淺談消能減震技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

沈 頔

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

0 前 言

在某些高烈度地區(qū)，一些高層建筑尤其豎向或平面不規(guī)則的建筑，在結(jié)構(gòu)中布置減震裝置，通過該裝置的變形產(chǎn)生附加阻尼力，消減作用在結(jié)構(gòu)上的振動(dòng)能量，以使結(jié)構(gòu)變形等滿足規(guī)范要求。這種增設(shè)阻尼器減震的技術(shù)稱為消能減震技術(shù)。結(jié)構(gòu)消能減震基本原理可以用能量平衡或結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析來解釋。因?yàn)橐话愕匿摻罨炷两Y(jié)構(gòu)阻尼比較小，為5%左右。因此，當(dāng)?shù)卣鸬絹頃r(shí)，結(jié)構(gòu)本身的固有特性會(huì)使地震作用效應(yīng)得到“放大”，對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。為了促使地震效應(yīng)“減小”，使建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)顯現(xiàn)不斷衰減狀態(tài)，故而加大結(jié)構(gòu)主體的阻尼。因此，理論上建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)在任何力(尤其地震、風(fēng)等)作用下得到控制，前提是結(jié)構(gòu)主體的阻尼達(dá)到一定的量值范圍[1]。

1 傳統(tǒng)抗震技術(shù)

直到今天，人類也很難提前預(yù)測地震，這種危害極大的自然災(zāi)害。每次大地震的發(fā)生，都會(huì)給人類帶來經(jīng)濟(jì)損失或者巨大傷亡事故。20世紀(jì)70年代，人們逐漸關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，提出了從概念出發(fā)的抗震設(shè)計(jì)理念。在嚴(yán)重災(zāi)害面前，人們開始意識(shí)到抗震設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)一樣必要。利用結(jié)構(gòu)自身的抗側(cè)剛度來抵抗地震作用產(chǎn)生的變形，是傳統(tǒng)抗震手段。但是地震在開始的時(shí)間、發(fā)生的地點(diǎn)和作用強(qiáng)度等方面具有很大的隨機(jī)性，建筑的地震反應(yīng)與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)所在的場地以及地震波的頻譜特性等均有聯(lián)系，這直接導(dǎo)致為了安全，不斷加大柱子、剪力墻等截面和鋼筋用量，造成一定的材料浪費(fèi)。雖然人們對地震進(jìn)行長時(shí)間大量的研究，但迄今為止仍不能精確地預(yù)報(bào)地震的發(fā)生，對地震仍然缺乏足夠的認(rèn)識(shí)[2]。按照一般的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，對地震能量和特性以及使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)的估計(jì)是不精確的。

2 消能減震技術(shù)

2.1 消能減震技術(shù)的基本原理

消能減震技術(shù)是指把結(jié)構(gòu)主體的某些部位設(shè)置阻尼器，通過阻尼器發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的相對變形或相對加速度提供附加阻尼，來耗散部分輸入建筑的地震能量，達(dá)到減震抗震的目的。消能桿件是由結(jié)構(gòu)中的支撐、剪力墻、連接件等構(gòu)件設(shè)計(jì)成的，消能裝置是在結(jié)構(gòu)的某些部位(層間、空間、節(jié)點(diǎn)、連接縫等)直接安裝[3]。在小風(fēng)作用下或遭遇多遇地震(小震)時(shí)，消能桿件(或消能裝置)和原建筑結(jié)構(gòu)共同作用，其結(jié)構(gòu)本身仍處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)變形、位移等滿足規(guī)范規(guī)定的正常使用狀態(tài)要求；在強(qiáng)風(fēng)作用下或遭遇大震(設(shè)防地震、罕遇地震)時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移增大，使得消能桿件或消能減震裝置產(chǎn)生較大的阻尼，耗散較多地震和風(fēng)振產(chǎn)生的能量，使結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用快速衰減，從而避免建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到彈塑狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)某些部位發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變形或破壞[4]。

