了得網建築_結構保護繫統的應用與發展

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研究結構保護繫統的應用與發展

內容簡介

本書共12章，包括從工程的眼光看結構保護繫統的應用和發展、黏滯阻尼器在工程應用中相關問題討論、油阻尼器與黏滯阻尼器的性能差異、缸筒流體阻尼器的適用範圍、電渦流TMD應用分析、橋梁彈塑性隔振支座的研究、國外減隔振橋梁和阻尼器的失效分析、阻尼器繫統結構中的附屬結構反應、黏滯阻尼器的漏油剖析、黏滯阻尼器的結構構造和速度指數、液體黏滯阻尼器的工作狀態及在線評估、附加保護繫統的結構安全問題，以及2個附錄。本書的主要內容和重點包括：對結構保護繫統已取得的成績、所遇到的問題和經驗進行盤點，對理論進一步澄清、對不合格的偽劣山寨產品予以揭露，對結構保護繫統的發展提出下一步的工作意見。書中所涉及的一些問題，仍在討論之中，也有一些是既成事實，但也願意提出供讀者、特別是年輕人參考討論。

作者簡介

陳永祁，中國建築科學研究院工程抗震研究所碩士，美國紐約州立大學布法羅分校土木建築繫博士，研究員，2005年回國創辦北京奇太振控科技發展有限公司。馬良喆（1973年-），男，哈爾濱工業大學土木工程學院碩士，從事結構耗能減震方面的研究工作；曾先後就職於北京市建築工程研究院檢測所、中國電子工程設計院，分別從事建築材料檢測、結構構件樁基檢測以及工業建築結構設計等工作。

