消能減震技術(shù)在工程中的應(yīng)用

宋文輝

摘要：結(jié)構(gòu)消能減震的實質(zhì)是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器，地震時輸入結(jié)構(gòu)的能量率先為消能器吸收，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，有效衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。由于地震的不可預(yù)測性，結(jié)構(gòu)在地震中的損壞程度難以控制，特別是出現(xiàn)超過設(shè)防烈度的強震時，結(jié)構(gòu)就更難以確保安全。故而提高建筑的抗震性能，保障國民生命安全及減輕災(zāi)后修復(fù)重建費用迫在眉睫。

關(guān)鍵詞：廊坊大廠地區(qū)；消能減震原理；消能器；

消能減震概念

結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)主要指的是在結(jié)構(gòu)的某些部位，如層間空隙、節(jié)點連接部分或者連接縫等一些位置安裝消能減震裝置，或者是將結(jié)構(gòu)的支撐、連接件或非承重剪力墻等一些次要構(gòu)件設(shè)置為能夠消能的構(gòu)件。在地震來臨時，這些裝置或者構(gòu)件可以通過摩擦、塑性變形、粘滯液體流動等一些變化，為結(jié)構(gòu)提供較大的阻尼，消耗地震動輸入的能量，消減主體結(jié)構(gòu)的地震動反應(yīng)，從而起到保護主體結(jié)構(gòu)安全的作用。

與傳統(tǒng)增大截面抵抗地震作用不同，消能減震技術(shù)主要是通過消能減震構(gòu)件吸收、消耗地震能量降低主體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，是建筑物抗震的另一個有力手段。消能減震技術(shù)中，安裝消能器增加結(jié)構(gòu)阻尼的被動消能減震方法，由于其傳受力明確、安裝維護方便、制作成本低、適用范圍廣等特點，受到業(yè)內(nèi)人士的青睞。

消能減震原理

結(jié)構(gòu)消能減震的實質(zhì)是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器，地震時輸入結(jié)構(gòu)的能量率先為消能器吸收，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，有效衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。消能器在地震中起到結(jié)構(gòu)附加阻尼和附加剛度的作用。相比常規(guī)設(shè)計提高結(jié)構(gòu)的抗震性能只能通過增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸或者鋼筋的方法，更加經(jīng)濟合理高效，這也是消能減震結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟性優(yōu)勢的主要原因。

結(jié)構(gòu)在地震中任意時刻的能量方程為：

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)：E_in=E_v+E_c+E_k+E_h

消能減震結(jié)構(gòu)：E_in^=E_in^+E_c^+E_k^+E_h^ 〖+E〗_d

在消能減震結(jié)構(gòu)體系，布置在結(jié)構(gòu)中的消能器能在主體結(jié)構(gòu)進入彈塑性變形前率先發(fā)揮耗能的作用，大大減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而有效保護主體結(jié)構(gòu)。

消能減震優(yōu)越性

消能減震結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比，具有如下優(yōu)越性：

1）安全性

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系實質(zhì)上是將主體結(jié)構(gòu)（梁、柱、墻）作為消能構(gòu)件。按照傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法，容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中出現(xiàn)不同程度的損壞。由于地震的不可預(yù)測性，結(jié)構(gòu)在地震中的損壞程度難以控制，特別是出現(xiàn)超過設(shè)防烈度的強震時，結(jié)構(gòu)就更難以確保安全。

消能結(jié)構(gòu)由于設(shè)有消能構(gòu)件，他們具有較大的耗能能力，在強震中率先耗能，消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，保護主體結(jié)構(gòu)免遭損壞，從而確保結(jié)構(gòu)在強震中的安全性。

國內(nèi)外耗能減震結(jié)構(gòu)的振動臺試驗表明，消能減震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，地震反應(yīng)減少40～60%。

2）經(jīng)濟性

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系采用“硬抗”地震的方法，通過加強結(jié)構(gòu)、加大構(gòu)件斷面，加大配筋等途徑提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，使結(jié)構(gòu)的造價明顯提高。

消能減震結(jié)構(gòu)體系是通過“柔性耗能”來減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，可以減小構(gòu)件截面、減少構(gòu)件配筋，而其抗震性能反而提高了。

消能器類型

消能器又稱阻尼器，根據(jù)其自身性能可分為兩類：速度相關(guān)型和位移相關(guān)型。

速度相關(guān)型分為：液體黏滯消能器與黏彈性黏滯消能器；

位移相關(guān)型分為：摩擦型消能器與金屬變形消能器

設(shè)計單位可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式或減震需求等條件選擇一種或幾種消能器進行消能減震設(shè)計，找到主體結(jié)構(gòu)與消能器之間的最佳平衡點，滿足規(guī)范要求。

