结构保护系统的应用与发展
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作者陈永祁,马良喆 主编
出版社中国铁道出版社
ISBN9787113203146
出版时间2015-05
装帧平装
开本16开
定价39元
货号1201127066
上书时间2024-06-03
商品详情
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作者简介
陈永祁，中国建筑科学研究院工程抗震研究所硕士，美国纽约州立大学布法罗分校土木建筑系博士，研究员，2005年回国创办北京奇太振控科技发展有限公司。
马良喆（1973年—），男，哈尔滨工业大学土木工程学院硕士，从事结构耗能减震方面的研究工作；曾先后就职于北京市建筑工程研究院检测所、中国电子工程设计院，分别从事建筑材料检测、结构构件桩基检测以及工业建筑结构设计等工作。
目录
1从工程的眼光看结构保护系统的应用和发展1
1.1引言1
1.2结构保护系统的发展过程简述2
1.3在实践中最被肯定的三种产品4
1.4尚需发展的几种产品7
1.5确保工程质量的管理体系13
1.6最新研究发展14
1.7结论和建议16
2黏滞阻尼器在工程应用中相关问题讨论18
2.1引言18
2.2以弹性胶泥为介质的代产品18
2.3以机械式阀门为基础的第二代产品20
2.4射流孔控制阻尼参数的第三代产品21
2.5结论 29
3油阻尼器与黏滞阻尼器的性能差异30
3.1引言30
3.2油阻尼器的设计与特性31
3.3蓄能器功能讨论35
3.4射流型黏滞阻尼器36
3.5油阻尼器性能讨论37
3.6两类产品的区分和辨别40
3.7结论41
4缸筒流体阻尼器的适用范围42
4.1引言42
4.2缸筒流体阻尼器构造42
4.3缸筒流体阻尼器的特点43
4.4不同类型流体阻尼器的对比47
4.5产品的使用范围47
4.6结论48
5电涡流TMD应用分析49
5.1简介49
5.2电涡流介绍50
5.3国外工程研究51
5.4我国电涡流TMD现状52
5.5问题讨论55
5.6结论57
6桥梁弹塑性隔振支座的研究58
6.1简介58
6.2E形软钢阻尼器的性能60
6.3被测试隔振系统的设计要求和性能61
6.4桥梁模型63
6.5实验办法63
6.6实验结果64
6.7与其他隔振系统的对比67
6.8分析预测的响应68
6.9结论71
6.10符号注释72
7国外减隔振桥梁和阻尼器的失效分析74
7.1引言74
7.2Bolu高架桥1号线的震灾情况74
7.3日本On-Neton桥在1993年Kushiro-Oki地震反应81
7.4英国Thelwall高架桥失效案例82
7.5其他破坏案例83
7.6经验和教训83
8阻尼器系统结构中的附属结构反应85
8.1引言85
8.2用于这项研究的地震波86
8.3满足2000 NEHRP规范的无阻尼系统的特种钢框架结构的描述87
8.4带阻尼系统的三层框架结构的描述88
8.5非线性时程分析90
8.6非线性时程分析的结果91
8.7结论97
9黏滞阻尼器的漏油剖析98
9.1概述98
9.2阻尼器使用环境的分类98
9.3液体黏滞阻尼器的漏油原因100
9.4是否漏油的预先判定和测试102
9.5应用中阻尼器漏油的检查103
9.6防止和减少漏油的办法103
9.7国内外很多企业解决不了的难题104
9.8漏油阻尼器的严重后果104
9.9阻尼器的规范要求和测试105
9.10结论106
10黏滞阻尼器的结构构造和速度指数107
10.1介绍107
10.2阻尼器的构造108
10.3产品构造决定速度指数111
10.4不同速度指数的计算讨论112
10.5泰勒公司专家的观点和态度115
10.6试验检测116
10.7结论117
11液体黏滞阻尼器的工作状态及在线评估118
11.1引言118
