建筑節(jié)點(diǎn)耗能減震技術(shù)研究進(jìn)展★

遲 春 廣

(中國人民解放軍92304部隊(duì)，海南 三亞 572018)

1 概述

我國處于地震高發(fā)的地帶，以往大地震如汶川地震，玉樹地震，導(dǎo)致建筑物倒塌，造成人民生命財產(chǎn)損失的教訓(xùn)是慘痛的，針對近年來對以往地震過后建筑物的研究，發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)在遭遇強(qiáng)震過程中，建筑節(jié)點(diǎn)(梁柱節(jié)點(diǎn)、梁墻節(jié)點(diǎn))易發(fā)生破壞，傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計方法過于被動，主要靠增大建筑節(jié)點(diǎn)截面尺寸或者增加節(jié)點(diǎn)配筋，這樣容易增加建筑成本，且增加配筋之后，容易造成建筑物的整體剛度增大，對地震作用產(chǎn)生放大的作用，適得其反，因此傳統(tǒng)的抗震設(shè)計具有很多的不足。

2 建筑節(jié)點(diǎn)耗能減震技術(shù)

建筑節(jié)點(diǎn)耗能減震技術(shù)是一種主動的防震措施。在建筑節(jié)點(diǎn)安裝抗震耗能裝置，可以作為抗震第一道防線，首先裝置可以承擔(dān)地震荷載、儲存或消耗能量，減輕地震對結(jié)構(gòu)造成的損害。既可保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)本身，又可保護(hù)人民生命安全，且經(jīng)濟(jì)適用。目前建筑節(jié)點(diǎn)耗能減震技術(shù)主要有摩擦型節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)，軟金屬屈服節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)，記憶合金耗能技術(shù)。

3 摩擦型節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)

3.1 特性描述

摩擦型節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)最早出現(xiàn)于1970年左右，該耗能原理為通過螺栓控制，板間擠壓，調(diào)整產(chǎn)生摩擦力大小，地震作用時，位于建筑節(jié)點(diǎn)的摩擦型節(jié)點(diǎn)耗能裝置發(fā)生相對搓動，通過板間的相對滑移來消散梁柱節(jié)點(diǎn)積聚的能量。Pall與marsh于20世紀(jì)70年代最早研究出來了一種應(yīng)用于建筑節(jié)點(diǎn)的摩擦耗能阻尼器，該摩擦型裝置由帶有鍍層的金屬板，以及金屬板兩側(cè)用于固定連接的高強(qiáng)螺栓構(gòu)成，裝置的相對移動受板間摩擦力控制，而金屬板間的壓力決定摩擦力的大小，板間壓力大小可通過擰接金屬板兩邊的高強(qiáng)連接螺栓來調(diào)節(jié)[1]。在荷載較小或者小震作用下，裝置不發(fā)生變化；在較強(qiáng)的地震荷載作用下，裝置發(fā)生相對運(yùn)動，通過板間的相對運(yùn)動，產(chǎn)生摩擦力，吸收地震作用下建筑節(jié)點(diǎn)的能量達(dá)到了耗能，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的自振頻率的作用。

3.2 力學(xué)模型

摩擦型耗能節(jié)點(diǎn)阻尼器依靠相對滑移產(chǎn)生摩擦力消散能量，摩擦力與速度頻率無直接關(guān)系，在循環(huán)力作用下其滯回曲線為矩形，其力學(xué)模型符合庫侖模型[2]，其基本假設(shè)為：

Fd=-fNsgn(x)

(1)

其中，F(xiàn)d為庫侖摩擦力；N為法相壓力；f為摩擦系數(shù)；sgn為符號函數(shù)，sgn函數(shù)的影響，其阻尼不屬于線性變化。

3.3 實(shí)際工程應(yīng)用

使用摩擦型節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能已經(jīng)普遍應(yīng)用于很多實(shí)際建筑工程。云南省某中學(xué)新建的教學(xué)樓和食堂樓作為其中的一個試點(diǎn)工程，采用了歐進(jìn)萍等人研制開發(fā)的T形芯板摩擦阻尼器和擬粘滯摩擦阻尼器[3]。云南省屬于地震高發(fā)區(qū)域，而該學(xué)校處于地震基本烈度9度的地區(qū)，3類場地，建筑物為三層框架結(jié)構(gòu)。面積1 219 m2，高度10.4 m，耗能阻尼裝置使用斜撐承X型安置于結(jié)構(gòu)中。在HELENA MONTANA地震波、HOLLISTER地震波以及一條人工波作用下，應(yīng)用軟件對結(jié)構(gòu)在較強(qiáng)的地震和較小的地震中反應(yīng)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果滿足規(guī)范設(shè)計要求，具有較好的使用效果。

