耗能減震加固方法的研究

1、耗能減震加固技術(shù)與方法的研究一、地震中結(jié)構(gòu)的損傷與破壞二、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震加固方法 2.1 傳統(tǒng)的加固方法 加大截面 粘貼鋼板 增設(shè)支撐體系 增設(shè)剪力墻 碳纖維材料加固 外套框架加層加固傳統(tǒng)加固方法的原理： 通過(guò)提高結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度，利用結(jié)構(gòu)自身儲(chǔ)存和消耗地震能量（即利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服后的延性耗散能量）以達(dá)到加固目標(biāo)。2.2 傳統(tǒng)加固方法的原理與缺點(diǎn)傳統(tǒng)加固方法存在的問(wèn)題： 傳統(tǒng)加固方法加固的結(jié)構(gòu)不具備自我調(diào)節(jié)能力，而且由于地震的不可預(yù)見(jiàn)性及結(jié)構(gòu)反應(yīng)的復(fù)雜性，其抗震加固未必有效。 采用傳統(tǒng)的加固方法還存在造價(jià)高、施工時(shí)間長(zhǎng)、適用范圍窄、對(duì)用戶造成的影響大等缺點(diǎn)。三、耗能減震加固的概念與原理3.

2、1 耗能減震加固的概念 耗能減震加固方法是通過(guò)在結(jié)構(gòu)物 某些部位增設(shè)耗能（阻尼）減震器或耗能組件，以達(dá)到抗震加固目標(biāo)的新方法。 耗能裝置在結(jié)構(gòu)加固改造中的安裝示意圖耗能裝置加固底層柔弱結(jié)構(gòu)示意圖3.2 耗能減震加固的原理 從能量平衡的角度解釋耗能減震加固的原理： 傳統(tǒng)加固結(jié)構(gòu)： 耗能減震加固結(jié)構(gòu)： 一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)損傷與結(jié)構(gòu)的最大變形 和滯回耗能（或累積塑性變形） 成正比，可用式 表達(dá)， 由于耗能減震加固結(jié)構(gòu)的最大變形 和滯回耗能 比傳統(tǒng)加固結(jié)構(gòu)的最大變形 和滯回耗能 大大減小，因此，采用耗能減震加固方法比較合理有效。3.3 耗能減震加固的優(yōu)點(diǎn)： 耗能減震加固方法較傳統(tǒng)的加固方法有諸多的優(yōu)越性：

3、加固機(jī)理明確、加固效果顯著、方便簡(jiǎn)單、造價(jià)低、應(yīng)用范圍廣、而且不改變?cè)薪ㄖ娘L(fēng)貌等。四、耗能減震加固結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)方法4.1 耗能減震加固的設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)地震性能目標(biāo)對(duì)已有結(jié)構(gòu)計(jì)算分析是否滿足結(jié)構(gòu)的性能要求完成否是決定要求的阻尼比選擇合適的阻尼器位置設(shè)計(jì)阻尼器估計(jì)結(jié)構(gòu)的阻尼比計(jì)算耗能減震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)4.2 耗能減震加固的目標(biāo)確定耗能減震結(jié)構(gòu)可按以下兩個(gè)設(shè)防目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)： 設(shè)防準(zhǔn)則I： “小震不壞，中震可修，大震不倒”； 設(shè)防準(zhǔn)則II： “中震不壞，大震可修” Vision2000將基于功能的抗震加固設(shè) 計(jì)功能目標(biāo)可分為四個(gè)等級(jí)：無(wú)損傷正常使用狀態(tài)、有損傷可修復(fù)狀態(tài)、保障生命安全狀態(tài)和倒塌控

