消能減震技術(shù)分析與研究

高娜娜 張永齊

摘要：消能部件，在強地震中能率先消耗結(jié)構(gòu)的地震能量，迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，保護主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件免遭損壞，確保結(jié)構(gòu)在強地震中的安全。

關(guān)鍵詞：消能減震、屈曲支撐、阻尼器

一、消能減震研發(fā)背景

1976年7月28日，唐山發(fā)生了里氏7.8級的強烈地震，這次地震的一個重要特點就是位于震中區(qū)的建筑物普遍倒塌。震前唐山市的基本烈度定為6度，各類多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)大多未按抗震要求設(shè)防。在9、10度區(qū)，框架遭受中等或嚴重破壞甚至倒塌，主要震害是：梁柱節(jié)點或柱端混凝土嚴重壓碎，鋼筋嚴重壓曲，節(jié)點破壞后柱端水平斷裂、錯位，主體承重結(jié)構(gòu)破壞尤其是承受重力的豎向構(gòu)件（柱）的破壞，從而造成整個框架結(jié)構(gòu)的倒塌?，F(xiàn)場很少有倒塌瓦礫離原結(jié)構(gòu)位置較遠的情況，說明水平地震運動的往復(fù)作用破壞了結(jié)構(gòu)，使之成為局部或整體可動機構(gòu)，而最后倒塌則主要是結(jié)構(gòu)喪失了承受豎向載荷的能力所致。

二、消能減震技術(shù)的發(fā)展

地震破壞力巨大，給人們的生命財產(chǎn)帶來不可估量的損失。為促進防震抗震研究，提高建筑工程抗震設(shè)防能力，國家和地方先后發(fā)布了相關(guān)法律法規(guī)、產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)標準等，以規(guī)范和鼓勵建筑減隔震技術(shù)的發(fā)展。

2008年汶川地震后，整個社會對建筑抗震安全高度關(guān)注，各級地震主管部門不同程度地對新建學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院等建筑提出了更高的抗震設(shè)防要求。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2014年2月份提出了《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(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）》（建質(zhì)[2014]25號），其中具體要求包括“位于抗震設(shè)防烈度8度（含8度）以上地震高烈度區(qū)、地震重點監(jiān)視防御區(qū)或地震災(zāi)后重建階段的新建3層（含3層）以上學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院等人員密集公共建筑，應(yīng)優(yōu)先采用減隔震技術(shù)進行設(shè)計”。

2019年國家發(fā)改委發(fā)布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》及司法部發(fā)布《建設(shè)工程抗震管理條例（征求意見稿）》，提出“位于高烈度設(shè)防地區(qū)的新建學(xué)校、醫(yī)院、應(yīng)急指揮中心等應(yīng)當采用減震隔震技術(shù)。鼓勵地震災(zāi)后重建或位于地震重點監(jiān)視防御區(qū)的學(xué)校、醫(yī)院、應(yīng)急指揮中心和其他人員密集公共建筑等采用減震隔震技術(shù)”。

山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳于2015年5月發(fā)布“關(guān)于積極推進建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知”（魯建設(shè)函[2015]12號），通知中提出：

（1）以下工程設(shè)計應(yīng)采用減隔震技術(shù)：

1）抗震設(shè)防烈度8度區(qū)和7度（0.15g）區(qū)的特殊設(shè)防類（甲類）工程;

2）抗震設(shè)防烈度8度區(qū)的新建3層以上（含3層）中小學(xué)、幼兒園的教學(xué)用房、學(xué)生宿舍、學(xué)生食堂等人員密集的公共建筑;

3）抗震設(shè)防烈度8度區(qū)的新建醫(yī)療建筑中三級醫(yī)院的門診、醫(yī)技、住院用房。

（2）以下工程設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先采用減隔震技術(shù)：

1）抗震設(shè)防烈度8度區(qū)的二級醫(yī)院的門診、醫(yī)技、住院用房，縣級及以上的獨立采供血機構(gòu)的建筑，和抗震設(shè)防烈度7度（0.15g）區(qū)的三級醫(yī)院的門診、醫(yī)技、住院用房;

2）7度0.15g、Ⅲ類或Ⅳ類場地土以及8度的重點設(shè)防類（乙類）工程。

三、消能減震技術(shù)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的區(qū)別

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，通過增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度、剛度和延性來提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，抵御地震作用。簡單來說就是地震力越大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件就需要越強，即“以剛制剛”的“硬抗”，而地震力在建筑結(jié)構(gòu)中的作用，卻恰恰也是“吃硬不吃軟”，構(gòu)件截面越大，其所吸收的地震力越大，因此設(shè)計時只能不斷加大配筋、增大截面，但這種設(shè)計對建筑功能的使用有很大影響，使建筑功能得不到發(fā)揮。

