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1、框架结构消能减震方法研究,06结构 谢树锋,报告内容：,概述消能装置主要分类新型消能减震框架与普通框架的低周反复荷载试验消能支撑钢筋砼框架结构的理论分析结论,1 概述,消能支撑（简称EDBF）是高层建筑和超高层建筑中实现结构减震控制的一种有效途径1。在风和小地震作用下它能增加结构的水平刚度,减小结构的侧移;在中震和大震下它的刚度变小,能减小结构的水平地震作用,同时消耗大量输入结构的地震能量,使结构的地震反应大大衰减。消能支撑是非承重构件,它对结构的承载力和安全性不构成任何影响和威胁,同时它不需要人工能量输入。所以,消能支撑结构体系是一种符合我国国情、安全可靠而技术经济效益高的结构减震体系,尤其
2、适合于内部设有大空间的高柔结构,以及对房屋的抗震设计水平有特殊要求(例如要求“大震可修”,而不是“大震不倒”)的结构2。,2 消能装置消能减震技术应用的关键在于研制出构造简单、价格合理、消能能力强、性能稳定的消能装置。消能装置主要分两大类:位移相关型和速度相关型；位移相关型消能装置指摩擦消能器和金属屈服消能器等,速度相关型消能装置指粘滞消能器和粘弹性消能器等3。,摩擦消能器最早由加拿大学者4等提出,主要利用经处理获得的钢板间的摩擦来消耗地震能量。如摩擦滑移节点,由带摩擦装置的滑移节点和4根链杆组成,摩擦装置是将带长槽的钢板通过高强螺栓与另一块钢板相连接,钢板之间夹上摩擦材料或接触面做摩擦处理,
3、依靠摩擦消能。该消能器性能稳定,与按拉杆设计的支撑配合,可自动消除受压杆的屈曲变形,但在实际工程中应用常受到其摩擦滑移荷载大小的限制。,铅消能器5是一种较理想的金属屈服消能器,它利用铅良好的塑性性能,通过活塞杆挤压铅合金以获得较大的消能能力。该消能器构造简单、消能量大、性能稳定。金属屈服-摩擦复合消能器6由软钢消能圆环和摩擦元件组成,它综合利用了外部软钢的弹塑性变形能力和内部摩擦元件的摩擦消能能力消能圆环起消能和连结摩擦元件的双重作用。,粘滞消能器一般由缸体、活塞和粘滞流体组成,活塞上开有小孔,并可以在充有硅油或其它粘滞流体的缸体内作往复运行7。当活塞与缸体间产生相对运动时,流体从活塞的小孔内
4、通过,对两者的相对运动产生阻尼,从而耗散能量。粘滞消能器的阻尼力与建筑物层间相对速度有关,当建筑物偏离初始位置时,速度最大,阻尼力也最大,即消能器施加给建筑物的、与振动方向相反的作用力也最大；振动到最远点时,速度为零,阻尼力也为零。粘弹性消能器主要依靠粘弹性材料的剪切滞回耗能特性来增加结构的阻尼,最早的粘弹性消能器由美国3M公司研制开发,它由两块T形钢板夹一块矩形钢板组成,T形钢板与中间钢板之间夹有粘弹性材料,可以在变形时吸收能量。,位移相关型消能装置的消能量与建筑物发生的层间位移、消能器的屈服荷载或滑移荷载有关,同时给结构附加一定的刚度。速度相关型消能装置的消能量与建筑物发生振动时的层间相对
5、速度、消能器的阻尼特性有关,一般不给结构附加刚度。,下面介绍的是一种新型消能减震框架,并综合利用不同的消能原理设计了2种新型消能器,进行了4榀消能减震框架和3榀普通框架的低周反复荷载试验,对比研究了各类框架结构的破坏机理和滞回特性8。,3 试件的设计,根据文献4结构控制原理分2批进行了7榀框架结构在低周反复水平荷载作用下的试验研究9。第1批试件共包括4榀框架(见图1):MF为普通框架,BF11为普通支撑框架,EDBF11为采用十字型消能器的消能支撑框架,EDBF12为采用圆板型消能器的消能支撑框架。,图1 第1批试验模型示意图,第2批试件和第1批试件类似,试件变化参数为框架的高度和跨度,包括3
6、榀框架(见图2):BF21为普通支撑框架,EDBF21为采用十字型消能器的消能支撑框架,EDBF22为采用圆板型消能器的消能支撑框架。,图2 第2批试验模型示意图,3.1 钢筋砼框架模型的设计为便于分析比较,每批试件的钢筋砼框架模型均采用相同的尺寸和配筋,图3为第2批试件的钢筋砼框架模型的配筋图。在梁柱塑性铰区的纵筋和箍筋、支撑杆件、消能器上分别粘贴了若干电阻应变片,以观测试件在整个试验过程中的受力状态。,3.2 消能支撑体系的设计与制作消能支撑框架与普通支撑框架均采用双角钢2L303作支撑杆件,支撑及其连结构造参考单层工业厂房柱间支撑的构造要求设计。本试验制作了2种新型消能器(圆板型和十字型
