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建筑消能减震技术的发展和应用

发表时间：2020/11/24 来源：《基层建设》2020年第22期作者：郑智卿王海

[导读] 摘要：近四十年来，随着消能减震技术的逐渐成熟，消能减震技术得到了广泛的关注和研究并取得了丰硕的成果。

        机械工业第四设计研究院有限公司珠海分公司广东省珠海市 519015
        摘要：近四十年来，随着消能减震技术的逐渐成熟，消能减震技术得到了广泛的关注和研究并取得了丰硕的成果。综述了结构消能减震技术与各种阻尼器的研发和应用，为结构抗震设计、工程项目应用和消能减震技术的发展提供参考。
        关键词：抗震设计；消能减震；阻尼器
        引言
        地震是一种破坏力极强的自然灾害，传统的建筑结构抗震设计是传统“硬扛”的理念，通过增加结构构件截面及配筋，从而增强结构的强度和刚度，提高结构本身的抗震性能，满足抗震设防标准，是一种被动的抗震对策。消能减震技术以柔克刚，调整了结构的动力性能，减小了地震响应，从而起到保护建筑结构及结构内部设备等的作用。自消能减震技术被引入土木工程领域以来，国内外学者对其进行了全面而深入的研究，开发了大量的消能减震装置。性能试验，结构设计理论，工程应用实际取得了丰硕的成果，已经逐步成为结构抗震设计的一股新的潮流。
        1 消能减震设计概述
        消能减震技术主要是通过消能器的设置来控制预期的结构变形，在新建结构或既有结构中设置阻尼器耗能设备，通过局部变形提供附加阻尼，延长结构的自振周期，显著增强结构在地震作用下的耗能能力，进而减弱结构响应，提高结构的抗震性能，减少地震对结构及附属设备的破坏，当遭遇高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，不会发生丧失使用功能的破坏[1]。
        消能减震技术是一种积极主动的抗震方法，抗震概念简单，减震机理明确，相比传统的抗震设计有如下优点：①安全性高，消能减震技术在大震工况下，耗能能力强，迅速衰减结构的地震反应。②经济性好，消能减震技术以柔克刚，可以减少解结构截面及配筋，减少剪力墙的设置，可以节约造价10%~20%。③适用范围广，传统抗震结构主要适用于新设计的建筑或者构筑物而消能减震结构不仅适用于新建结构，也适用于既有建筑的抗震性能改造加固；不仅适用于一般结构，也适用于重要结构的抗震设计。
        减震设计理念在抗震设计过程中尤为重要。在抗震结构设计要综合多方面因素全面考量，相关设计人员要全面掌握基于减震结构原理与建筑材料性能，在此基础上利用相关方面的理论知识对建筑结构进行综合设计，以此确保减震性能良好。在建筑减震设计中，需要遵循以下原则：①规整性原则：在结构设计初步阶段，设计人员需先计算建筑物的力学性能，结构抗侧力体系，建筑结构受力均匀，完整性高，从而建筑物的稳定性良好。另外，在建筑物构件的设计中，强度变化要均匀。在此基础上，建筑物所在地区的震级是减震性能设计中要遵循的大原则，所以，建筑结构的减震设计要整体考量，保持建筑物外观规整，确保建筑物在地震等次生灾害面前有较强的减震性能。②刚度原则：地震来临时，建筑物受到各个方向上面的力的作用，合理的刚度可以确保证建筑结构满足抗震要求。如果建筑物刚度不符合要求，抗震性能不足以抵挡地震外力作用，建筑会受到严重的损坏。但如果刚度特别高，韧性不够，会造成建筑在受到不均匀外力发生断裂。这样，建筑物结构会面临更大的失稳风险，因而结构设计师在设计工作中要综合考量，真正做到建筑构件刚柔结合。使得建筑物在地震力的作用下减少脆性破坏从而瞬间坍塌。
        2 消能装置的研究
        消能减震结构是通过消能器的耗能达到保护主体结构的目的。消能减震装置应具有构造简单，耗能机理明确，安全储备高，耐久性好，耗能效率高等特点[2]。目前建筑结构中广泛应用的消能构件类型主要有三种，分别是速度相关型、位移相关型和其他类型。位移相关型主要有金属阻尼器，摩擦阻尼器，其耗能能力主要与位移相关，位移越大，耗能能力越强，滞回曲线为典型的双线型，能够增加结构的刚度，缩短自振周期，是能够良好控制结构位移的阻尼装置。速度型主要有粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器，阻尼与相对运动速度构成线性函数关系，耗能能力与速度大小相关，变形速度越快，阻尼力越大，无法改变结构的周期，能够增加结构的阻尼。