11.2安装就位前性能评估118
11.3现场对阻尼器的评估119
11.4阻尼器监测系统121
11.5结论124
12附加保护系统的结构安全问题125
12.1我国隔振设计和应用125
12.2屈曲约束支撑的应用127
12.3结论128
附录129
13HITEC消能减振设备评估报告131
13.1背景131
13.2Rockies东部的危害131
13.3隔振132
13.4桥梁隔振系统介绍133
13.5测试需求和方法136
13.6测试结果解析145
13.7评估报告附件154
13.8泰勒公司阻尼器测试结果221
14摩擦摆支座测试227
14.1介绍227
14.2总体要求227
14.3测试标准228
14.4提交文件236
14.5测试和检查238
14.6包装、存储和交付239
14.7材料239
参考文献243
内容摘要
本书共12章，包括从工程的眼光看结构保护系统的应用和发展、黏滞阻尼器在工程应用中相关问题讨论、油阻尼器与黏滞阻尼器的性能差异、缸筒流体阻尼器的适用范围、电涡流应用分析、桥梁弹塑性隔振支座的研究、国外减隔振桥梁和阻尼器的失效分析、阻尼器系统结构中的附属结构反应、黏滞阻尼器的漏油剖析、黏滞阻尼器的结构构造和速度指数、液体黏滞阻尼器的工作状态及在线评估、附加保护系统的结构安全问题，以及2个附录。本书的主要内容和重点包括：对结构保护系统已取得的成绩、所遇到的问题和经验进行盘点，对理论进一步澄清、对不合格的伪劣山寨产品予以揭露，对结构保护系统的发展提出下一步的工作意见。书中所涉及的一些问题，仍在讨论之中，也有一些是既成事实，但也愿意提出供读者、特别是年轻人参考讨论。
精彩内容
始于20世纪80年代末在美国创建起的结构保护系统，在世界工程领域大量应用已近三十年。在我国，从1999年北京火车站结构保护系统的阻尼器工程应用开始，至今也有十几年的历史。作为结构保护系统，或称为结构控制系统的减隔振装置，如黏滞阻尼器（FVD）、屈曲约束耗能支撑（BRB）以及基础隔振的铅芯橡胶垫和摩擦摆支座都有了广泛的发展和应用。
随着国内对工程结构安全防范意识的日益增长，国家政策倾斜以及设计规程规范的指引，相关领导大力倡导下，在短时间内一大批从事研究和设计的教授、工程师队伍涌入到这个领域内。在巨大的人员投入下，一大批减隔振建筑和桥梁投入使用。据周福霖院士介绍，2014年我国已建成隔振建筑4 000余幢。宫海等人介绍估算2013年房屋建筑减隔振行业产品总产值6.5亿元，建筑减振行业产品约3亿元。毫无疑问，目前，我国是世界上结构保护系统发展较快，同时也是完成结构控制工程最多的国家之一。
一、发展中遇到的问题
目前，结构保护系统还是个不完全成熟的新事物，在我国这十几年的应用发展过程中也有很多问题出现，很多问题上仍然在重复美国、日本已有结论的错误和误区，而没有能真正在产品质量、产品测试以及设计思路的诸多方面实施严格控制。这些问题主要体现在如下方面：
一是减隔振产品的测试。目前，我国测试设备和人员有所发展，但仍然很不健全，对产品性能吃不透，致使一些产品无法准确检测。此外，我国目前虽已经有了几套大型阻尼器的动力测试设备，但还没有对超大的大受力型全尺寸装置的动力测试设备，也缺少先进的测试软件和公正的一丝不苟的测试队伍及体制。一些大型的原型减隔振装置几乎不进行动力检测；不进行公开透明的测试，不公布测试结果，使众多的使用者一头雾水。这些已经成为我国减隔振产品健康发展的主要障碍。国内已有近20个大型阻尼器生产厂，但很少能拿出有一定权威性、具有相关认证资质（如CMA）的测试报告。本书2章引入并翻译了美国土木工程师学会（ASCE）组织的HITEC（美国高速公路创新技术评估中心）的联合预测试的公开报告。虽然这次测试已经过去近20年，但这次测试的思路、内容以及完全由第三方完成并公开发表的方法仍是值得学习的。此外书中还介绍了几项减隔振产品的特殊鉴定，特别是在日常运营中对已经安置在建筑和桥梁上液体黏滞阻尼器的鉴定测试，以及产品上百万次的往复荷载测试和考虑15～20倍的安全系数的测试，这些测试和鉴定都非常有实践意义。
