9.3耗能減震結構設計

9.3.1結構耗能減震原理與耗能減震結構特點

結構耗能減震技術是在結構物某些部位（如支撐、剪力墻、節(jié)點、

連接縫或連接件、樓層空間、相鄰建筑間、主附結構間等）設置耗能（阻

尼）裝置（或元件），通過耗能（阻尼）裝置產生摩擦，彎曲（或剪切、

扭轉）彈塑（或粘彈）性滯回變形耗能來耗散或吸收地震輸人結構中的

能量，以減小主體結構地震反響，從而防止結構產生破壞或倒塌，到達

減震控震的目的。裝有耗能（阻尼）裝置的結構稱為耗能減震結構。

耗能減震的原理可以從能量的角度來描述，如圖9.11結構在地震

中任意時刻的能量方程為：

傳統(tǒng)抗震結構Ein=Ev+Ec+Ek+Eh

耗能減震結構Ei?=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed

式中Ein——地震過程中輸入結構體系的能量；

Ev——結構體系的動能：

Ec——結構體系的粘滯阻尼耗能；

Ek——結構體系的彈性應變能；

Eh——結構體系的滯回耗能；

Ed——耗能（阻尼）裝置或耗能元件耗散或吸收的能量。

圖

9.11結構能量轉換途徑比照

a）地震輸人b）傳統(tǒng)抗震結構c）消能減震結構

在上述能量方程中，由于Ev和Ek僅僅是能量轉換，不能耗能,Ec

只占總能量的很小局部（約5%左右），可以忽略不計。在傳統(tǒng)的抗震結

構中，主要依靠Eh消耗輸入結構的地震能量，但因結構構件在利用其自

身彈塑性變形消耗地震能量的同時，構件本身將遭到損傷甚至破壞，某

一結構構件耗能越多，那么其破壞越嚴重。在耗能減震結構體系中，耗

能（阻尼）裝置或元件在主體結構進入非彈性狀態(tài)前率先進入耗能工作

狀態(tài)，充分發(fā)揮耗能作用，耗散大量輸入結構體系的地震能量，那么結

構本身需消耗的能量很少，這意味著結構反響將大大減小，從而有效地

保護了主體結構，使其不再受到損傷或破壞。

一般來說，結構的損傷程度與結構的最大變形△max和滯回耗能Eh

（或累積塑性變形）成正比，可以表達為：

在耗能減震結構中，由于最大變形和構件的滯回耗能較之傳統(tǒng)抗震

結構的最大變形和滯回耗能大大減少，因此結構的損傷大大減少。

耗能減震結構具有減震機理明確，減震效果顯著，平安可靠，經濟

合理，技術先進，適用范圍廣等特點。目前，已被成功用于工程結構的

減震控制中。

9.3.2耗能減震裝置的類型與性能

9.3.2.1耗能減震裝置的類型與性能

耗能減震裝置的種類很多，根據耗能機制的不同可分為摩擦耗能器。

鋼彈塑性耗能器、鉛擠壓阻尼器、粘彈性阻尼器和粘滯阻尼器等；根據

耗能器耗能的依賴性可分為速度相關型(如粘彈性阻尼器和粘滯阻尼器)