7、),它们综合利用了外环的弹塑性变形消能能力和内部钢板之间的摩擦消能能力,具有很高的消能性能10。,十字型消能器的构造见图4,它的外部弹塑性消能元件是一只T形截面的圆环;在环壁上焊接8块开有长槽的矩形钢板,它们和一块开有4条长槽的十字形钢板相互搭接,由穿过槽孔的高强螺栓来建立钢板间的预压应力。圆板型消能器的构造见图5,其内部摩擦元件是由4块开有长槽的圆形钢板迭合而成,4块钢板的长槽交错搭接,由穿过槽孔的高强螺栓来建立钢板间的摩擦。外部消能环和内部摩擦钢板在钢板的端部焊接在一起.,本试验将十字型消能器安装在消能支撑框架EDBF11和EDBF21中,圆板型消能器安装在消能支撑框架EDBF12和EDB
8、F22中。通过扭力扳手建立高强螺栓的预拉力,可人为地控制摩擦的大小,本试验所采用的消能器的屈服滑移荷载为40kN。消能器制作完成后,通过作为支撑杆件的双角钢与钢筋砼框架角点处的预埋件相焊接。,图3 钢筋砼框架模型配筋图,图4 十字型消能器构造图 图5 圆板型消能器构造图,4 试验概况,试验采用的加载装置如图6所示,水平荷载通过固定在水平反力架上的液压千斤顶施加,竖向荷载由手动千斤顶施加。为减小竖向荷载所产生的水平摩阻力,在竖向反力架和试件之间设置了滚动支座。试验时,压力传感器和水平传感器与XY记录仪相联,以绘制水平力侧移滞回曲线。,试验时,首先于每个柱顶分两级施加竖向荷载100kN,并保持恒定
9、,然后施加水平荷载。在屈服之前,按水平荷载值控制加载,每级荷载循环一次;屈服之后,按水平位移值控制加载,水平位移值取试件屈服时位移值()的整数倍,每级位移循环3次11。,图6 试验加载装置示意图,5 试验结果分析,图7和图8分别为第1批试件和第2批试件的荷载位移滞回曲线。,图7 第1批试件荷载位移滞回曲线,图8 第2批试件荷载位移滞回曲线,由图7和图8可见,普通框架的承载力最低,滞回曲线较为饱满。普通支撑框架的承载力最高,但其滞回曲线的捏拢性也较大,滞回环所包围面积较小,消能能力低。消能支撑框架EDBF11和EDBF21的承载力较低,滞回曲线比普通支撑框架滞回曲线的捏拢性小,滞回环所包围的面积
10、也较大,其消能能力较普通支撑框架有显著的提高。消能支撑框架EDBF12和EDBF22的滞回环最为饱满,捏拢性小,同时这种消能支撑框架的承载力也较高,其消能能力最高。,图9 试验模型的荷载位移骨架曲线,图9为试件的荷载位移骨架曲线,试件的开裂载、开裂位移、屈服荷载、屈服位移、最大荷载、极限位移、延性系数 列于表1,其中屈服点按消能面积相等的原则确定。,表1 各试件主要试验数据,从图9和表1可见,普通框架的初始刚度、极限承载力、延性均较低;普通支撑框架的初始刚度较大,极限承载力较高,但其延性很低;2榀消能支撑框架的延性比普通支撑框架提高很多,消能支撑框架的极限承载能力可通过改变消能圆环的尺寸和摩擦
11、滑移荷载来调节。,图10为试验模型的刚度退化曲线,其中纵坐标为退化刚度与弹性刚度的比值,横坐标为水平位移。从图中可以看出,普通框架和普通支撑框架的刚度退化速率明显高于2榀消能支撑框架,说明安装了消能器后可有效地增强支撑框架的后期刚度,起到了良好的“二道防线”作用。,图10 试验模型的刚度退化曲线,图11 试验模型的等效阻尼系数曲线,图11为试验模型的等效阻尼系数变化曲线。从图11中可以看出,2榀消能支撑框架的阻尼系数明显高于普通框架和普通支撑框架,表明它们的消能能力远大于后者。,6 消能支撑钢筋砼框架结构的理论分析,6.1 非线性有限元分析框架梁柱单元刚度的集成按实际刚度法进行,在计算截面弯矩
