使房屋結構發生振動、變形，甚至倒塌。“消能隔震消能隔震”的基本思想是使基礎和上部房屋結構分的基本思想是使基礎和上部房屋結構分離離, ,隔離地震能量向建筑物的輸入。實現地震時地動隔離地震能量向建筑物的輸入。實現地震時地動而建筑物基本不動，達到保證建筑物安全的目的。而建筑物基本不動，達到保證建筑物安全的目的。 1、消能減震結構的概念、

2、消能減震結構的概念 o 消能減震的力學原理就是在結構會產生相對運動的部位增設一些阻尼器之類的消能裝置，當結構受到地震作用時，這些阻尼器在結構相對運動的強迫作用下，產生抵抗結構相對運動的阻力運動，這些阻尼力在運動過程中做功，通常以導致阻尼器發熱而耗散掉部分結構相對運動的能量，從而減小結構的地震響應，即減小結構的損壞或保證結構的正常使用功能。 結構消能減震建筑的特點結構消能減震建筑的特點o 消能減震裝置可同時減少結構的水平和豎向的地震作用，適用范圍較廣，結構類型和高度均不受限制o 消能減震裝置應使結構具有足夠的附加阻尼，以滿足罕遇地震下預期的結構位移要求o 由于消能減震結構不改變結構的基本形式，除

3、消能部件和相關部件外，結構設計仍可按照規范對相應結構類型的要求執行2、消能減震結構的分類、消能減震結構的分類 o 位移相關型消能裝置 o 速度相關型消能裝置 o 其他類型的消能裝置 2.1 位移相關型消能裝置 o 鉛阻尼器。鉛阻尼器利用鉛具有密度大、熔點低、塑性高、強度底、耐腐蝕、潤滑能力強等特點，使得該消能器有較高的延性和柔性，在變形過程中可以吸收大量的能量，并有較強的變形綜合能力。同時，通過動態回復與再結晶過程，鉛的組織和性能還可恢復至變形前的狀態。鉛消能器類型主要有鉛擠壓阻尼器、鉛剪切阻尼器、鉛節點阻尼器、異型鉛阻尼器等。 2.1 位移相關型消能裝置o 粘彈性阻尼器。粘彈性阻尼器同時具有

4、彈性剛度和耗能性能。最早的粘彈性阻尼器是美國 3M 公司研制開發的，它由兩塊 T 型鋼板夾一塊矩形鋼板組成，T 型約束鋼板與中間鋼板間夾有一層粘彈性材料，這層材料的剪切變形與其相對應的剪應力存在相位差，從而產生剪切滯回特性，增加了結構的阻尼。彈性與粘性都對降低結構的動力反應起作用。該消能器目前己得到廣泛的應用。近年來開發出的裝置還有瀝青橡膠組合粘彈性阻尼器、粘彈性橡膠剪切阻尼器、超塑性硅氧橡膠粘彈性剪切消能制震系統、杠桿粘彈性阻尼器等 。2.2 速度相關型消能裝置 o 粘滯流體阻尼器。粘滯流體阻尼器曾廣泛應用于軍事和航空領域。目前已在建筑和橋梁的振動控制中得到運用，已研制開發的粘滯流體阻尼器有

5、筒式流體阻尼器、粘性阻尼墻系統、油動式阻尼器等。筒式流體阻尼器一般由缸體、活塞和粘滯流體組成。活塞上開有小孔，或活塞與筒體之間留有間隙，活塞可在充有硅油或其它粘滯流體的缸筒內作往復運動，當活塞與筒體間產生相對運動時，流體從活塞的小孔內通過，或從活塞與筒體之間的間隙中通過，對兩者的相對運動產生阻力，從而耗散能量。 2.2 速度相關型消能裝置o 電磁流體阻尼器。電流(ER)變流體和磁流變(MR)流體是 20 世紀 80 年代末興起的兩類性能極為相似的可控流體。其流體效應可用電場強度和磁場強度有效地控制。這些智能材料用于結構減震的主要原理是它根據動力傳感器測得的結構瞬時振動狀態，由 ER(MR)智能