1從工程的眼光看結構保護繫統的應用和發展

1.1引言

1.2結構保護繫統的發展過程簡述

1.3在實踐中*被肯定的三種產品

1.4尚需發展的幾種產品

1.5確保工程質量的管理體繫

1.6**研究發展

1.7結論和建議

2黏滯阻尼器在工程應用中相關問題討論

2.1引言

2.2以彈性膠泥為介質的**代產品

2.3以機械式閥門為基礎的第二代產品

2.4射流孔控制阻尼參數的第三代產品

2.5結論

3油阻尼器與黏滯阻尼器的性能差異

3.1引言

3.2油阻尼器的設計與特性

3.3蓄能器功能討論

3.4射流型黏滯阻尼器

3.5油阻尼器性能討論

3.6兩類產品的區分和辨別

3.7結論

4缸筒流體阻尼器的適用範圍

4.1引言

4.2缸筒流體阻尼器構造

4.3缸筒流體阻尼器的特點

4.4不同類型流體阻尼器的對比

4.5產品的使用範圍

4.6結論

5電渦流TMD應用分析

5.1簡介

5.2電渦流介紹

5.3國外工程研究

5.4我國電渦流TMD現狀

5.5問題討論

5.6結論

6橋梁彈塑性隔振支座的研究

6.1簡介

6.2E形軟鋼阻尼器的性能

6.3被測試隔振繫統的設計要求和性能

6.4橋梁模型

6.5實驗辦法

6.6實驗結果

6.7與其他隔振繫統的對比

6.8分析預測的響應

6.9結論

6.10符號注釋

7國外減隔振橋梁和阻尼器的失效分析

7.1引言

7.2Bolu高架橋1號線的震災情況

7.3日本OnNeton橋在1993年KushiroOki地震反應

7.4英國Thelwall高架橋失效案例

7.5其他破壞案例

7.6經驗和教訓

8阻尼器繫統結構中的附屬結構反應

8.1引言

8.2用於這項研究的地震波

8.3滿足2000NEHRP規範的無阻尼繫統的特種鋼框架結構的描述

8.4帶阻尼繫統的三層框架結構的描述

8.5非線性時程分析

8.6非線性時程分析的結果

8.7結論

9黏滯阻尼器的漏油剖析

9.1概述

9.2阻尼器使用環境的分類

9.3液體黏滯阻尼器的漏油原因

9.4是否漏油的預先判定和測試

9.5應用中阻尼器漏油的檢查

9.6防止和減少漏油的辦法

9.7國內外很多企業解決不了的難題

9.8漏油阻尼器的嚴重後果

9.9阻尼器的規範要求和測試

9.10結論

10黏滯阻尼器的結構構造和速度指數

10.1介紹

10.2阻尼器的構造

10.3產品構造決定速度指數

10.4不同速度指數的計算討論

10.5泰勒公司專家的觀點和態度

10.6試驗檢測

10.7結論

11液體黏滯阻尼器的工作狀態及在線評估

11.1引言

11.2安裝就位前性能評估

11.3現場對阻尼器的評估

11.4阻尼器監測繫統

11.5結論

12附加保護繫統的結構安全問題

12.1我國隔振設計和應用

12.2屈曲約束支撐的應用

12.3結論

附錄

13HITEC消能減振設備評估報告

13.1背景

13.2Rockies東部的危害

13.3隔振

13.4橋梁隔振繫統介紹

13.5測試需求和方法

13.6測試結果解析

13.7評估報告附件

13.8泰勒公司阻尼器測試結果

14摩擦擺支座測試

14.1介紹

14.2總體要求

14.3測試標準

14.4提交文件

14.5測試和檢查

14.6包裝、存儲和交付

14.7材料

參考文獻

前言

始於20世紀80年代末在美國創建起的結構保護繫統，在世界工程領域大量應用已近三十年。在我國，從1999年北京火車站結構保護繫統的阻尼器工程應用開始，至今也有十幾年的歷史。作為結構保護繫統，或稱為結構控制繫統的減隔振裝置，如黏滯阻尼器（FVD）、屈曲約束耗能支撐（BRB）以及基礎隔振的鉛芯橡膠墊和摩擦擺支座都有了廣泛的發展和應用。
隨著國內對工程結構安全防範意識的日益增長，國家政策傾斜以及設計規程規範的指引，相關領導大力倡導下，在短時間內一大批從事研究和設計的教授、工程師隊伍湧入到這個領域內。在巨大的人員投入下，一大批減隔振建築和橋梁投入使用。據周福霖院士介紹，2014年我國已建成隔振建築4 000餘幢。宮海等人介紹估算2013年房屋建築減隔振行業產品總產值6，建築減振行業產品。毫無疑問，目前，我國是世界上結構保護繫統發展較快，同時也是完成結構控制工程*多的國家之一。
一、發展中遇到的問題
目前，結構保護繫統還是個不完全成熟的新事物，在我國這十幾年的應用發展過程中也有很多問題出現，很多問題上仍然在重復美國、日本已有結論的錯誤和誤區，而沒有能真正在產品質量、產品測試以及設計思路的諸多方面實施嚴格控制。這些問題主要體現在如下方面：始於20世紀80年代末在美國創建起的結構保護繫統，在世界工程領域大量應用已近三十年。在我國，從1999年北京火車站結構保護繫統的阻尼器工程應用開始，至今也有十幾年的歷史。作為結構保護繫統，或稱為結構控制繫統的減隔振裝置，如黏滯阻尼器（FVD）、屈曲約束耗能支撐（BRB）以及基礎隔振的鉛芯橡膠墊和摩擦擺支座都有了廣泛的發展和應用。

隨著國內對工程結構安全防範意識的日益增長，國家政策傾斜以及設計規程規範的指引，相關領導大力倡導下，在短時間內一大批從事研究和設計的教授、工程師隊伍湧入到這個領域內。在巨大的人員投入下，一大批減隔振建築和橋梁投入使用。據周福霖院士介紹，2014年我國已建成隔振建築4 000餘幢。宮海等人介紹估算2013年房屋建築減隔振行業產品總產值6，建築減振行業產品。毫無疑問，目前，我國是世界上結構保護繫統發展較快，同時也是完成結構控制工程*多的國家之一。

一、發展中遇到的問題

目前，結構保護繫統還是個不完全成熟的新事物，在我國這十幾年的應用發展過程中也有很多問題出現，很多問題上仍然在重復美國、日本已有結論的錯誤和誤區，而沒有能真正在產品質量、產品測試以及設計思路的諸多方面實施嚴格控制。這些問題主要體現在如下方面：