4、制狀態(tài)。除了這一般的基本目標(biāo)外，業(yè)主和使用者可以根據(jù)自身的經(jīng)濟(jì)情況和特殊的使用要求提出各自的功能要求。4.3 耗能減震裝置的選擇與設(shè)計(jì)原則4.3.1 耗能減震裝置的選擇1）從耗能裝置的力學(xué)特征角度選擇耗能器目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究開(kāi)發(fā)了許多不同種類(lèi)和形式的耗能器：速度相關(guān)型耗能器粘彈性阻尼器粘滯阻尼器 位移相關(guān)型耗能器摩擦耗能器鋼彈塑性耗能器鉛擠壓阻尼器從耗能器的力學(xué)特征出發(fā)，對(duì)側(cè)移要求嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)加固，選擇粘彈性和粘滯性阻尼器更合適；如果加固結(jié)構(gòu)增加阻尼的同時(shí)也需要增加側(cè)向剛度，可以選擇金屬耗能器、摩擦耗能器或粘彈性阻尼器；如果加固結(jié)構(gòu)不期望增加剛度，粘滯性阻尼器是最好的選擇；如果加固結(jié)構(gòu)所處環(huán)境

5、的溫度變化較大，可以選擇金屬耗能器和摩擦耗能器。2）周?chē)h(huán)境對(duì)耗能器性能的影響 耗能器的性能受環(huán)境條件影響較大，為了盡可能的限定在使用期內(nèi)耗能器的反應(yīng)特征，工程師必須考慮下列環(huán)境影響系數(shù)： 1）由于風(fēng)、溫度或其它反復(fù)荷載產(chǎn)生的高頻率、小位移的運(yùn)動(dòng)引起耗能器性能的退化； 2）耗能器由于重力荷載產(chǎn)生的力或位移； 3）腐蝕或磨損； 4）老化、濕度或化學(xué)輻射； 5）紫外線輻射。3）考慮經(jīng)濟(jì)因素 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和耗能減震技術(shù)的進(jìn)步，耗能器的價(jià)格、安裝及施工費(fèi)用也在不斷發(fā)生變化。但目前來(lái)說(shuō)，鋼屈服耗能器和摩擦耗能器費(fèi)用較低；粘彈性阻尼器和粘滯阻尼器成本較高。 4.3.2 耗能裝置的設(shè)置原則 耗能裝置應(yīng)根據(jù)

6、旱遇地震作用下的預(yù) 期結(jié)構(gòu)位移控制要求設(shè)置。耗能減震結(jié)構(gòu)中的耗能裝置應(yīng)沿結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向分別設(shè)置，耗能裝置宜設(shè)置在層間變形較大的位置，其數(shù)量和分布應(yīng)通過(guò)綜合分析合理確定。4.3.3 耗能減震器數(shù)量的估計(jì)耗能減震加固結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)階段，耗能器數(shù)量的估計(jì)是很重要的方面。在初步確定耗能器附加給結(jié)構(gòu)的阻尼比，并選定合適的耗能器后，可采用能量法估計(jì)結(jié)構(gòu)中需多少耗能器方可達(dá)到預(yù)期的加固目標(biāo)。4.3.4 耗能部件的布置原則合理的選擇耗能器的安放位置，使得結(jié)構(gòu)在滿足變形要求的條件下使用耗能器的數(shù)量盡可能減小，或一定數(shù)量的耗能器耗散的能量最多，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。增設(shè)到結(jié)構(gòu)中的耗能部件宜遵循一定的布置原則：

7、1）盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異對(duì)于規(guī)則結(jié)構(gòu)，耗能部件應(yīng)在基本滿足業(yè)主空間使用需求的基礎(chǔ)上，沿結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向分別設(shè)置或僅在一個(gè)主軸方向布置，圖11為耗能部件的幾種設(shè)置方式，耗能部件的平面布置應(yīng)規(guī)則、對(duì)稱，盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異；對(duì)于有偏心的結(jié)構(gòu)，尚盡量在遠(yuǎn)離剛心的一端布置耗能器，以減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的發(fā)生。 2）以層間位移為指標(biāo)布置 采用耗能器進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震加固的目的主要是控制結(jié)構(gòu)的層間位移。減震結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析結(jié)果表明，增設(shè)耗能器后結(jié)構(gòu)位移變化的規(guī)律比速度、加速度變化的規(guī)律更強(qiáng)，因此，耗能部件的豎向布置以層間位移為控制指標(biāo)更合理恰當(dāng)，宜遵守以下幾條原則：a）增設(shè)耗能部件后對(duì)其所在