6、可調參數結構構件中的智能可調阻尼器在各瞬態時調整參數，從而實現減小整個結構地震反應的目的。用這些可控流體設計和制作的消能器具有結構簡單，所需驅動功率小，反應迅速等特點，而且可和其它減震機構串、并聯使用，以提高功效。 2.3 其他類型的消能裝置 o 復合型阻尼器。復合型阻尼器是利用兩種或兩種以上的消能元件或消能機制設計而成的新型消能減震裝置。已研制開發的一些復合消能器有彈塑性-摩擦型阻尼器、彈塑性-粘彈性阻尼器、摩擦-粘彈性阻尼器、鉛粘彈性阻尼器、流體-粘彈性阻尼器等。 2.3 其他類型的消能裝置o 調頻質量和調頻液體阻尼器。又稱 TMD 和 TLD。TMD是在結構中增設裝有附加質量塊的外加機構

7、，使其自振頻率與結構自振頻率基本一致，利用共振原理，將外激勵的能量消耗在外加機構中的質量塊的運動上，從而達到減震的目的。TLD 除了具有 TMD 的功能外，還要求通過增設在結構上的容器中的液體的運動來消耗和吸收振動能量，從而達到減震的目的。這兩種裝置較簡單，易于實施，但是減震效果受限，對結構自振頻率的估計精度要求很高。 2.3 其他類型的消能裝置o 設置耗能桿件。在結構中設置一些耗能支撐、隅撐或一些附屬構件，當地震作用時，利用這些構件的滯回耗能性能消耗一部分地震能量以減弱主體結構的地震反應。這些構件在地震后產生一定程度的損壞，但其更換方便，維護成本低廉，因而也是一種耗能的重要方式。 3、消能減

8、震結構在工程中的應用、消能減震結構在工程中的應用 o 消能減震結構步前已獲得廣泛的應用，但各種消能減震裝置有其各自的特點和適應的范圍。3、消能減震結構在工程中的應用、消能減震結構在工程中的應用o 速度相關型消能器如粘滯流體阻尼器適用各種相對位移情況，其阻尼力與相對運動速度的相關關系，在相對運動速度不大600mm/s 及相對運動頻率不大于3Hz 的工作狀態下非常穩定，其對支撐剛度的要求是與阻尼力的大小，期望阻尼器耗能的起始行程狀態相關聯的，與結構的層間剛度不直接相關它的耗能性能及耐疲勞性能較好，較大的溫差環境溫度對其阻尼力大小有些輕微影響但目前對其耗能性能的耐久性尚無可靠數據說明，即是說位于室內

9、正常環境下，經年或更長時間后的耗能性能的變化情況尚無可靠資料證明。 3、消能減震結構在工程中的應用、消能減震結構在工程中的應用o 對于金屬阻尼器，存在疲勞斷裂問題，如要求小震下起作用則對支撐剛度要求較高，通常適用于相對位移不太大的情況；摩擦阻尼器在小震情況下基本無耗能作用，只有剛度貢獻，且對于預壓應力的精度要求較高；對于鉛阻尼器應考慮鉛對環境的污染，同樣只適用相對位移不太大的情況；粘彈性阻尼器的缺陷是其儲存模量與損失模量的特性，與溫度變化和阻尼器相對剪切變形的頻率密切相關溫度高時模量降低，故而耗能特性降低，但其模量是隨著頻率增高而增大，但該兩模量的比值卻對溫度變化和加載頻率不敏感；3、消能減震

10、結構在工程中的應用、消能減震結構在工程中的應用o 5.12大地震后首個消能減震加固工程(使用粘滯阻尼器)o 摩擦消能器在加固工程中的應用 o 粘彈性消能器在加固工程中的應用 3.1 3.1 工程實例工程實例1 1o都江堰市北街小學試驗外國語學校藝術大樓,為現澆鋼筋混凝土框架結構,框架層數為5層,總高度18m。按照7度抗震設防,但在5.12特大地震中,原結構還是遭到了破壞,1層柱柱頂受損(圖1),1,2層墻體出現裂縫(圖2),局部墻體破碎,局部樓梯構件受損。 通過進行結構抗震驗算,發現原結構多數梁柱不滿足抗震要求,如果逐個構件采用傳統加固方法進行加大截面,將帶來很大的工程量和較長的施工工期。同時