一是減隔振產品的測試。目前，我國測試設備和人員有所發展，但仍然很不健全，對產品性能喫不透，致使一些產品無法準確檢測。此外，我國目前雖已經有了幾套大型阻尼器的動力測試設備，但還沒有對超大的大受力型全尺寸裝置的動力測試設備，也缺少先進的測試軟件和公正的一絲不苟的測試隊伍及體制。一些大型的原型減隔振裝置幾乎不進行動力檢測；不進行公開透明的測試，不公布測試結果，使眾多的使用者一頭霧水。這些已經成為我國減隔振產品健康發展的主要障礙。國內已有近20個大型阻尼器生產廠，但很少能拿出有一定權威性、具有相關認證資質（如CMA）的測試報告。本書第12章引入並翻譯了美國土木工程師學會（ASCE）組織的HITEC（美國高速公路創新技術評估中心）的聯合預測試的公開報告。雖然這次測試已經過去近20年，但這次測試的思路、內容以及完全由第三方完成並公開發表的方法仍是值得學習的。此外書中還介紹了幾項減隔振產品的特殊鋻定，特別是在日常運營中對已經安置在建築和橋梁上液體黏滯阻尼器的鋻定測試，以及產品上百萬次的往復荷載測試和考慮15～20倍的安全繫數的測試，這些測試和鋻定都非常有實踐意義。

二是關於設計理念。結構保護繫統的設計和使用確實能夠使結構抗震能力提高，但在我國，當下仍然有很多不確定性不能澄清的前提下，對於減隔振結構實施降度設計的理念，真能保證安全嗎？我國的隔振支座幾乎都沒有經歷過世界其他國家均強調的動力測試，也沒有做過公開的、國家統一組織的對產品的第三方預檢測，實施降度設計應該說是十分危險的。一些廠家將防屈服支撐（BRB）設計為小震屈服耗能,甚至風振下屈服耗能，不得不說這種做法一方面違反了“小震不壞”的設計原則，使結構的重要部件過早屈服，如果不能置換，就會使結構置於長期帶屈服後的構件工作的狀態；另一方面，一旦屈服後的承載力改變（這是允許的），無疑對結構的安全是十分不利的。如果再粗制濫造、未經嚴格測試檢驗就成了更危險的產品。我國在幾年間就成立了多家黏滯阻尼器廠家，而實際上阻尼器的一些產品原理和技術往往需要幾十年的技術積累和經驗，纔能真正理解和掌握。產品又都沒有經過起碼的第三方聯合預檢測，特別是動力檢測、疲勞檢測，就匆忙上房上橋，如果再降低設計烈度，無疑是很危險的。對阻尼器的設計使用上也有一些問題不能得到共識，一些溫度變形很大的大跨度橋梁，有的設計者在阻尼器上不適當地加上初始受力或初始剛度，這些初始力如果遠大於規範對阻尼器慢速測試的要求，就將嚴重影響了結構的正常使用。還有的設計者喜歡采用02或02以下的速度指數，需要提醒的是，這不僅僅程序中存在計算和優化的問題，而且這些產品在設計中的問題也早有結論。這種速度指數在02及02以下的阻尼器隻有采用閥門，纔能確保各測試點滿足阻尼器的本構關繫，而這種帶閥門的落後的阻尼器技術不僅很難通過阻尼器的測試，也已經導致了大部分國外阻尼器廠家的破產，需要引以為戒。

對於早期使用的大多數結構保護繫統，僅做個“備份”、“第二道防線”加在結構上。這種設計雖然有時顯得多餘，但對於產品和施工都沒有把握控制質量的情況下還是個能保證安全的權宜做法。隨著世界抗震工程的發展，加上去的結構保護繫統參加定量設計是完全應該的，如果能確保產品和結構同壽命地工作幾十年，也完全是可行的，應該被接受。而在對理論和產品都沒有十分把握的情況下，我們應先停下腳步，認真理清這個領域的產品的原理、測試要求，對被工程采用產品實施公開預檢測並由權威機構發放準入證。