8、層的層間位移降低最大，故耗能部件應(yīng)增設(shè)在層間位移較大的樓層；b）增設(shè)耗能部件后，對(duì)上部鄰近層的位移控制效果要比對(duì)下部鄰近層的位移控制效果好，因此，當(dāng)層間位移基本相等時(shí)，耗能部件宜增設(shè)在較低層；c）在某些情況下，增設(shè)耗能部件結(jié)構(gòu)的部分層層間位移比相應(yīng)原結(jié)構(gòu)的層間位移大，故耗能部件在豎向上宜每層都設(shè)置，盡量做到加固后各樓層的屈服強(qiáng)度系數(shù)大致相等，防止某一層產(chǎn)生較大的層間側(cè)移，出現(xiàn)塑性變形集中效應(yīng)。4.3.5 耗能部件的連接與構(gòu)造耗能部件的連接和構(gòu)造，包括以下三種情況： （1）耗能器與支撐構(gòu)件的連接和構(gòu)造；（2）耗能器同時(shí)和支撐構(gòu)件及主體結(jié)構(gòu)連接；（3）支撐構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接和構(gòu)造。 由于擬加固結(jié)

9、構(gòu)的最初設(shè)計(jì)未考慮使用耗能器，在原有框架梁里并未預(yù)埋聯(lián)結(jié)鋼板，增設(shè)耗能部件與主體結(jié)構(gòu)的連接會(huì)比較復(fù)雜，連接的形式和構(gòu)造因耗能器的類(lèi)型及支撐構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)的材料不同而不同，一般可采用螺栓連接或剛性連接。耗能器與斜支撐、填充墻、梁或節(jié)點(diǎn)的連接,應(yīng)符合鋼構(gòu)件連接或鋼與鋼筋混凝土構(gòu)件連接的構(gòu)造要求，并能承擔(dān)耗能器施加給連接節(jié)點(diǎn)的最大作用力，防止節(jié)點(diǎn)先于耗能器破壞；耗能器及其連接構(gòu)件應(yīng)具有耐久性能和較好的易維護(hù)性。4.4 耗能減震加固結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)方法 許多國(guó)家已經(jīng)制定或正在制定耗能減震結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)指南或設(shè)計(jì)規(guī)范，我國(guó)規(guī)范規(guī)定常用的設(shè)計(jì)方法有底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法，規(guī)（GB5001

10、1-2001）首次引入了以推覆（pushover）方法為代表的非線性靜力分析方法(Nonlinear Static Procedure，簡(jiǎn)稱NSP)。 國(guó)外學(xué)者對(duì)基于功能的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的分析研究，并已進(jìn)入新一代的抗震加固設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)工程抗震加固設(shè)計(jì)。該方法既能把握結(jié)構(gòu)構(gòu)件和耗能元件的非線性性能，又較為簡(jiǎn)便實(shí)用，不失為一種有效的評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能的手段，成為目前抗震加固設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)。 基于功能的抗震加固方法，是根據(jù)建筑重要性的不同，將建筑結(jié)構(gòu)的抗震需求劃分為不同的抗震水平，通過(guò)結(jié)構(gòu)的功能目標(biāo)來(lái)量化各個(gè)抗震水平，根據(jù)不同量化指標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)，以使建筑在地震中達(dá)到預(yù)期的抗震效果。 基

11、于能量的抗震加固設(shè)計(jì)方法亦日益 受到重視。地震對(duì)結(jié)構(gòu)作用的實(shí)質(zhì)是一種能量傳遞、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和耗能的過(guò)程，能量分析方法是從地震能量輸入與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能量耗散間的相互關(guān)系進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的累積損傷，而且可以包含地震持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)的影響。 五、耗能減震加固技術(shù)的工程應(yīng)用 目前，許多不同構(gòu)造、不同種類(lèi)的耗能器已被應(yīng)用于實(shí)際加固工程中。 摩擦型阻尼器 在加固工程中的應(yīng)用Pall型摩擦阻尼器應(yīng)用于加拿大的Ecole Polyvalente教學(xué)樓的抗震加固中, 該建筑為三層預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)，建于1967年，由于抗側(cè)力不足且延性較差，在1988年Quebec（魁北克）地震中遭到破