和位移相關型(如摩擦耗能器、鋼彈塑性耗能器和鉛擠壓阻尼器)等。

(1)摩擦耗能器

圖912Pall型摩擦耗能器及典型滯回曲線

摩擦耗能器是根據摩擦做功而耗散能量的原理設計的。目前已有多種不同構造的摩擦耗能器，如

Pall型摩擦耗能器、摩擦筒制震器、限位摩擦耗能器、摩擦滑動螺栓節(jié)點及摩擦剪切較耗能器等。圖9.12

(aJ(b)為Pall等設計的摩擦耗能裝置，它是一可消動而改變形狀的機構。機構帶有摩擦制動板，機

構的滑移受板間摩擦力控制，而摩擦力取決于板間的擠壓力，可以通過松緊節(jié)點板的高強螺栓來調節(jié)。

該裝置按正常使用荷載及小震作用下不發(fā)生滑動設計，而在強烈地震作用下，其主要構件尚未發(fā)生屈服，

裝置即產生滑移以摩擦功耗散地震能量，并改變了結構的自振頻率，從

而使結構在強震中改變動力特性，到達減震目的?！踩绾卧O計，如何計算〕

摩擦耗能器種類很多，但都具有很好的滯回特性，滯回環(huán)呈矩形，

耗能能力強，工作性能穩(wěn)定等特點。圖9.12(c)為典型的滯回曲線。

摩擦耗能器一般安裝在支撐上形成摩擦耗能支撐。

(2)鋼彈塑性耗能器

軟鋼具有較好的屈服后性能，利用其進入彈塑性范圍后的良好滯回

特性，目前已研究開發(fā)了多種耗能裝置，如加勁阻尼(ADAS)裝置、錐

形鋼耗能器、圓環(huán)〔或方框〕鋼耗能器、雙環(huán)鋼耗能器、加勁圓環(huán)耗能

器。低屈服點鋼耗能器等。這類耗能器具有滯回性能穩(wěn)定，耗能能力大,

長期可靠并不受環(huán)境與溫度影響的特點。

圖9.13加勁阻尼裝置及其滯回曲線

(“)加勁陽尼裝遑及其與支排的連接；S)加勁01尼裝置的滯回曲線

加勁阻尼裝置是由數塊互相平行的X形或三角形鋼板通過定位件

組裝而成的耗能減震裝置，如圖9.13(a)所示。它一般安裝在人字形支

撐頂部和框架梁之間，在地震作用下，框架層間相對變形引起裝置頂部

相對于底部的水平運動，使鋼板產生彎曲屈服，利用彈塑性滯回變形耗

散地震能量。圖9.13u)為8塊三角形鋼板組成的加勁阻尼裝置的滯回

曲線。

雙環(huán)鋼環(huán)耗能器由兩個簡單的耗能圓環(huán)構成，這種耗能器既保存了

圓環(huán)鋼耗能器變形大、構造簡單、制作方便的特點，又提高了初始的承

載能力和剛度，使其耗能能力大為改善。試驗研究說明，這種耗能器的

滯回環(huán)為典型的紡錘形，形狀飽滿，具有穩(wěn)定的滯變回路。

加勁圓環(huán)耗能器由耗能圓環(huán)和加勁弧板構成，即在圓環(huán)耗能器中附

加弧形鋼板以提高圓環(huán)鋼耗能器的剛度和阻尼，改善圓環(huán)鋼耗能器承載

能力和初始剛度較低的缺點。試驗研究說明，加勁圓環(huán)耗能器工作性能

穩(wěn)定，適應性好，變形能力強，耗能能力可隨變形的增大而提高，而且

具有多道減震防線和多重耗能特性。

低屈服點鋼是一種屈服點很低、延性滯回性能很好的材料，圖9.14

所示為鋼材型號為BT-IoYP100、寬厚比D/t為40的屈服點鋼耗能器

試驗后的形狀和滯回曲線?？梢钥闯觯擃惡哪芷骶哂休^強的耗能能力,

滯回曲線形狀飽滿，性能穩(wěn)定。

圖9.14低屈服點鋼阻尼器的構造與典型滯叵曲線

(“)低屈服點銅阻尼器的構造；S)低屈服點斜阻尼器的滯向曲線

(3)鉛耗能器

鉛是一種結晶金屬，具有密度大、熔點低、塑性好、強度低等特點。

發(fā)生塑性變形時晶格被拉長或錯動，一局部能量將轉換成熱量，另一局

部能量為促使再結晶而消耗，使鉛的組織和性能回復至變形前的狀態(tài)。

鉛的動態(tài)回復與再結晶過程在常溫下進行，耗時短且無疲勞現象，因此

具有穩(wěn)定的耗能能力。圖9.15為利用鉛擠壓產生塑性變形耗散能量的

原理制成的阻尼器。圖9.15(a)為收縮管型，圖9.15(b)為鼓凸輪型,

當中心軸相對鋼管運動時，鉛被擠呀壓通過中心軸與壁間形成的擠壓口

而產生塑性變形耗散能量。鉛擠壓耗能器具有有“庫侖摩擦”的特點，

圖915鉛擠壓阻尼器及典型滯回曲線

其滯回曲線根本呈矩形，如圖9.15(C),在地震作用下，擠壓

力和耗能能力根本上與速度無關。此外，還有利用鉛產生剪切或彎剪塑

性滯回變形耗能原理制成的鉛剪切耗能器I形鋁耗能器等。

(4)粘彈性阻尼器

粘彈性阻尼器是由粘彈性材料和約束鋼板所組成。典型的粘彈性阻

尼器如圖9.16(a)所示，它是由兩個T形約束鋼板夾一塊矩形鋼板所組

成，T形約束鋼板與中間鋼板之間夾有一層粘彈性材料，在反復軸向力

作用下，約束T形鋼板與中間鋼板產生相對運動，使粘彈性材料產生往

復剪切滯回變形，以吸收和耗散能量。

鋼板

粘彈性層/

(6)

