一种， 在地震或风振时， 通过软钢发生塑性屈服滞回 变形而耗散输入结 构 中 的 能 量， 从而达到减震的目 的。由于软钢阻实 现， 自 1972 年 美 国 学 者 J・T・P・
［ ］ 各国学 者不断 地 Yao 1 提出结构振动控制概念以来，
器的双线性滞 回 模 型 （图 7 ） ， 并与试验结果进行比 较， 相 符 较 好。 1995 年， Tsai 等 人 给出了一种考 提出骨架平移 虑几何非线性的有 限 元 计 算 方 法， 计算结果与试验 数据吻合较好。 1996 年， 高梨晃一
［ 29］
］+
］ ， ［
s
］ 为主体结构的刚度矩阵， ［
・ 综
述・
软钢阻尼器耗能减震结构的研究与应用综述 !
章丛俊 李爱群 赵
南京
明
210096）
（东南大学 土木工程学院
摘
要：对软钢阻尼器消能减震结构进行了综述， 包 括 国 内 外 软 钢 阻 尼 器 研 究 与 应 用 状 况， 软钢阻尼器
耗能减震结构体系的分析与设计方法及 标 准 化 发 展， 并提出了软钢阻尼器耗能减震技术有待进一步研究的 若干问题。 关键词：软钢阻尼器 滞回曲线 耗能 减震 耗能减震结构体系
0
引
言
1
软钢阻尼器的研究和应用 软钢阻尼器是结构被动控制中耗能减震装置的
地震和风振作 用 相 当 于 能 量 的 输 入， 因此在强 震和大风作用下的 结 构 物 应 有 足 够 的 耗 能 能 力， 才 能够避免发生破坏。传统的抗震和抗风结构体系通 过结构及承重构件 的 损 坏 消 耗 能 量， 导致结构构件 出现不同程度的损 伤 甚 至 倒 塌， 这是不合理也是不 安全的。结构消能减震技术是一种新的主动的抗震 防灾技术， 在采用消能减震技术的结构体系中， 结构 的某些非承重构件被设计成具有较大耗能能力的特 殊元件— — —阻尼器， 小风小震时， 结构本身具有足够 的侧向刚度以满足使用要求， 结构处于弹性状态； 大 震大风时， 随着结构侧向变形的增大， 阻尼器率先进 入非弹性状态， 产生较大阻尼， 集中地耗散结构的地 震或风振能量， 迅速衰减结构的振动反应， 从而避免 或减小主体结构的损伤。而消能减震结构的实现主 要依赖于研制出简便实用的消能减震装置— — —阻尼 器， 目前国内外已研制出大量的阻尼器， 其中软钢阻 尼器具有稳定的滞回特性、 良好的低周疲劳特性、 不 受环境温度的影响 等 优 点， 使其在实际工程中的应 用前景极为广阔。
［ ］ ［ 4］ 并于 1980 年 Skinney 等人 3 提出 U 形钢板阻尼器，
最早将钢阻尼器应用于新西兰政府办公楼这一实际
［ 5］ 工程中。 1978 年 新 西 兰 的 Tyier 提出的锥形软钢
（编号： 。 59978009） ! 国家自然科学基金资助项目 第一作者： 章丛俊 师 男 1968 年 9 月 出 生 博士研究生 高级工程 一级注册结构工程师
e
］ 为阻尼器的
模型考虑了软钢的耐疲劳性能 （图 8） 。
"］ 等效水平刚度矩阵； ［ 为耗能减震结构体系的阻尼 " ］=［ s ］+［ e ］ ， ［ s］ 为主体结构 矩阵， 可分解为 ［
的阻尼矩阵， ［
e
］ 为阻尼器的等效阻尼矩阵。
方程 （1） 是一非 线 性 方 程。 由 于 第 一 和 第 二 水 准下， 结构体系尚处于弹性状态， 为简化地震反应分 析， 可对其进行等 效 线 性 化 后 按 现 行 规 范 的 振 型 分 解法求解。但在实 际 结 构 设 计 时 需 考 虑 大 阻 尼、 长 周期对设计反应谱的影响， 并予以修正。
［ 6］
力低、 耗能量有限的缺点， 又加以改进提出双环软钢 耗能器和加劲 圆 环 耗 能 器 （图 4 ） ， 并分别进行了试 验研究。 2003 年 中 国 地 震 局 力 学 所 的 邢 书 涛 等
［ 21］ 人 将矩形 钢 板 阻 尼 器 改 进 为 中 空 菱 形 钢 板 阻 尼
。 1981 年 美 国 的 Stiemer 等 人
［ ， ］ 1989 年， Whittaker 等 人 23 24 利 用 弹 塑 性 应 力 -
一阶段， 在小震或风载作用下， 主体结构及耗能减震 装置处于弹性状态， 可以提供足够的附加刚度使耗 能减震体系满足第一和第二水准要求； 第二阶段， 在 强烈地震下， 耗能 装 置 通 过 往 复 滞 回 变 形 消 耗 输 入 结构体系的能量， 使主体结构避免进入明显的非弹 性状态从而实现第三水准的要求。 !"# 基于等价线性化的振型分解法 耗能减震结构体系的运动方程为：
图7 双线性模型
!"!