2.2 消能減震技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

1970年，線性粘滯阻尼系統(tǒng)由美國泰勒公司研制成功，并申請專利。20世紀(jì)80年代末，許多國家逐漸研究將流體阻尼器應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)上，其中美國和日本在該領(lǐng)域的研究起步最早，1992年美國紐約州立大學(xué)的Baffalo教授進(jìn)行了設(shè)置有粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)抗震性能的分析研究。1995年，為了降低甲板的搖擺作用美國西雅圖西橋安裝了6個(gè)流體阻尼器。據(jù)日本統(tǒng)計(jì)，整個(gè)日本采用減震技術(shù)的房屋結(jié)構(gòu)和建筑工程已超過百余個(gè)。HajimeYOKOUCHI采用消能阻尼器對一個(gè)已建成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行后期加固，又進(jìn)行了足尺實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)和研究證實(shí)了消能減震技術(shù)的先進(jìn)性和優(yōu)越性。希臘和平友誼體育館，是一個(gè)抗震減震性能優(yōu)異的典型工程，共安裝了128個(gè)由美國泰勒公司研制的Taylor流體阻尼器，其安裝在柱子頂端，大大減小了地震作用產(chǎn)生的柱子與屋頂?shù)南鄬ξ灰埔约爸邮芰Α?007年，秘魯發(fā)生里氏8.0級大地震，秘魯首都的利馬機(jī)場基本無損壞，就得益于設(shè)置的42個(gè)粘滯阻尼器。赫赫有名的美國西雅圖棒球場，其屋頂設(shè)計(jì)為開啟式，在屋頂開啟關(guān)閉的過程中為了減小對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的碰撞和振動(dòng)，設(shè)置了4個(gè)7 m長的阻尼器，其中阻尼器受力性能為500 t，行程為375 mm，在門架運(yùn)動(dòng)的碰撞點(diǎn)上均安裝了美國泰勒公司研制的Taylor流體阻尼器，通過降低荷載效應(yīng)，節(jié)約大量材料，共節(jié)省造價(jià)400多萬美元，成為世界上采用消能減震的典型工程。

國內(nèi)對阻尼器的研究起步較晚，系統(tǒng)的研究正在逐漸展開。20世紀(jì)90年代初，同濟(jì)大學(xué)等大學(xué)及科研院所的學(xué)者們開始對粘滯流體阻尼器進(jìn)行探索。其中東南大學(xué)率先系統(tǒng)全面地研究粘滯阻尼器，于1999年初步完成了兩類經(jīng)典的阻尼器，即單出桿粘滯阻尼器和雙出桿粘滯阻尼器，后來又研制出多種型號(hào)的粘滯流體阻尼器，并通過對比試驗(yàn)研究和進(jìn)一步改進(jìn)，獲得國家專利。1999年，歐進(jìn)萍教授從理論和實(shí)驗(yàn)出發(fā)對油缸間隙式阻尼器進(jìn)行系統(tǒng)研究。在同一時(shí)期，國外產(chǎn)品引進(jìn)中國，1999年，法國產(chǎn)粘滯阻尼器進(jìn)入中國，中國建科院利用該阻尼器對北京飯店進(jìn)行了加固，這是我國首例采用粘滯阻尼器的實(shí)例工程。2004年北京銀泰中心裝設(shè)了73個(gè)粘滯阻尼器，以減少風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)加速度。2005年，南京市奧體中心觀光塔布設(shè)了30個(gè)粘滯阻尼，以控制風(fēng)振響應(yīng)。此外，還有蘇通大橋和宿遷建設(shè)大廈等為提高主體抗風(fēng)或者抗震性能都采用了多種類型的粘滯阻尼器[5]。

綜合國內(nèi)外對粘滯阻尼器的研究及進(jìn)展，阻尼器發(fā)展趨勢分為以下幾個(gè)方面：一方面是將粘滯阻尼器裝設(shè)在結(jié)構(gòu)模型上，然后對模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，得出分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論；另一方面是對安裝有阻尼器的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)值模擬并進(jìn)行理論分析和計(jì)算，得出研究成果[6]。針對我國實(shí)際情況，我國對研究消能減震阻尼器的應(yīng)用與發(fā)展，可依靠現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析軟件并根據(jù)我國的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)規(guī)程，設(shè)計(jì)和分析減震結(jié)構(gòu)，并不斷優(yōu)化方法和分析過程，最終應(yīng)用到實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工中。2016年，我國頒布的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》(GB50011-2010)增加了隔震和消能減震的內(nèi)容，提出了設(shè)計(jì)方法[7]，對消能減震技術(shù)的運(yùn)用，有了一些具體實(shí)施方法。美國FEMA356規(guī)范對粘滯阻尼器的設(shè)計(jì)方法也做出了具體規(guī)定。隨著多個(gè)國家對消能減震結(jié)構(gòu)的廣泛研究與應(yīng)用，人們對其設(shè)計(jì)方法的探索和對設(shè)計(jì)原則的研究也會(huì)成為土木工程領(lǐng)域的重要課題之一。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)消能減震器的種類和裝置

建筑結(jié)構(gòu)消能減震器有粘滯消能器、粘彈性消能器、金屬屈服型消能器和摩擦型消能器等四種; 消能減震裝置有鉛阻尼器、粘滯阻尼器、磁流變阻尼器。本文簡要介紹前三種。