相對于傳統(tǒng)設(shè)計思路，建筑結(jié)構(gòu)體系采用消能減震技術(shù)后，面對地震就像是打太極一般能夠“以柔克剛”進行“消能”。消能減震技術(shù)的作用原理是在結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生相對的部位（如支撐、剪力墻、連接縫或連接構(gòu)件）設(shè)置耗能（阻尼）裝置（或元件）。在主體進入非彈性狀態(tài)前裝置（或元件）率先進入耗能工作狀態(tài)，通過該裝置產(chǎn)生摩擦、彎曲（或剪切、扭轉(zhuǎn)）彈塑性（或粘彈性）滯回變形來耗散能量或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)的能量，以減少結(jié)構(gòu)的自振頻率，從而減少主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，即減小結(jié)構(gòu)的損壞或保證結(jié)構(gòu)正常使用。

四、消能減震裝置特點與分類

（一） 結(jié)構(gòu)消能減震裝置的特點

1）可同時減少結(jié)構(gòu)的水平和豎向地震作用，結(jié)構(gòu)類型和高度均不受限制，適用范圍廣;

2）可使結(jié)構(gòu)具有足夠的附加阻尼，以滿足罕遇地震下預(yù)期的結(jié)構(gòu)位移要求;

3）不改變結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)設(shè)計仍按規(guī)范對相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型的要求執(zhí)行即可。

（二） 消能減震裝置類型

1）位移型阻尼器的特點是既有一定的剛度可用于對結(jié)構(gòu)體系的調(diào)節(jié)，又具有一定的耗能能力，為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比，起到消耗地震能量保障主體結(jié)構(gòu)安全的作用。

位移型阻尼器中應(yīng)用最為廣泛的是屈曲約束支撐（BRB）、剪切型軟鋼阻尼器（MD）、摩擦型阻尼器（FD）、連梁型金屬阻尼器（PCD）和雙階屈服鋼連梁。

2）速度型阻尼器的特點在于其阻尼力的產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)變形的速度相關(guān)，變形的速度越快，則阻尼力越大。目前國內(nèi)常用的速度型阻尼器為黏滯阻尼器（FD）。

五、消能減震技術(shù)的應(yīng)用

1、工程概況

本工程為某地區(qū)醫(yī)技樓，地上五層，框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度 23.70m，抗震設(shè)防烈度 7 度（0.15g），設(shè)計地震分組第三組，場地類別Ⅲ類，Tg=0.65s?？拐鹪O(shè)防分類為重點設(shè)防類（乙類）。根據(jù)《山東省防震減災(zāi)條例》的要求，按照8度（0.20g）進行地震作用計算，按8度采取抗震措施，同時需采取減隔震技術(shù)。

在本項目中，底層框架柱的主要截面尺寸需要到達1050mmx1050mm。醫(yī)療建筑功能復(fù)雜，各層平面布局無規(guī)律，設(shè)備管線錯綜復(fù)雜，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的布置位置和大小限制很嚴格。在功能復(fù)雜、設(shè)備繁多的醫(yī)療建筑中，這些空間損失給業(yè)主帶來的影響，遠比土建成本的增加更為嚴重。

經(jīng)過分析計算，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角1/570，剛剛滿足規(guī)范1/550的要求。

通過引入消能減震技術(shù)，采用了BRB（屈曲約束支撐）+混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。經(jīng)過傳統(tǒng)框架與減震框架的對比分析，在框架柱尺寸減小的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)的抗震性能反而有所提升，結(jié)構(gòu)層間位移角均超出規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)剛度增加，框架柱承擔(dān)的地震剪力減?。ú糠钟蓽p震裝置承擔(dān)）。

六、結(jié)論

高烈度區(qū)的中小學(xué)、幼兒園、醫(yī)院等重點設(shè)防類的建筑，建議采用減震技術(shù)的建筑進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加結(jié)構(gòu)抗震性能，提高結(jié)構(gòu)的強度、剛度，增強延性。

減震設(shè)計是一種體系設(shè)計，需要阻尼器、連接件與主體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)設(shè)計、配合，單一的追求阻尼器的參數(shù)往往難以達到理想效果，設(shè)計院與廠家需要密切配合溝通，共同完成消能減震方案的設(shè)計和相關(guān)計算分析。

參考文獻

（1） 《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(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）》建質(zhì)【2014】25號文

（2） 《建設(shè)工程抗震管理條例 （征求意見稿）》2019

（3） 《山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于積極推進建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知》魯建設(shè)函[2015]12號文

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