12、壞，共使用64個(gè)摩擦耗能支撐進(jìn)行加固，節(jié)省加固費(fèi)40%、施工時(shí)間60%。摩擦阻尼器在加固工程中的應(yīng)用摩擦型阻尼器在加固工程中的應(yīng)用聯(lián)邦電子科研大樓位于加拿大首都渥太華，它建于1993年，在2003年的時(shí)候加多了一層。這是一幢3層的混凝土框架結(jié)構(gòu)的建筑，帶有一個(gè)地下室。它里面都是一些靈敏度很高的裝置和貴重的設(shè)備，保證那些裝置科學(xué)數(shù)據(jù)的安全和在大震中這一建筑能持續(xù)地工作是十分重要的，所以對(duì)這一建筑進(jìn)行加固。摩擦型阻尼器在加固工程中的應(yīng)用加拿大的Montreal市的Nouver Europa民用建筑由兩幢10層的鋼筋混凝土框架建筑所組成，還帶兩層的地下室，兩部分之間用走廊相連。為了滿足顧客對(duì)更高的居

13、住條件的需要從而對(duì)這幢建筑進(jìn)行改造，加固中一共安裝了60個(gè) Pall摩擦阻尼器。波音公司的飛機(jī)制造車(chē)間 ，建于19681991年間 。車(chē)間為鋼結(jié)構(gòu)，高有37m，凈跨350m，整個(gè)建筑物覆蓋面積達(dá)98英畝 ，為對(duì)這些車(chē)間進(jìn)行抗震升級(jí) ，使用Pall阻尼器 ，整個(gè)的加固工程費(fèi)用為6500萬(wàn)美元，跟傳統(tǒng)方法相比，節(jié)約了3000萬(wàn)美元 。摩擦型阻尼器在加固工程中的應(yīng)用馬京大樓位于美國(guó)加利福尼亞州奧克蘭市，建于1930年。該大樓為全鋼結(jié)構(gòu),地上4層,地下1層,屋面標(biāo)高22.4，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮抗震要求，根據(jù)美國(guó)現(xiàn)行建筑規(guī)范需進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震加固。采用了鋼-混凝土組合抗側(cè)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，且在鋼斜撐的三個(gè)連接

14、節(jié)點(diǎn)處采用了摩擦阻尼節(jié)點(diǎn)。摩擦阻尼節(jié)點(diǎn)采用銅墊板以確保固定摩擦系數(shù)0.3。摩擦型阻尼器在加固工程中的應(yīng)用金屬屈服減震器阻尼器在加固工程中的應(yīng)用附加阻尼剛度(ADAS) 裝置已被應(yīng)用于墨西哥城一幢辦公樓的抗震加固中。該建筑為10層鋼框架結(jié)構(gòu)，建于50年代，后來(lái)又增加了3層，在1985年墨西哥大地震中，由于塑性變形和扭轉(zhuǎn)變形過(guò)大而導(dǎo)致破壞后，除去增加的3層并采用裝有ADAS裝置的人字形和X形鋼支撐進(jìn)行加固。 金屬屈服減震器阻尼器在加固工程中的應(yīng)用金屬屈服減震器阻尼器在加固工程中的應(yīng)用西安長(zhǎng)樂(lè)苑招商局廣場(chǎng)4號(hào)樓為商務(wù)和住宅用樓，結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震鑒定報(bào)告說(shuō)明 ，該結(jié)構(gòu)的抗