一些技術看似非常先進，但在國際上被否認或存在很大爭議，在並無進一步研究發展的前提下這些所謂的“先進技術”在我國被廣泛推廣應用，這一做法是值得商榷的。如：

（1）半主動控制的產品，如磁流變阻尼器、磁渦流TMD、半主動或主動AMD。

（2）利用BRB小震屈服，被用於抗風、常遇地震耗能減振。

（3）沒有防止塌落的設備和措施的柱間、柱頂隔振繫統。

（4）在我國已經大量應用的帶金屬耗能裝置和速度鎖定器的橋梁支座。

（5）內置閥門的流體阻尼器。

（6）不能精確計算、局限性很大的阻尼鍋，用於控制橋梁渦激風振的TMD。

（7）不能嚴格證明的TMD抗震繫統。

上述這些做法在技術上尚有爭議，且出現的一些問題已經被國際工程界多次證明，為了提醒使用者慎重考慮、研究後再在工程中應用這些產品，本書也簡單介紹了部分我們和國際上的一些不同意見，以及以往的研究和爭議，希望大家引以為戒，並能廣泛地進行討論。

在1999年土耳其地震中，附加金屬耗能的彈塑性支座出現了嚴重破壞。這是現代結構保護繫統問世以來所遭受到的*為嚴重的一次地震破壞，這種裝置的問題根本在於其沒有足夠安全儲備用於抵御強烈地震所產生的巨大位移。全世界工程界都吸取了這一教訓：這種通過金屬屈服耗散地震能量的橋梁支座繫統，如果不加改進是不適宜用於橋梁隔振的。目前，在我國一些新建高速鐵路專線橋梁中也大量采用了這一支座產品，那麼它們會帶來什麼樣的地震表現呢？

讓我們再來看一下在歐洲發生的另一起結構保護繫統事故。2009年，意大利拉奎拉63級地震造成308人死亡，4 600套住房倒塌、破壞，17 000人無家可歸的悲慘景像。在震後重建過程中查明，完成了7 300個摩擦擺的Alga、FIP支座和阻尼器生產廠生產的基礎隔振裝置存在嚴重的質量問題。

我國已經完成了很多“世界**”的減隔振工程，這些工程能否由國家權威部門組織進行幾次公開的鋻定測試，一方面，公開嚴格地審查是對成功項目的肯定和推廣；另一方面，對測試中以小代大、使用劣質材料、整體裝置的轉移分包，取代進口名牌產品等惡劣作假行為的追查和處理；同時也是對失敗或有問題的項目追蹤責任，纔能真正地貫徹終身負責制。總理帶領我國高鐵、核能等工業走向世界，投標並承接墨西哥、土耳其、羅馬尼亞等世界著名地震區的高鐵工程。在這種環境下，我們高鐵工程的結構保護繫統的科技水平是十分重要和值得我們注意的。回憶一下2011年，世界銀行對我國一冶承接孟加拉摩哈卡利立交橋項目招投標工程的“欺詐行為”的處罰。一冶提出從美國Techstar采購STU減振裝置（結構保護裝置）的做法並沒有得到世界銀行的諒解，他們被“禁止其未來三年內參加世界合同競標”。在我們投標世界高鐵工程中，不該引起警惕嗎？

二、觀點和建議

在2006年12月7日《人民日報》第14版登載筆者的一篇題為《五大亂像困擾建築抗震工程》的文章，指出目前在結構保護繫統領域存在設計施工錯誤百出，產品測試缺少章法，獲獎成果名不副實，偽劣產品通行無阻，科研人員為利所誘等五個方面的問題。此外，設計原則是一個更為普遍、更為危險的問題，在一個沒有嚴格管理和約束體繫之下，結構保護繫統加在傳統的設計結構上，盲目降低設計標準，這能使結構更安全嗎？

為了促進行業的發展，防微杜漸，在此建議：

（1）建議國家成立獨立的“結構控制”專項小組，專業審查結構保護繫統上的主要規範、規程；審查重大工程項目和重大決策。

（2）由國家或專業協會組織召開公益性、學術性專業研究討論會，廣泛征集不同意見的討論。

（3）解決測試設備和測試人員培訓問題，建立嚴格測試資質審批制度。

（4）建立產品信息公開、統一第三方型檢（預檢測）制度，從而建立經審批者市場入門制。

（5）嚴肅處理重大工程事故，公開重大項目的結果調查及評估；對*近已宣布破產的國內外公司，都應該認真總結經驗。

（6）對關於結構保護繫統的相關專利和論文進行公開審批，進行討論盤點。

（7）對已安裝減隔振裝置的重要工程進行重新評估審查，可在全國範圍內對有重大影響的項目進行工程現場取樣抽檢。

本書的主要內容和重點包括：對結構保護繫統已取得的成績、所遇到的問題和經驗進行盤點，對理論進一步澄清、對不合格的偽劣山寨產品予以揭露，對結構保護繫統的發展提出下一步的工作意見。書中所涉及的一些問題，仍在討論之中，也有一些是既成事實，但也願意提出供讀者、特別是年輕人參考討論。