4 軟金屬屈服節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)

4.1 特性描述

由于軟金屬材料在受到外力作用時進(jìn)入塑性階段將具有良好的滯回性能[4]，很多的節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)都采用軟金屬材料進(jìn)行耗能，這些裝置通過拉伸或壓縮低屈服金屬進(jìn)行能量的消耗。該類阻尼器穩(wěn)定性好，耐久性強(qiáng)，抗高低溫，使用不受環(huán)境的干擾。20世紀(jì)70年代左右，Kelly與Skinner等[5]國外專家最先針對于軟鋼這種低屈服點(diǎn)金屬進(jìn)行的建筑節(jié)點(diǎn)耗能效果的實(shí)驗(yàn)研究。隨著建筑種類的多樣性，其他學(xué)者專家又相繼研發(fā)了適用于不同建筑物的軟金屬屈服節(jié)點(diǎn)耗能裝置。

4.2 力學(xué)模型

目前軟金屬屈服節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)應(yīng)用最廣泛的為軟鋼阻尼器，軟鋼阻尼器常用的恢復(fù)力模型主要有三種，較為簡單為雙線性模型。由于雙線性模型結(jié)構(gòu)簡單，物理思路清晰，所以目前工程中應(yīng)用此模型較多[5]。圖1給出了雙線性模型，它是由軟鋼滯服曲線得到的。

雙線性模型結(jié)構(gòu)過于簡單，為了更好地研究實(shí)際工程中阻尼器的力學(xué)性能變化，一般研究以Ramberg-Osgood模型和Bouc-Wen模型為主，Ramberg-Osgood模型是固體力學(xué)中描述材料在其屈服點(diǎn)附近的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系(應(yīng)力—應(yīng)變曲線)的一個理論模型，其形式為：

(2)

其中，ε為應(yīng)變，包含彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變；σ為總應(yīng)力；E為材料楊氏模量；K和n均為與材料類型相關(guān)的常數(shù)。

Bouc-Wen模型最初由Bone于1967年提出，后Wen于1976年加以擴(kuò)展推廣[6]，其經(jīng)典微分方程如下:

R=akx+(1-α)kz

(3)

(4)

其中，R為恢復(fù)力;k為彈性剛度;α為屈服后剛度對彈性剛度的比值；z為滯變位移;A,n,β,γ均為控制恢復(fù)力曲線形狀常數(shù)。

4.3 實(shí)際工程應(yīng)用

軟金屬屈服節(jié)點(diǎn)阻尼器在國內(nèi)外已經(jīng)被廣泛的使用，新西蘭惠靈頓使用套筒管柔性元件和軟鋼擠壓阻尼器作為抗震耗能體系應(yīng)用于一座10層交叉支撐的鋼混結(jié)構(gòu)辦公樓。新西蘭的很多隔震橋梁同樣使用了軟鋼擠壓阻尼器作為抗震耗能體系。在日本，軟鋼擠壓阻尼器作為抗震耗能體系應(yīng)用于一幢高層鋼框架建筑和一幢低層的鋼框架建筑中，該阻尼器被安裝于墻板與框架連接節(jié)點(diǎn)處，通過在使用過程中對風(fēng)振和地震荷載的分析，該類抗震耗能體系具有良好的抗震耗能效果。

5 記憶合金節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)

5.1 特性描述

形狀記憶合金(Shape Memory Alloys)，簡稱為SMA，形狀記憶合金在一定的應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生變形，并吸收能量，在應(yīng)力撤掉之后，它可能逐漸消散能量，并恢復(fù)到受力之前的形狀，因?yàn)樗哂休^強(qiáng)的恢復(fù)能力，能抵抗成千上萬次的形狀變化，因而叫做“記憶合金”。此外，記憶合金還具有無磁性、抗腐蝕性、耐磨性，環(huán)保安全無污染的優(yōu)點(diǎn)，是作為減震耗能理想的耗能材料，具有較好的應(yīng)用前景。