12、-曲率(M-)关系时,采用平截面假定。受拉区砼应力-应变关系采用单轴作用下的砼本构关系模型:上式中，为砼的抗拉强度。,受压区砼的应力-应变关系采用Hognestad提出的模型,上升段为抛物线形式变化,下降段为直线变化:上式中,、为砼最大压应力及其相对应的应变值和极限应变值。计算时,取为砼圆柱体抗压强度,取为0.002,取为0.0035。,钢筋的应力-应变关系采用理想弹塑性。对框架柱,其轴力为变值,因此事先按柱轴压比划分轴力等级,按不同的轴力等级计算不同的截面M-曲线,然后将M-曲线按开裂、屈服(受拉筋屈服为标志)、极限强度、强度退化4阶段作线性简化；框架分析中的截面实际M-曲线运用,由其实际轴
13、力值按简化曲线插值求得。在线性分析程序设计中,为了得出荷载-位移全过程曲线(包括下降段),采用了加变形反求侧力法,可以计算出框架荷载-位移曲线的下降段。,图12a、b为用上述程序分析模型BF和EDBF的计算结果和实测曲线的比较。比较表明,本试验建立的非线性分析模型可较准确地分析普通支撑框架及消能支撑框架的非线性全过程。(a)BF模型(b)EDBF2模型 图12 试验模型的理论计算和实测骨架曲线,6.2 弹塑性时程分析采用杆系模型编制了消能支撑框架结构的弹塑性时程分析程序,钢筋砼梁柱单元恢复力特性曲线采用了刚度退化三线型模型；将消能支撑视为二力杆,符合理想弹塑性性质,其拉压“屈服应力”取为摩擦消
14、能器的滑移荷载。本试验用该程序对振动台试验模型EDBF1进行了分析计算,时程分析选用ElCentro波,加速度峰值分别取amax=0.4g,输入波长为15s,分为3000步积分,步长为0.005s。图13为试验模型在0.4g地震波作用下的顶层加速度反应时程的实测值与计算值的比较。,(a)试验值(b)计算值,图13 EDBF试验模型弹塑性时程分析结果,从图13中可以看出,弹塑性时程分析理论值和振动台试验实测值符合较好,模型顶层加速度反应理论值和实测值相差3%,说明本试验所采用的消能支撑框架的计算模型是合理的,较好地模拟了消能支撑框架的地震反应,可用于同类结构实际工程的地震反应分析。,7 结论,1
15、)在框架柱间设置消能装置,形成消能减震框架结构是一种构造简单、效果显著的抗震被动控制型式,有较广泛的工程应用前景。2)消能减震技术研究与应用的关键在于研制出消能能力强、性能稳定的消能器,本试验设计的2种消能器具有较为优越的工作性能,具体设计参数可进一步优化。3)普通框架模型的初始刚度和极限承载力较低,消能能力较差。普通支撑框架模型的初始刚度和极限承载力较高,但刚度退化迅速,消能能力和延性较差。消能支撑框架的滞回曲线相当饱满,消能能力强,骨架曲线下降段坡度平缓,刚度退化缓慢,延性和消能能力较普通框架和普通支撑框架有较大提高。,参考文献,1 周福霖.工程结构减震控制M.北京:地震出版社,1997.
16、2洗巧玲，周福霖，成文山.框架结构消能支撑的减震优化方法.世界地震工程，1999，6(2):49-55.3 GB50011-2001,建筑抗震设计规范S.4PallAS,MarshC.Response of friction damped braced framesM.ASCE of struct Div,1982,108(6):1138-1155.5 刘伟庆,魏琏.摩擦阻尼器与摩擦阻尼支撑框架J.南京建筑工程学院学报,1994,19(3):6-13.6 刘伟庆,王曙光.消能支撑钢筋砼框架结构的工程应用J.振动工程学报,1998,12(2):267-272.7 周云,徐彤.耗能减震技术研究及应用的新进展J.地震工程与工程振动,1999,19(2):122-131.8王曙光，刘伟庆，蓝宗建.框架结构消能减震的试验研究.东南大学学报（自然科学版),2001，7(4):58-62.9王曙光.耗能支撑钢筋砼框架结构的抗震性能研究及工程应用:学位论文.南京:东南大学土木工程学院,1999.10刘 季,周 云.新型摩擦耗能支撑试验研究.工程抗震,1995,22(4):3137.11朱伯龙.结构抗震实验M.北京:地震出版社,1989.32-51.,Thank you for your attention!,