时程分析法 只有当等效阻 尼 比 不 是 特 别 大 时， 采用前述的
基于等价线性化的振型分解法才能保证良好的精确 度， 当主体结构进 入 弹 塑 性 阶 段 或 阻 尼 器 非 均 匀 布 置时， 必须采用时 程 分 析 法 对 消 能 减 震 结 构 体 系 进 行地震反应分析计 算， 其力学模型可采用层间模型 或杆系模型， 耗能 减 震 结 构 体 系 可 分 解 为 主 体 结 构 和耗能系统两部分， 其计算模型可分别由两者的恢
［ 16］ 瑞孝 考虑到加 劲 阻 尼 装 置 的 X 形 和 三 角 形 钢 板
排列过于紧密， 提 出 改 进 型 加 劲 阻 尼 装 置。 1996 年
［ 17］ 提出组合钢板耗能器来解决钢板耗 欧进萍等人
图6
极低屈服点软钢阻尼器
能器 的 平 面 外 稳 定 及 薄 膜 效 应 问 题 （ 图 3） 。 1997 年， 哈尔滨 工 业 大 学 的 周 云、 刘季
［ 13 ， 14］ ， 从 而 获 得 丰 满 的 滞 回 曲 线。 该 阻 尼 器 下屈曲
低屈服点软钢 阻 尼 器 （图 6 ） ， 并进行了室外足尺拟 动力试验。但我国软钢阻尼器实际应用较少。
具有方便耐用、 滞回耗能性能良好的特点， 逐渐得到 工程界的广泛认 可。 至 今 为 止， 国外采用软钢阻尼 器建筑已超过百幢， 以结构控制技术应用发展较快 的国家如美国、 日 本、 加 拿 大、 新 西 兰、 墨 西 哥 为 主， 意大利、 法国、 俄罗 斯、 新加坡等国家也在实际工程 中积极地应用。
［ 26 ， 27］
"］ "］ ［! ］ ｛ ｝+［ ｛ ｝+［ ｛ ｝ = -［! ］ ｛ ｝g
（1） 式中， ［! ］ 为耗能减震体系的质 量 矩 阵； ［" ］ 为耗能 减震结构体 系 的 刚 度 矩 阵， 可分解为 ［" ］=［ ［
e s
的双表面模型
， 推导出 X 形和三角形钢板阻尼
［ 28］
［ 22］ 提出了极 哈尔滨工业大学的李玉顺等人 2004 年，
等人和 TSai 等人
［ 11 ， 12］
研究 开 发
的， 是目前应用 较 多 的 软 钢 阻 尼 器。 美 国 旧 金 山 的 两幢和墨西哥 的 三 幢 结 构 成 功 地 采 用 了 XADAS 进 行抗震加固。值得 提 出 的 是： 日本和美国新近出现 的抑制屈曲支 撑 软 钢 阻 尼 器 （ 图 2） ， 在其内核钢支 撑和外包层 （钢管、 钢 筋 混 凝 土 或 钢 管 混 凝 土） 之间 形成无粘结滑移界 面， 防止内核钢支撑在压力作用
［ 18 - 20］
!"#
软钢阻尼器的理论研究 尽管软钢阻尼 器 的 几 何 形 状 多 种 多 样， 但都是
研制出了软
钢圆环耗能器， 随后为避免耗能器初始刚度和屈服 18
通过软钢发生塑性 屈 服 滞 回 变 形 而 耗 散 能 量， 因此
工业建筑 2006 年第 36 卷第 9 期
软钢阻尼器耗能减震能力的大小主要取决于其塑性 变形能力的大小和 耐 疲 劳 性 能， 即滞回曲线是否丰 满， 这样从理论上研 究 符 合 实 际 情 况 的 阻 尼 力 - 位 移滞回模型成为关键。
图3 组合钢板耗能器
图4
双环软钢、 加劲圆环耗能器
图1
两种软钢阻尼器
图5
中空菱形钢板阻尼器
1 - 方钢管； 2 - 无粘结材料； 3 - 内核钢支撑； 4 - 填充料 图2 抑制屈曲支撑软钢阻尼器
［ 15］ 我国自 1980 年王光远院士 提出了高耸结构
风振控制开始， 已有越来越多的学者投入到软钢阻 尼器的研究和开 发 中， 1995 年 台 湾 学 者 高 健 章 和 叶
图8 骨架平移模型
复力模型叠加而成。 根据耗能减震结构体系的运动方程 （1） ， 将软钢 阻尼器所引起的随时间变化的刚度和阻尼增加到原 结构 中， 通 过 采 用 线 性 加 速 度 法、 wilson! 法等对动 力微分方程求解， 可得到整个地震时耗能减震结构 体系在任意时刻的 结 构 地 震 响 应 （位 移、 速 度、 加速 度和内力等） ， 若不 满 足 规 范 的 要 求， 则需要重新调 整或选择耗能装置直到满足要求。 !"$ 能量分析法 能量分析法的思想是在地震过程中输入耗能减 震结构体 系 的 能 量 必 须 与 结 构 体 系 内 部 能 量 的 存 储、 转换和消能相平衡， 即：
210096）
Abstract ：It is summarized that the passive energy dissipation systems of miid steei damper， inciuding the studies and appiications of the new technigues both at home and abroad； the performance， design methods and codes of structure systems with energy dissipaters . Some probiems to be further studied are presented . Keywords ：miid steei damper dissipation hysteretic curve energy dissipation seismic reduction structure systems with energy