11、,加大柱子截面,將減小建筑的使用面積,最后通過論證,提出采用消能減震加固技術對原結構進行抗震加固的方案。首先加固受損柱頂,對節點區域混凝土鑿面,剔除損壞部位破損的混凝土,并用吹風機吹凈混凝土表面粉塵,然后采用比原結構混凝土強度等級高一級的C35混凝土修補料對混凝土破壞的節點進行修補找平,再對節點采用外包鋼法對節點做加固處理(圖3,4)。最后,用錨栓將鋼板固定在柱子上(圖5)。圖1、一層柱柱頂受損圖2、墻體出現裂縫圖3、節點包鋼注膠加固 圖4、節點加固施工 圖5、錨栓固定鋼板 工程實例工程實例1 1o 該加固工程使用的消能裝置是上海材料研究所研制開發的粘滯阻尼器(圖6),粘滯性阻尼器是消 能減震

12、控制技術中的一種消能裝置,被安裝于結構某部位(如節點、連接縫或連接件、樓層空間等),在小震作用下,阻尼器處于彈性狀態,給結構提供剛度,結構體系具有足夠的抗側剛度。在中、強地震作用下,隨著結構側向位移的增大,阻尼器進入彈塑性狀態,產生較大阻尼力,通過把地震中傳入結構的能量轉化為阻尼介質的熱能,大量消耗傳入結構中的地震能量,以確保主體結構在中、強震中的安全使用。圖6、粘滯阻尼器構造示意 工程實例工程實例1 1o 該5層樓加固工程共用20個粘滯阻尼器,最大出力為700kN(表1)。根據消能器的布置原則和振型分解反應譜法計算的樓層位移角確定:在1層安裝10個型號為KZ2700Sx100X的粘滯阻尼器和

13、4個型號KZ2700Sx100F的粘滯阻尼器(圖7);圖7、1層阻尼器布置結構平面工程實例工程實例1 1o 在2層安裝4KZ2700Sx100X的粘滯阻尼器和4個型號為KZ2700Sx100F的粘滯阻尼器(圖8）。根據計算結果,支撐采用字形(圖9)、斜拉(圖10)的鋼支撐。圖8、2層阻尼器布置結構平面圖9、字形支撐圖10、斜拉支撐工程實例1o該學校使用粘滯阻尼器來消能減震,加固因地震受損房屋在我國還是首次。本次加固費用約為160萬元;而進行傳統加固至少要對基礎和13層共32根柱子做截面加大處理,每根柱子加固費用大約為5萬元,另傳統加固過程中損壞的墻體樓面板以及水電管線等恢復費用約為20萬元,總

14、計費用預計約為180萬元。采用粘滯性阻尼器加固節省了不低于10%的費用。而且使用阻尼器技術加固,不會壓縮房屋使用面積,拆除工作量小,施工干擾性小且周期短,基本上終身不用維護。 安裝阻尼器的消能減震結構,將有效減少結構的地震反應,使結構不產生過大的振動,確保結構不發生破壞倒塌。在將安全度提高一度的情況下,主體結構的截面尺寸也不用增加,結構體系的安全度仍能滿足現行規范的要求,可以獲得顯著的經濟效益,可降低造價10%20%。在相同的結構體系下,安裝粘滯阻尼器可大大提高結構的可靠度。本項目的工程中,雖僅安裝了少量阻尼器(20個),但減震效果明顯,且使結構抗震設防烈度成功提高一度。3.2 工程實例2o

15、聯邦電子科研大樓位于加拿大首都渥太華,它建于1993年,在2003年增加了1層。這是一幢3層的混凝土框架結構的建筑,帶有1層的地下室。基于對里邊重要的科研設備裝置的安全考慮,工程人員決定采用摩擦耗能支撐對其進行加固。摩擦支撐的布置如圖11所示,在兩條斜支撐的交點處共安裝23個滑移為300kN的摩擦耗能器(圖12)。摩擦耗能器的使用使整個加固工程變得很經濟,而且這些阻尼器可以吸收地震能量,保護建筑及其里面的設備。圖11、三位分析模型中摩擦阻尼支撐的布置圖12、摩擦耗能器在安裝過程和安裝完成3.3 工程實例3o 潮汕星河大廈位于汕頭市金環路東側,總建筑面27976.8平米 ,地下1層,地上總高度9