在框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)的框架部分目前應(yīng)用較多的消能器有黏滯阻尼消能器、金屬變形消能器（屈曲約束支撐）。剪力墻結(jié)構(gòu)、框架的剪力墻部分為金屬變形消能器類型的連梁型和抗剪金屬型消能器。

目前消能器種類繁多，隨著時間及技術(shù)的發(fā)展，越來越多消能器涌現(xiàn)出來。目前應(yīng)用的消能器有很多是最新的科研成果，設(shè)計人員不能默守陳規(guī)，用于開拓思路把最新最好的技術(shù)應(yīng)用到消能減震的設(shè)計中

附加阻尼比計算

消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計難點為附加阻尼比的計算，結(jié)構(gòu)增加消能器后為非比例阻尼，此時結(jié)構(gòu)為混合結(jié)構(gòu)。按照振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)過程中，如何快速有效的確定消能器附加阻尼成為設(shè)計的關(guān)鍵。

目前比較常用的有三種計算附加阻尼比的方法：1.規(guī)范方法（又稱能量法）；2.減震系數(shù)法；3.自由振動衰減法

設(shè)計單位根據(jù)不同需求以及掌握通用有限元軟件的程度選擇合適的方法計算附加阻尼比。

消能減震結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

我國在80年代就引進消能減震技術(shù)，除了在個別超限高層外幾乎很少應(yīng)用消能減震設(shè)計，在這一領(lǐng)域一直落后于發(fā)達國家。

2012年7月，云南省要求學(xué)校、醫(yī)院強制采用減隔震技術(shù)。

2013年12月《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》正式頒布。

2014年2月21日住建部發(fā)布25號文，推行《關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見（暫行）》其中要求：對8度及以上醫(yī)院、學(xué)校，重點設(shè)防類、特殊設(shè)防類建筑，安全性要求較高的建筑推薦采用消能減隔震技術(shù)。此后各省市均出臺相關(guān)細則，全面推行減隔震技術(shù)。

2016年6月24日在唐山舉辦了《河北省工程勘察設(shè)計咨詢協(xié)會應(yīng)用減震隔震技術(shù)會議》宣布成立河北省減隔震技術(shù)委員會，部署行業(yè)內(nèi)推廣減隔震技術(shù)。

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，綜合國力的提高，勢必學(xué)習(xí)西方發(fā)達國家的建筑領(lǐng)域經(jīng)驗，目前我國相比發(fā)達國家的建筑抗震性能還是有較大差距，提高建筑的抗震、抗風(fēng)性能，保障國民生命安全及減輕災(zāi)后修復(fù)重建費用迫在眉睫。為此，中國地震局及中國建設(shè)部分別于2016年6月1日發(fā)布執(zhí)行第五代《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015以及2016年8月1日發(fā)布執(zhí)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010，2016年局部修訂版。

以廊坊大廠地區(qū)為例，第五代區(qū)劃圖對該地區(qū)的地震動參數(shù)進行了顯著的提高調(diào)整，抗震設(shè)防烈度由原來的8度、設(shè)計基本地震加速度0.2g提高至8度、設(shè)計基本地震加速度0.3g；反應(yīng)譜特征周期由原來的0.45s提高至0.55s。經(jīng)過試算27層純剪力墻住宅采用傳統(tǒng)抗震已經(jīng)無法滿足規(guī)范要求及建筑使用功能，墻肢截面厚度達到了500mm，不得不采用消能減震技術(shù)。

由于第五代《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》實施前，全國范圍內(nèi)8度半、三類場地的地區(qū)很少，單純依靠常規(guī)設(shè)計基本能滿足規(guī)范要求。普通住宅采用消能減震方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計需求也很少，導(dǎo)致設(shè)計單位、建設(shè)單位及公眾對消能減震結(jié)構(gòu)知之甚少。當(dāng)?shù)谖宕吨袊卣饎訁?shù)區(qū)劃圖》實施后，地震力明顯放大，單純依靠傳統(tǒng)設(shè)計不能滿足規(guī)范要求。同時采用消能減震技術(shù)之后，常規(guī)計算方法不再適用，要求設(shè)計人員具備較強的分析能力和更加明確的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念，設(shè)計方法抽象難懂、步驟繁瑣，同時還需驗算罕遇地震下的彈塑性時程分析，需要使用復(fù)雜的國際通用有限元分析計算軟件，國內(nèi)普遍設(shè)計單位不具備此種設(shè)計分析能力，間接導(dǎo)致消能減震技術(shù)推廣困難。

被動耗能減震系統(tǒng)性能穩(wěn)定、概念清晰而且造價相對較低，在結(jié)構(gòu)上設(shè)置非結(jié)構(gòu)耗能元件可以提高其抗震抗風(fēng)性能已經(jīng)得到工程界廣泛認可。故廣大建設(shè)單位、設(shè)計單位需加強認識，積極推廣應(yīng)用消能減震技術(shù)在工程中的應(yīng)用。