書中引入並翻譯了紐約州立大學Constantinou教授的一些研究課題和報告，如第6章橋梁彈塑性隔振支座的研究（Study of elastoplastic bridge seismic isolation system），第8章阻尼器繫統結構中的附屬結構反應（Response of Nonstructural Components in Structures with Damping Systems），其他章節如缸筒流體阻尼器的適用範圍、國外減隔振橋梁和阻尼器的失效分析也主要是根據Constantinou教授的相關文章綜合寫成的。在征得了他的同意後，我們對文章進行了整理和翻譯，在一些發表的文章中引述了其中一些重要內容，書中的一些觀點和看法也都多次和Constantinou教授進行過討論。對於他的幫助，在此我們表示衷心感謝！

本書的部分翻譯和文字整理工作由同事彭程、薛恆麗完成，在公司實習的秦志遠同學、陳靜同學、陳漪銘同學協助完成了一些翻譯、英文校核和其他工作，在此一並表示感謝。

……

在線試讀

1．1 引言

近二十年來古老的地震工程領域煥發出勃勃生機，其所獲得的巨大發展應歸功於以基礎隔振和消能減振為主要內容的結構抗震保護繫統的出現和投入使用。結構保護繫統對工程抗震所產生的影響和發展具有劃時代的意義，它完全改變了工程師對傳統結構工程抗震的理念和手段，進而轉向通過附加裝置保護結構自身的安全，給破壞性大、發生概率小的工程抗震找到了一個好的解決辦法；它使工程師認識到以結構破壞為代價的延性設計的不足，合理地設置結構保護繫統完全可以避免結構延性的產生；它使我們認識到“強柱弱梁”、“大、中、小地震”的設計理念的欠缺和不足，並且提供了一種可以替換笨重但被廣泛應用的剪力牆體繫的有效途徑。

20世紀90年代美國T．T．Soon9和M．C．Constantinou教授對各種保護繫統作了全面的論述。在我國、歐進萍、周福霖、周雲等多位專家對結構保護繫統進行了綜合評述，所發表的著作對我國這一領域上的發展起了重要的引路作用。國際上結構保護繫統無論是理論還是工程實踐的成熟發展也對我國的結構保護繫統發展和應用起了很大推動作用，僅液體黏滯阻尼器類減振產品，就在我國重要的橋梁和建築上有了可觀的應用，而發展較早的基礎隔振產品短時間內在我國已經有了幾百個建築工程案例。

和國際上的發展過程類似，應該認識到這項技術在我國的發展和應用中也存在很多問題需要討論和解決。為了促進結構保護繫統在國內的健康發展，使我國的建築結構更為安全可靠．筆者希望在這裡結合幾年來的工程實踐和中外交流的心得體會，並結合美國這一領域發展的同時，提出觀點並以此和大家討論，也算是拋磚引玉吧!

本章的標題給出了討論問題的出發點一一從工程應用上討論結構保護繫統應用中的一些問題。對於結構保護繫統，在美國二十多年的發展進程中一直存在著不同的觀點和看法，但在不同版本文字的背後都有一個相同的準則，即工程應用的行為準則。這一應用準則並不是完全取決於產品理論上的先進性，甚至不取決於土木工程中短時間的使用和減振效果，而是更為注重結構工程師認可的想法和產品，而更多的是取決於下述幾點：

（1）消能減振產品在各種環境下計算的準確性。結構保護裝置是要參與到結構受力分析的定量裝置，而絕不是一個能起作用就可以的定性產品，它應該在結構分析中與其他構件具有相同精度、相匹配的精確構件。

（2）產品應是免維護的，並且能重復使用。相信房屋的所有人並不希望所采用的結構保護裝置如同空調、電梯、暖氣一樣需要經常維護和打理，而是希望它能和其他結構構件相同，屬於基本上是免維護的裝置，並且在數次地震、大風和其他振動後仍然能夠恢復到初始狀態並可以重復使用。

……

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