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“结构保护系统的应用与发展”一书出版消息 精选

已有 6113 次阅读 2014-8-17 14:58 |个人分类:评论|系统分类:观点评述| 阻尼器, 结构保护系统, 隔震支座, BRB

感谢中国铁路出版社为我们出版这本“

结构保护系统的应用与发展”一书。这是我们推广结构保护系统十年来看到成就和问题的一个总结。欢迎大家提出看法和意见。特别是在正式出版前。画家吴冠中老先生曾说:“我说的是真话。我这个年纪了,趁我还能说,我要多说真话。”这本书也许是我的最后真话了。  

                   

                                                           

 

始于八十年代末在美国创建起的结构保护系统,在世界工程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震装置,如粘滞阻尼器(FVD)、屈曲约束耗能支撑(BRB)以及基础隔震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的安全防范意识日益增长,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、资金投入下,我国已经成为世界结构保护上最有发展的国家,完成了几百个建筑、桥梁的减隔震设计和施工,每年至少有价值几亿的产品被用于桥梁和建筑中,我国已经成为世界完成结构控制工程最多的国家之一。

Ø发展中遇到的问题

然而,结构保护系统毕竟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,一些领导也曾给出了错误的指导和发展方向,在很多问题上仍然在重复美国、日本已经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:

一是减隔震产品的测试,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,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震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震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,但很少有几个能拿出有一定权威性、具有相关认证资质(如CMA)的测试报告。本书第12章介绍并全文翻译了美国土木工程协会(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办法仍是值得学习。此外书中介绍了几项减隔震产品的特殊鉴定,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1.52.0倍的安全系数的测试,这些测试和鉴定都非常有实践意义。

其次是关于设计理念,结构保护设计和使用的结果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,对于减隔震结构实施降度设计的理念,真能使结构更安全吗?我国的隔震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,这一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;我国盲目上马的十几个粘滞阻尼器厂家,绝大多数对产品原理和技术的认知有限,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0.20.2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0.20.2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,如果能确保产品的质量,能和结构同寿命地工作几十年,也完全是可行的、应该被欢迎的。而在理论和产品都没有十分把握的情况下,我们应先停下脚步,认真清理一下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有很大争议,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,这一做法是值得谨慎的。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)     变阻尼器系数粘滞阻尼器(如广州电视塔)等;

3)     利用BRB小震屈服,被用于抗风、常遇地震耗能减振;

4)     没有防止塌落的设备和措施的柱间、柱顶隔震系统;

5)     在我国已经大量应用的带金属装置和速度锁定器的桥梁支座;

6)     内置阀门的流体阻尼器;

7)     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

8)     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和做法,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年土耳其地震中出现严重破坏的附加金属装置和锁定器的弹塑性支座在国内的迅速普及并被采用令人惊叹。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,这种装置根本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震的。然而令人不解的是这种体系却在无人审查的情况下在我国铁路桥梁上大量应用,那么它们会给我国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6.3级地震造成308人死亡,4600套住房倒塌、破坏,17,000人无家可归的悲惨景象。在震后重建过程中被揭发并已查明,完成了7300个摩擦摆的AlgaFIP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;此外,这两家公司在招投标过程中严重骗标。包括设计、施工、厂家的六个主要负责人被告上法庭,他们是:担任公民防护部房屋设计的领导毛罗杜,CASE工程的施工主任吉安米歇尔卡尔维(两个嫌疑人,受到了重大危险委员会的指责),供应商之一米兰Alga SpA公司董事会执行主席达帕奇布鲁诺米歇尔;Alga公司总经理阿戈斯蒂诺.马里奥尼;另一家供应商FIP总裁达珂耶咯唐娜泰拉;威尼托其他公司的官员毛罗斯卡蕾莫萨等人。