二是关于设计理念。结构保护系统的设计和使用确实能够使结构抗震能力提高，但在我国，当下仍然有很多不确定性不能澄清的前提下，对于减隔振结构实施降度设计的理念，真能保证安全吗？我国的隔振支座几乎都没有经历过世界其他国家均强调的动力测试，也没有做过公开的、国家统一组织的对产品的第三方预检测，实施降度设计应该说是十分危险的。一些厂家将防屈服支撑（BRB）设计为小震屈服耗能,甚至风振下屈服耗能，不得不说这种做法一方面违反了“小震不坏”的设计原则，使结构的重要部件过早屈服，如果不能置换，就会使结构置于长期带屈服后的构件工作的状态；另一方面，一旦屈服后的承载力改变（这是允许的），无疑对结构的安全是十分不利的。如果再粗制滥造、未经严格测试检验就成了更危险的产品。我国在几年间就成立了多家黏滞阻尼器厂家，而实际上阻尼器的一些产品原理和技术往往需要几十年的技术积累和经验，才能真正理解和掌握。产品又都没有经过起码的第三方联合预检测，特别是动力检测、疲劳检测，就匆忙上房上桥，如果再降低设计烈度，无疑是很危险的。对阻尼器的设计使用上也有一些问题不能得到共识，一些温度变形很大的大跨度桥梁，有的设计者在阻尼器上不适当地加上初始受力或初始刚度，这些初始力如果远大于规范对阻尼器慢速测试的要求，就将严重影响了结构的正常使用。还有的设计者喜欢采用02或02以下的速度指数，需要提醒的是，这不仅仅是有限元程序中存在计算和优化的问题，而且这些产品在设计中的问题也早有结论。这种速度指数在02及02以下的阻尼器只有采用阀门，才能确保各测试点满足阻尼器的本构关系，而这种带阀门的落后的阻尼器技术不仅很难通过阻尼器的测试，也已经导致了大部分国外阻尼器厂家的破产，需要引以为戒。
对于早期使用的大多数结构保护系统，仅做个“备份”、“第二道防线”加在结构上。这种设计虽然有时显得多余，但对于产品和施工都没有把握控制质量的情况下还是个能保证安全的权宜做法。随着世界抗震工程的发展，加上去的结构保护系统参加定量设计是完全应该的，如果能确保产品和结构同寿命地工作几十年，也完全是可行的，应该被接受。而在对理论和产品都没有十分把握的情况下，我们应先停下脚步，认真理清这个领域的产品的原理、测试要求，对被工程采用产品实施公开预检测并由权威机构发放准入证。
一些技术看似非常先进，但在国际上被否认或存在很大争议，在并无进一步研究发展的前提下这些所谓的“先进技术”在我国被广泛推广应用，这一做法是值得商榷的。如：
（1）半主动控制的产品，如磁流变阻尼器、磁涡流TMD、半主动或主动AMD。
（2）利用BRB小震屈服，被用于抗风、常遇地震耗能减振。
（3）没有防止塌落的设备和措施的柱间、柱顶隔振系统。
（4）在我国已经大量应用的带金属耗能装置和速度锁定器的桥梁支座。
（5）内置阀门的流体阻尼器。
（6）不能精确计算、局限性很大的阻尼锅，用于控制桥梁涡激风振的TMD。
（7）不能严格证明的TMD抗震系统。
上述这些做法在技术上尚有争议，且出现的一些问题已经被国际工程界多次证明，为了提醒使用者慎重考虑、研究后再在工程中应用这些产品，本书也简单介绍了部分我们和国际上的一些不同意见，以及以往的研究和争议，希望大家引以为戒，并能广泛地进行讨论。
在1999年土耳其地震中，附加金属耗能的弹塑性支座出现了严重破坏。这是现代结构保护系统问世以来所遭受到的最为严重的一次地震破坏，这种装置的问题根本在于其没有足够安全储备用于抵御强烈地震所产生的巨大位移。全世界工程界都吸取了这一教训：这种通过金属屈服耗散地震能量的桥梁支座系统，如果不加改进是不适宜用于桥梁隔振的。目前，在我国一些新建高速铁路专线桥梁中也大量采用了这一支座产品，那么它们会带来什么样的地震表现呢？