圖9.16粘彈性阻尼器滯回曲線

儲)粘彈性阻尼器乂力粘彈性班陀器滯回曲線

圖9.16(b)為粘彈性阻尼器的典型滯回曲線，可以看出，其滯

回環(huán)呈橢圓形，具有很好的耗能性能，它能同時提供剛度和阻尼。由于

粘彈性材料的性能受溫度、頻率和應變幅值的影響，所以粘彈性阻尼器

的性能受溫度、頻率和應變幅值的影響，有關研究結果說明，其耗能能

力隨著溫度的增加而降低；隨著頻率的增加而增加，但在高頻下，隨著

循環(huán)次數的增加，耗能能力逐漸退化至某一平衡值。當應變幅值小于50%

時，應變的影響不大，但在大應變的鼓勵下，隨著循環(huán)次數的增加，耗

能能力逐漸退化至某一平衡值。

(5)粘滯阻尼器

粘滯阻尼器主要有筒式粘滯阻尼器、粘滯阻尼墻系統(tǒng)等。筒式粘滯

阻尼器一般由缸體、活塞和粘滯流體組成?；钊祥_有小孔，并可以在

充有硅油或其他粘性流體的缸內作往復運動。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，對兩者的相對運動產生阻尼，從而

耗散能量。圖9.17(a)為典型的油阻尼器，圖9.17(b)為油阻尼器的

恢復力特性，形狀近似為橢圓。油阻尼器產生的阻尼力一般與速度和溫

度有關。

ia)

圖9.17油阻尼器及滯問曲就

(“)汕陽尼器；3)油阻尼湍的飲乂力特性

圖9.18速度相關型耗能器的恢復力-變形曲線

Q)枯滯風能器；⑺)粘彈性耗能器

9.3.2.2耗能器的恢復為模型

(1)速度相關型耗能器的恢復力模型

圖9.18為速度相關型耗能器的恢復力?變形曲線。速度相關型耗能

器的恢復力與變形和速度的關系一般可以表示為:

Fd=kq+cq

式中心和Q——耗能器的剛度和阻尼器系數；

△和△—耗能器的相對位移和相對速度。

對于粘滯阻尼器，一般Kd=O,C=C(),阻尼力僅與速度有關，可表

示為：5=C°A

式中Co粘滯阻尼器的阻尼系數，可由阻尼器的產品型號給定或由試

驗確定。

對于粘彈性阻尼器，剛度和阻尼系數一般由式下式確定：

_〃(3)4G(G)_AG?)

廣標廣~~T~

式中n(3)、G(3)—粘彈性材料的損失因子和剪切模量，一般

與頻率和速度有關，由粘彈性材料特性曲線

確定；

A、6——粘彈性材料層的受剪面積和厚度；

3—結構振動的頻率。

(2)滯變型耗能器的恢復力模型

軟鋼類耗能器具有類似的滯回性能，可采用相似的計算模型，僅其

特征參數不同。該類耗能器的最理想的數學模型可采用Rambcrg-

Osgood模型，但由于其不便于計算分析，故可采用圖9.19(a)所示的

折線型彈性?應變硬化模型來描述，恢復力和變形的關系可表示為：

式中K1——初始剛度;

ao——第二剛度系數；

△y一屈服變形。

摩擦耗能器和鉛耗能器的滯回曲線近似為“矩形”，具有較好的庫侖

特性，且根本不受荷載大小、頻率、循環(huán)次數等的影響，故可采用圖9.19

(b)所示的剛塑性恢復力模型。

對于摩擦耗能器，恢復力可由式(9.20)計算：

^=^sgn(A(/))

Fo.靜摩擦力

圖9.19滯變型耗能器的力-變形曲線

(小金屬耗能器；3)摩擦耗能器和鉛耗能源

對于鉛擠壓阻尼器，恢復力可按式(9.21)計算:

口+/。

Fd=^ay\n

式中B——大于1的系數；

A1——鉛變形前的面積；

A2——發(fā)生塑性后的截面面積;

f0——摩擦力。

9.3.3耗能減震結構的設計要求

(1)耗能部件的設置

耗能減震結構應根據罕遇地震作用下的預期繃W瘩控制要求，設

置必當的耗能部件，耗能部件可由耗能匿及科支焉填充墻、梁或節(jié)點

等組成。

耗能減震結構中的耗能部件應沿結構的兩個主軸方向分別設置，耗

能部件宜設置在層間變形較大的位置，其數量和分布應通過綜合分析合

理確定。

(2)耗能部件的性能要求

耗能部件應滿足以下要求：

①耗能器應具有足夠的吸收和耗散地震能量的能力和恰當的阻尼；

耗能部件附加給結構的有效阻尼比宜大于10%,超過20%時宜按20%

計算。

②耗能部件應具有足夠的初始剛度，并滿足以下要求：

速度線性相關型耗能器與斜撐、填充墻或梁組成耗能部件時，該部

件在耗能器耗能方向的剛度應符合式(9.22)要求：

收6%卜

式中Kb—支承構件在耗能器方向的剛度；

Cv—耗能器的線性阻尼系數；

T1—耗能減震結構的根本自振周期。

位移相關型耗能器與斜撐、填充墻或梁組成耗能部件時，該部件

恢復力滯回模型的參數宜符合以下要求；

式中Kp.——耗能部件在水平方向的初始剛度；

△Up、——耗能部件的屈服位移；

Ks——設置耗能部件的結構層間剛度；

△U3y一設置耗能部件的結構層間屈服位移。

③耗能器應具有優(yōu)良的耐久性能，能長期保持其初始性能；

④耗能器應構造簡單，施工方便，易維護。

⑤耗能器與斜支撐、填充墻、梁或節(jié)點的連接，應符合鋼構件連接

或鋼與鋼筋混凝土構件連接的構造要求，并能承當耗能器施加給連接節(jié)

點的最大作用力。

（3）耗能器附加給結構的有效阻尼比和有效剛度

當采用底部剪力法、振型分解反響譜法和靜力非線性法時，耗能部

件附加給結構的有效阻尼比，可按式（9.25）估算：

&=唯/（4次）（9?25）

式中Ca一耗能減震結構的附加阻尼比；

Wc——所有耗能部件在結構預期位移下往復一周所消耗的能量；

Ws——設置耗能部件的結構在預期位移下的總應變能。

不考慮扭轉影響時，耗能減震結構在其水平地震作用下的總應變能,

可按式（9.26）估算：

（皿）（9.26）

式中Fi——質點i的水平地震作用標準值；

Ui——質點i對應與水平地震作用標準值的位移。

速度線性相關耗能器在水平地震作用下所消耗的能量Wc可按式

（9.27）估算:

也.=(2%2/7；)Zacos2學△〃j

式中T1-----耗能減震結構的根本自振周期；

Cj——第j個耗能器的線性阻尼系數；

ej——第j個耗能器的耗能方向和水平面的夾角；

Auj——第j個耗能器兩端的相對水平位移。

當耗能器的阻尼系數和有效剛度與結構振動周期有關時，可取相應

于耗能減震結構根本自振周期的值。

位移相關型、速度非線性相關型和其他類型耗能器在水平地震作用

下所消耗的能量Wc,可按式(9.28)估算；

Wc=(9.28)

式中Aj——第j個耗能器的恢復力滯回環(huán)在相對水平位移為

△uj時的面積。

耗能器的有效剛度可取耗能器的恢復力滯回環(huán)在相對水平位移為△

uj時的割線剛度。

當采用非線性時程分析法時，耗能器附加給結構的有效阻尼比和有

效剛度宜根據耗能器的恢復力模型確定。

(4)耗能減震結構體系的抗震計算分析

耗能減震結構體系的抗震計算分析，一般情況下，宜采用靜力非線

性分析或非線性時程分析方法。當耗能減震體系的主要結構構件根本處

于彈性工作階段時；可采取線性分析方法作簡化估算，并根據結構的變

形特征和高度等，分即采用底部剪力法、振型分解反響譜法和時程分析

法。

分析時，耗能減震結構的總剛度應為結構剛度和耗能部件有效剛度

的總和；耗能減震結構的總阻尼比應為結構阻尼比和耗能部件附加給結

構的有效阻尼比的總和；耗能部件有效剛度和有效阻尼比，應通過試驗

確定。

本章小結

1.隔震和耗能減震是建筑結構減輕地震災害的新技術、新方法和

新途徑。隔震體系通過延長結構的自振周期減少結構的水平地震作用，

已被國外強震記錄所證實。耗能減震體系通過耗能器增加結構阻尼來減

少結構在風作用下的位移是公認的事實，對減少結構水平和豎向的地震

反響也是有效的。

2.隔震技術有多種方案，如橡膠支座隔震、摩擦滑移隔震、滾動隔

震、支撐式擺動隔震和混合隔震