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        2.1金属阻尼器
        金属阻尼器是金属材料制成，金属延性好并且具有较高的疲劳强度，是通过金属材料屈服时的塑性变形来转换能量。加载频率、循环次数、环境温度对其耗能性能影响较小，具有有工作性能稳定，构造简单，耐久性好的优点。一般有软钢阻尼器，铅阻尼器，低屈服点阻尼器，形状记忆合金阻尼器等。
        2.2摩擦阻尼器
        摩擦阻尼器的原理是通过两个可以发生相对运动的构件摩擦耗能，将机械能转化为热能，具有耗能强、构造简单、取材容易、性价比高等优点。主要有板式摩擦阻尼器，筒式摩擦阻尼器，复合型摩擦阻尼器等。近年来，也研发出各种新型摩擦阻尼器，如新型弧面摩擦阻尼器，新型自位修复变摩擦阻尼器等。
        2.3粘弹性阻尼器
        粘弹性阻尼器的力与位移滞回曲线近似椭圆，利用阻尼材料特殊的滞回消能特性，增加结构的阻尼，从而降低结构在外力施加振动作用下的效应。粘弹性阻尼器具有灵敏度高、耗能能力强、构造简单、性能稳定、性价比高的特点。将其作为阻尼器来耗能的方法主要有是将粘弹性材料夹在两个构件之间，粘弹性材料产生剪切性变形，能量转化为位能和热能。传统粘弹性阻尼器装置采用高阻尼弹性垫，其滞回荷载－变形特性受控于弹性材料循环剪切变形。因此有学者提出一种新型高阻尼粘弹性阻尼器[3]，疲劳性能得到明显提升，具有滞回曲线饱满，极限应变能力强的特点。
        2.4复合型阻尼器研究
        将不同类型的阻尼元件根据实际工程需要进行合理的组合，构成了复合型阻尼器，这类阻尼器比单一机制阻尼器具有更大耗能能力和适用范围。特点是由多个分支阻尼器协同耗能，并且在同一个阻尼器中，采用多种不同机制进行耗能。同时，具备多层次消能减震方案并配备实时监测系统以及具备很强的自适应能力。美国较早采用基础隔震和粘滞阻尼器联合设计的方式来提高建筑的抗震能力。随后，研究者又分别研制出金属圆环－摩擦复合耗能器、铅粘弹性复合耗能器、钢管铅芯耗能器、超塑性合金筒耗能器和铅粘弹性阻尼筒耗能器等多种复合型阻尼器。将各种智能材料与传统的阻尼器进行组合就得到了具有一定自动化特性的阻尼器。
        3 抗震结构材料的选择要求
        建筑结构减震设计在材料上的选择需要综合考虑选建筑成本、结构刚度、延性、强度等因素。常用建筑结构的减震设计要求为：（1）为满足抗震设计的要求，砌体结构需要按照规范规定设置保持结构稳定的圈梁与构造柱；（2）钢筋混凝土结构要对减震结构构件的截面尺寸有合理的选择，并且保证相应的配筋率，不能少筋多筋。使结构发生的剪切破坏与脆性破坏；（3）大跨度结构下选择预应力混凝土构件应严格规范要求进行计算，并按计算结果配置预应力钢筋。
        4 结语
        消能减震设计改变了传统结构抗震设计理念，为建筑抗震设计提供了一种新的解决思路。目前效能减震装置在不断地改善，减震效果在不断地提高，消能减震技术受到了越来越广泛的关注和研究，将成为结构抗震设计的重要手段，具有广阔的发现前期和应用空间。
        参考文献：
        [1]筑抗震设计规范（2016年版）GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2016
        [2]周云，商城豪，张超.消能减震技术研究与应用进展[J].建筑结结，2019，（19）：33-48.
        [3]周云，松本達治，田中和宏，林绍明，吴从晓，张亚军，阎崇兵.新型高阻尼黏弹性阻尼器性能试验研究[J].工程力学，2016，（07）：92-99.
        [4]岳焱超.屈曲约束支撑在高层建筑结构中的应用[J].工程防震减灾新技术、新进展和新应用（下），2016：7.
        [6]巫振弘，薛彦涛，王翠坤，等．多遇地震作用下消能减震结构附加阻尼比计算方法[J]．建筑结构学报，2013，34（12）：19－25．