15、震能力不足，要對(duì)其進(jìn)行加固。最終采用具有強(qiáng)大消能作用的開(kāi)孔式軟鋼阻尼器來(lái)進(jìn)行本建筑抗震加固工程 ，pushover結(jié)果分析顯示加裝開(kāi)孔式軟鋼阻尼器（HADAS）后，有效提升了樓的抗震能力。金屬屈服減震器阻尼器在加固工程中的應(yīng)用臺(tái)灣he-Hwa銀行，這是一幢47層的高層建筑 ，1999年在施工期間遭遇了Chi-Chi大地震 ，但建筑物并沒(méi)有受到破壞，但由于設(shè)計(jì)規(guī)范的改變（地震加速度從0.23g變?yōu)?.33g），為了提高其抗震能力 ，使用了彎曲約束支撐（BRB），從而達(dá)到了預(yù)期的目的。金屬屈服減震器阻尼器在加固工程中的應(yīng)用阻尼器在臺(tái)灣的應(yīng)用還有以下的一些例子屈服約束支撐在臺(tái)北國(guó)家大樓中的應(yīng)用 金屬

16、屈服減震器阻尼器在加固工程中的應(yīng)用三角金屬軟鋼板阻尼器在臺(tái)北商業(yè)街中的應(yīng)用 日本某事務(wù)所為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上10層，地下1層，建筑面積1600平方米，建于昭和52年，采用鋼彈塑性耗能器進(jìn)行抗震加固。金屬屈服減震器阻尼器在加固工程中的應(yīng)用日本名古屋市某事物所為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積957平方米，地上9層，地下2層，高37.1米，建于1972年，地震破壞后，于1999年橫向采用極低屈服點(diǎn)鋼，縱向采用耐震壁進(jìn)行抗震加固。金屬屈服減震器阻尼器在加固工程中的應(yīng)用粘滯耗能阻尼器在加固工程中的應(yīng)用粘滯耗能阻尼器在加固工程中的應(yīng)用北京展覽館建于1953年，建筑面積近5萬(wàn)平方米，其原設(shè)計(jì)未考慮抗震設(shè)

17、防。鑒定原結(jié)構(gòu)不滿足北京地區(qū)8度抗震要求，應(yīng)進(jìn)行全面抗震加固 。共用116個(gè)粘滯阻尼器 、和消能支撐 ，從而達(dá)到抗震要求。粘滯耗能阻尼器在加固工程中的應(yīng)用韓國(guó)Chun-su橋位于Seo-Hal高速公路上，全長(zhǎng)為766m，于2001年竣工。 為了使底部結(jié)構(gòu)在地震加速度峰值為0.154g時(shí)不至于破壞 ，決定對(duì)橋進(jìn)行加固，軸方向增加粘滯阻尼系統(tǒng) 。結(jié)果縱向的運(yùn)動(dòng)比容許的值要低，并因此使得結(jié)構(gòu)的頻率比加固前要低。粘滯耗能阻尼器在加固工程中的應(yīng)用同樣的還有Epo橋 ，位于韓國(guó)西北部的yungGy省，該橋于1992開(kāi)始通車(chē)，總長(zhǎng)為797m 。粘滯耗能器在加固工程中的應(yīng)用粘彈性耗能器在加固工程中的應(yīng)用潮汕星

18、河大廈位于汕頭市金環(huán)路東側(cè)，是一座綜合性高層建筑?？偨ㄖ娣e27976.8平方米，地下1層，地上總高度98.70m。潮汕星河大廈由于原設(shè)計(jì)為二十二層，施工至十二層時(shí)，業(yè)主提出增加三層，結(jié)構(gòu)變?yōu)槎鍖?。采用由廣州大學(xué)周云教授研制的復(fù)合型鉛粘彈性阻尼器 ，達(dá)到預(yù)期的目的。粘彈性耗能器在加固工程中的應(yīng)用北京飯店為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建于50年代 ，總建筑面積為19340平方米，結(jié)構(gòu)高37m，總共8層，局部9層。北京地區(qū)的地震基本烈度為8度，原結(jié)構(gòu)未考慮抗震，在1976年的唐山地震中有所損壞，震后結(jié)構(gòu)第7層進(jìn)行了加固處理。消能器采用了法國(guó)JARRET公司生產(chǎn)的粘滯一彈簧阻尼器 。加固結(jié)構(gòu)在小震作用下，層間位移減小幅度達(dá)50%60%左右 ，達(dá)到要求。粘彈性耗能器在加固工程中的應(yīng)用北京京西賓館西樓是一幢形體呈“山”字形的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力