16、8.70米。分塔樓和裙房兩部分,裙樓4層,塔樓25層(設計22層,后加3層)。結構平面形狀為橢圓形。結構形式為鋼管混凝土組合結構,結構體系為核心剪力墻筒外框架體系。 潮汕星河大廈由于原設計為22層,施工至12層時,業主提出增加3層,結構變為25層。工程實例3o 經初步設計分析,Y方向在小震作用下,結構的層間位移個別樓層不滿足建筑抗震設計規范和高層建筑混凝土結構技術規程的要求,經采用傳統加固方案和采用消能減震加固方案對比分析后,確定采用消能減震加固方案。 本工程的耗能部件采用由廣州大學周云教授研制的復合型鉛粘彈性阻尼器(圖13)。工程實例3o 根據耗能支撐的布置原則和振型分解反應譜法計算的層間變

17、形確定: 在第4,6,7,11,16,20,24層安裝阻尼器,每層4個,對稱布置。第6,7層阻尼器安裝于4軸及7 軸,其余安裝于5軸及6軸。圖14為阻尼器結構布置平面圖。阻尼器連接放置做法見圖15。圖13、復合型鉛粘彈性阻尼器 圖14、阻尼器布置結構平面 圖15、阻尼器安裝立面 工程實例3o 加固工程在采用了28個復合型鉛粘彈性阻尼器后,結構的阻尼比由5%增大至11%,最大層間位移角由1/740減小至1/893,滿足高層建筑混凝土結構技術規程所規定的框架剪力墻結構的最大層間位移角限值。復合型鉛粘彈性阻尼器能有效地增加結構的阻尼比,減小結構的層間位移,達到了減震的目的。 該工程是國內高層鋼鋼筋混

18、凝土混合結構中安裝阻尼器的第一個工程,也是采用消能減震技術進行高層建筑結構加層的第一個工程。4、消能減震加固在災后重建加固中的特殊、消能減震加固在災后重建加固中的特殊優越性優越性o 建筑結構本身是一個整體,當其抗震設防烈度需要提高一度的時候,不滿足要求的就是結構的抗側剛度。可選用的加固方法有傳統的加固方法和消能減震加固方法等。 選用傳統的加固方法進行加固,則要對整個建筑結構的梁柱截面進行加固,如果僅加固個別樓層的梁柱,則容易造成剛度的突變,在不加固的樓層形成薄弱環節,則結構整體的抗震性能提高得不顯著 或者達不到設防烈度提高一度的目的。也就是說,形成了“木桶效應”。4、消能減震加固在災后重建加固

19、中的特殊、消能減震加固在災后重建加固中的特殊優越性優越性o 對整個樓的梁柱進行增加強度和剛度,增強結構的整體剛度,結構更“剛”了,則結構在地震中吸收的地震能量就更多。也就是說,形成了一定范圍內的惡性循環,勢必要大幅度地提高加固成本。傳統加固方法主要通過加大截面、增設墻體、粘貼鋼板等方法提高結構的強度和剛度,以“硬抗”為主,通常需要加強基礎,構件截面的加大壓縮使用空間,施工周期長,干擾性大,材料用量大,人工費用高。4、消能減震加固在災后重建加固中的特殊、消能減震加固在災后重建加固中的特殊優越性優越性o 選用消能減震加固技術對建筑結構進行加固,根據建筑結構的特點,可以在某些控制部位加阻尼器,阻尼器系統僅是整個結構的一個附屬系統,可以顯著改善結構的動力特性,是一種局部加固,整體性能提高的加固方法。是一種“柔中帶剛”的減震加固思路,與原結構相比,加固后的結構在地震中吸收的地震能量并沒有顯著的增加,阻尼器在結構中發揮其吸收地震能量減小結構反應的作用而且不增加結構的負擔。4、消能減震加固在災后重建加固中的特殊、消能減震加固在災后重建加固中的特殊優越性優越性o 消能減震加固方法主要通過附加的耗能裝置改變結構的動力特性,在大震作用下消耗地震能量,以“柔”克剛