5.2 力學(xué)模型

Graesser和Cozzarelli[7]建立了基于塑性理論的SMA本構(gòu)模型。該模型形式相對簡單,在土木工程結(jié)構(gòu)振動控制研究中得到了廣泛應(yīng)用。其增率形式的本構(gòu)方程如下：

(5)

(6)

其中，σ，ε分別為一維應(yīng)力和應(yīng)變；β為一維背應(yīng)力；Y為給定溫度下的屈服應(yīng)力；fT,α,n,c,a,E均為材料常數(shù)；erf(x)，[u(x)]分別為誤差函數(shù)和單位階越函數(shù)。

SMA阻尼器滯回模型如圖2所示。

5.3 實(shí)際工程應(yīng)用

目前，由于造價，加工技術(shù)的限制，SMA節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)還未得到廣泛應(yīng)用，但已有多家研究機(jī)構(gòu)做過一些裝有SMA耗能裝置模型的地震模擬試驗(yàn)，美國對SMA節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)研究較為先進(jìn)，位于加州大學(xué)伯克利分校地震工程研究中心(EERC)對安裝鎳欽記憶合金拉力耗能裝置的交叉支撐三層鋼框架抗震性能做了研究，美國國家地震工程研究中心(NCEER)對裝有銅鋅鋁形狀記憶合金耗能裝置的五層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震模擬實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)記憶合金耗能裝置在建筑受地震作用時，可高效的吸收節(jié)點(diǎn)能量，具有較好的抗震消能效果。

6 結(jié)論與展望

雖然許多關(guān)鍵性技術(shù)仍處于研究狀態(tài)，并且很多研究成果沒有應(yīng)用到實(shí)際工程中，目前還急需要解決的問題有：

1)耗能阻尼裝置性能的提高，尤其是金屬耗能阻尼裝置耐腐蝕性，耐久性的研究。

2)耗能材料性能的研究，研發(fā)多功能耗，多階段的耗能材料，及改善耗能材料力學(xué)性能。

3)耗能裝置標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化推廣問題，目前對于建筑節(jié)點(diǎn)耗能減震技術(shù)沒有規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化的性能衡量模式。需國家制定相關(guān)規(guī)范，完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

但在主動消能和建筑結(jié)構(gòu)種類增加的大趨勢下，建筑節(jié)點(diǎn)阻尼器耗能減震技術(shù)有著很大的發(fā)展?jié)摿?，該技術(shù)可以提高建筑物的使用壽命，保護(hù)人民生命財產(chǎn)在地震來臨時減少損失。而且建筑節(jié)點(diǎn)阻尼器耗能減震技術(shù)依據(jù)耗能減震機(jī)理明確，實(shí)際耗能效果明顯，可用于不同烈度不同抗震防區(qū)的結(jié)構(gòu)，不僅可應(yīng)用于新建建筑，而且還適用于后安裝與老建筑物，因此，為架構(gòu)的抗震設(shè)計和加固提供了一條嶄新的前途。

[1] 歐進(jìn)萍，吳 斌.摩擦型與軟鋼屈服型耗能器的性能與減振效果的試驗(yàn)比較[J].地震工程與工程振動，1995，15(3)：73-87．

[2] 張津娟，潘 文，葉燎原．國內(nèi)外摩擦耗能器研究進(jìn)展[J]．昆明理工大學(xué)學(xué)報，2004，29(1)：84-88．

[3] 吳 斌，張紀(jì)剛，歐進(jìn)萍．三種阻尼器減震結(jié)構(gòu)抗震性能的對比分析[J].世界地震工程，2004，20(1)：75-81．

[4] 李 鋼，李宏男．新型軟鋼阻尼器的減震性能研究[J]．振動與沖擊，2006，25(3):66-72.

[5] Kelly J M，Skinner R I，Heine A J．Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures[J].Bulletin of New Zealand National Society for Earthquake Engineering，1972，5(3):63-88．

[6] 朱旭東，呂西林，徐崇恩．軟鋼阻尼器基于Bouc-Wen模型的參數(shù)識別研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2011，27(5):124-128.

[7] Graesser E J,Cozzarelli F A. Shape-memory alloys as new materials for aseismic isolation[J].Journal of Engineering, 1991(17)：18.