让我们再来看一下在欧洲发生的另一起结构保护系统事故。2009年，意大利拉奎拉63级地震造成308人死亡，4 600套住房倒塌、破坏，17 000人无家可归的悲惨景象。在震后重建过程中查明，完成了7 300个摩擦摆的Alga、FIP支座和阻尼器生产厂生产的基础隔振装置存在严重的质量问题。
我国已经完成了很多“世界”的减隔振工程，这些工程能否由国家权威部门组织进行几次公开的鉴定测试，一方面，公开严格地审查是对成功项目的肯定和推广；另一方面，对测试中以小代大、使用劣质材料、整体装置的转移分包，取代进口名牌产品等恶劣作假行为的追查和处理；同时也是对失败或有问题的项目追踪责任，才能真正地贯彻终身负责制。带领我国高铁、核能等工业走向世界，投标并承接墨西哥、土耳其、罗马尼亚等世界著名地震区的高铁工程。在这种环境下，我们高铁工程的结构保护系统的科技水平是十分重要和值得我们注意的。回忆一下2011年，世界银行对我国一冶承接孟加拉摩哈卡利立交桥项目招投标工程的“欺诈行为”的处罚。一冶提出从美国Techstar采购STU减振装置（结构保护装置）的做法并没有得到世界银行的谅解，他们被“禁止其未来三年内参加世界合同竞标”。在我们投标世界高铁工程中，不该引起警惕吗？
二、观点和建议
在2006年12月7日《人民日报》4版登载笔者的一篇题为《五大乱象困扰建筑抗震工程》的文章，指出目前在结构保护系统领域存在设计施工错误百出，产品测试缺少章法，获奖成果名不副实，伪劣产品通行无阻，科研人员为利所诱等五个方面的问题。此外，设计原则是一个更为普遍、更为危险的问题，在一个没有严格管理和约束体系之下，结构保护系统加在传统的设计结构上，盲目降低设计标准，这能使结构更安全吗？
为了促进行业的发展，防微杜渐，在此建议：
（1）建议国家成立独立的“结构控制”专项小组，专业审查结构保护系统上的主要规范、规程；审查重大工程项目和重大决策。
（2）由国家或专业协会组织召开公益性、学术性专业研究讨论会，广泛征集不同意见的讨论。
（3）解决测试设备和测试人员培训问题，建立严格测试资质审批制度。
（4）建立产品信息公开、统一第三方型检（预检测）制度，从而建立经审批者市场入门制。
（5）严肃处理重大工程事故，公开重大项目的结果调查及评估；对最近已宣布破产的国内外公司，都应该认真总结经验。
（6）对关于结构保护系统的相关和论文进行公开审批，进行讨论盘点。
（7）对已安装减隔振装置的重要工程进行重新评估审查，可在全国范围内对有重大影响的项目进行工程现场取样抽检。
本书的主要内容和重点包括：对结构保护系统已取得的成绩、所遇到的问题和经验进行盘点，对理论进一步澄清、对不合格的伪劣山寨产品予以揭露，对结构保护系统的发展提出下一步的工作意见。书中所涉及的一些问题，仍在讨论之中，也有一些是既成事实，但也愿意提出供读者、特别是年轻人参考讨论。
书中引入并翻译了纽约州立大学Constantinou教授的一些研究课题和报告，如第6章桥梁弹塑性隔振支座的研究（Study of elastoplastic bridge seismic isolation system），第8章阻尼器系统结构中的附属结构反应（Response of Nonstructural Components in Structures with Damping Systems），其他章节如缸筒流体阻尼器的适用范围、国外减隔振桥梁和阻尼器的失效分析也主要是根据Constantinou教授的相关文章综合写成的。在征得了他的同意后，我们对文章进行了整理和翻译，在一些发表的文章中引述了其中一些重要内容，书中的一些观点和看法也都多次和Constantinou教授进行过讨论。对于他的帮助，在此我们表示衷心感谢！
本书的部分翻译和文字整理工作由同事彭程、薛恒丽完成，在公司实习的秦志远同学、陈静同学、陈漪铭同学协助完成了一些翻译、英文校核和其他工作，在此一并表示感谢。
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