201311月,该项目的设计领导毛罗杜Mauro Dolce已经被捕入狱,法庭判一年徒刑,其他几位正在法律诉讼中,其中Alga公司已经连续几年在账目负资产下经营,而这家公司最近又到中国和中国的代理企业、著名设计院成立合资企业,继续在国内进行工程投标。如果他们的国外母公司已经是负资产,他们成立的合资企业有注入资金吗?按我国大部分标书要求,国际上已经因重大事故破产或正在审理中的公司是不宜在我国工程中进行正常投标的。这么多年里,我国也有影响很大的阻尼器生产厂家破产,他们的重新生产应该满足以下条件:1)审查他们过去已经安置在桥梁和建筑上的低质产品的测试报告和使用情况,引以为戒;2)重新组建的企业的产品至少应该通过我国现有的具有CMA测试资质的第三方测试机构的测试,重新取得准入证。

上述问题反映出国内对于减隔震工程事故还重视不够,没有因此引起足够的注意、吸取教训。Alga 公司和国内公司的技术破产是续英国Colebrand公司、法国Jarrett公司、法美合资Jarret-Enidine Structures破产之后又一有世界影响的阻尼器生产厂家破产。最近,国内也有一家较早开展阻尼器研发和生产的某高校下属企业破产,这家企业不但有高校的强大技术背景,并且在国内已经完成了几十个减震项目。这些公司的破产不仅要引起使用者注意,对我国已经在生产阻尼器产品的近二十个工厂也是个警钟:生产阻尼器首先是要搞清它的技术,只有通过长期的测试检验,才能设计好合格的先进的产品。

我国已经完成了很多“世界第一”的减隔震工程,如被称作世界最高、科技含量最大的广州电视塔TMD工程、世界最大的昆明机场单体隔震工程,此外在四川最近完成的降两度设计的隔震工程。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,才能真正的贯彻终身负责制。

Ø观点和建议

2006127日《人民日报》第14版登载我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。在测试和初期使用中被国内外发现的假冒伪劣产品,我在博客中也多次提及:1)无任何制造经验的假冒伪劣产品;2)法国Jarret公司破产给我们的教训和湖北荆岳长江大桥;3)惊人的国际骗局—美国Techstar公司;在国外结构保护系统发展的初期,出现过很多后来被证明尚不成熟、不稳定、不能精确计算的产品,在进一步的发展中有的已经被否定出局,但在我国发展中,这些未经进一步研究的产品却境遇颇佳,并被视为创新产品而推广使用。此外,设计原则是一个更为普遍、更为危险的问题,在没有一个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?针对国内的设计理念和使用产品的现状,我表示怀疑!

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、专业审查结构保护上的主要规范、规程;重大工程项目和重大决策;

2)    摆脱传统利润第一的展会制,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,降低参会人的成本,广泛征集不同意见的讨论;

3)    迅速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,认识到已经犯下的错误;

6)    对关于结构保护系统的相关专利和论文进行公开审批,进行讨论盘点;

7)    对已安装减隔震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;

8)    以国家利益为重,要求所有做过减隔震结构保护系统的学校、教授、公司、工程负责人自觉检讨一下自己早期和现在的欺骗、剽窃行为、学术上已经被试验和工程证明的错误,自觉处理给学术领域和实际工程带来的问题和损坏,吸取教训。使大家认识到包庇和纵容只会害了他们,并且带来更严重的后果。

总之,虽然我很希望住建部、交通部、铁路总公司等行业主管部门能大力促进我国抗震事业、减隔震技术的大力发展和应用。但在我国目前情况下,应该承认,目前尚不具备足够的基本测试条件、对重大问题还没有共识,盲目的大力推广只能带来一个更混乱的市场,也必将给我国的减隔震行业带来很多危险的恶劣结果。

本书的主要内容和重点主要包括:对已取得的成绩、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,也有一些已经既成事实,我们的建议可能起不到作用,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—桥梁弹塑性隔震支座的研究(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),其它几节如一种定性阻尼器的适用范围、国外减隔震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,和其它工作,在此一并表示感谢。

 

 



读书荐书
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