2.3.1 粘滯阻尼器

最早研制的粘滯阻尼器是運(yùn)用到軍事領(lǐng)域的，直到從20世紀(jì)90年代才開始引入到土木工程領(lǐng)域。研究表明，激振頻率、應(yīng)變幅值以及環(huán)境溫度是影響粘滯阻尼器力學(xué)性能的主要因素，各個(gè)因素還能隨著循環(huán)次數(shù)的增加和激振頻率的提高，使該類阻尼器的消能能力逐漸達(dá)到一個(gè)平衡值，而不是立刻衰減。阻尼器應(yīng)變幅值的比較大時(shí)，對其消能能力有一定影響，循環(huán)次數(shù)加大時(shí)，消能能力明顯退化，而應(yīng)力幅值較小時(shí)，對阻尼器的消能能力影響不大。材料的老化和疲勞，在一定范圍內(nèi)，對阻尼器的性能影響不大[8]。

目前，粘滯阻尼器的計(jì)算模型主要有武田壽一模型、Maxwell模型、Taylor模型、東南大學(xué)模型，限于篇幅有限，本文不再逐個(gè)詳細(xì)介紹。上述模型公式的表達(dá)形式各有不同，對于力和速度的關(guān)系，給出了不同的取值范圍。但所有公式擁有共同的特點(diǎn)，即都反應(yīng)了阻尼力受到了活塞的相對運(yùn)動(dòng)速度的顯著影響。由于研制粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和分析方法不同，研究者們所得出的公式有很大不同。所以在運(yùn)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要辨別清楚適用范圍，不能隨便照搬。

2.3.2 粘彈性阻尼器

粘彈性阻尼器是被動(dòng)消能減振裝置，屬于速度相關(guān)型，原理是通過利用阻尼材料特殊的滯回消能特性，增加結(jié)構(gòu)的阻尼，從而降低結(jié)構(gòu)在外力施加振動(dòng)作用下的效應(yīng)[9]。該結(jié)構(gòu)一旦受外界影響發(fā)生振動(dòng)，粘彈性消能阻尼器立即開始工作、耗能，因此該阻尼器具有較強(qiáng)的耗散能量的能力，使得粘彈性阻尼器的力-位移滯回曲線接近橢圓[10]。

頻率、溫度和應(yīng)變幅值是影響粘彈性材料性能的主要原因，故粘彈性阻尼器性能影響的主要因素也是頻率、溫度和應(yīng)變幅值，其中頻率和溫度的影響最為顯著。一般的，粘彈性材料儲(chǔ)能剪切模量隨溫度的升高而降低，隨頻率升高而升高。對于用特定材料制成的粘彈性阻尼器，其耗能性能受到溫度和頻率的影響，而且對于該阻尼器存在一最優(yōu)使用溫度和最優(yōu)使用頻率。

2.3.3 金屬阻尼器

金屬阻尼器是一種與位移有關(guān)的被動(dòng)耗能減震裝置，它具有構(gòu)造簡單、造價(jià)低、易更換、性能優(yōu)越等特點(diǎn)。金屬阻尼器可以作為結(jié)構(gòu)耗能單元或者限位裝置用來配合隔震系統(tǒng)，也可以獨(dú)自作為耗能減震裝置應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中，為結(jié)構(gòu)主體提供額外阻尼和剛度，靈活簡易的使用方式使其應(yīng)用前景光明。由于金屬材料自身塑性狀態(tài)具有良好滯回特性，而且在彈塑性階段變形過程中能夠吸收大量的地震能量，因此，人們利用其性能優(yōu)勢，研制出各種類型的耗能減震器[11]。

3 結(jié) 語

大量研究和文獻(xiàn)表明，之所以粘滯阻尼結(jié)構(gòu)、粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)和金屬耗能結(jié)構(gòu)能夠廣泛應(yīng)用到土木工程的各個(gè)方面，包括新建建筑的震動(dòng)控制和既有結(jié)構(gòu)的加固，就是因?yàn)檠b設(shè)了消能減震裝置的結(jié)構(gòu)能夠增加結(jié)構(gòu)的阻尼，顯著減少外力作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反映，使其耗能能力增強(qiáng)，地震反應(yīng)如層間剪力、層間位移、頂點(diǎn)位移和頂點(diǎn)加速度等得到明顯降低。

目前，美國、日本等國家及我國臺(tái)灣等地區(qū)對消能減震器的研究與應(yīng)用比較多，并且取得了有效成果。我國地域廣闊，是一個(gè)多地震國家，限于目前仍然無法對地震進(jìn)行預(yù)測，因此，為降低或盡可能避免地震災(zāi)害，我國應(yīng)從結(jié)構(gòu)本身入手，加強(qiáng)抗震減震方面的研究和實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)用新型消能減震阻尼器的研制及應(yīng)用研究[12]。

[ID:009095]