消能減震技術(shù)研究與應(yīng)用研究

曹謹(jǐn)謙 云南省曲靖市建筑工程勘察設(shè)計審查管理站

1 前言

地震幾乎每天都在發(fā)生，它是一種自然現(xiàn)象，相對較小的地震或在深海中發(fā)生的地震通常不會引起人們的注意，因為它們不會損壞建筑物。但是，大陸附近發(fā)生的大地震具有很高的破壞性，并造成許多人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如何減少這些地震對建筑物的破壞，逐漸成為研究者們熱議的話題。消能減震技術(shù)的發(fā)明與應(yīng)用，大大減輕了地震的破壞性。

2 傳統(tǒng)抗震技術(shù)

研究人員進(jìn)行了許多有關(guān)如何減少對建筑物結(jié)構(gòu)的破壞的科學(xué)研究，并提出了很多實用方法。主要從三個角度出發(fā)。

第一是如何提高結(jié)構(gòu)本身的抵抗力，使其抵抗外部地震。傳統(tǒng)方法是增加結(jié)構(gòu)的強度和剛度以使其更堅固。相對容易實現(xiàn)，效果清晰實用。它主要是通過拉伸梁和柱并加強節(jié)點的結(jié)構(gòu)措施來實現(xiàn)的。但是這種結(jié)構(gòu)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震是以犧牲自己來抵抗地震，其往往在地震中破壞會比較嚴(yán)重，這對于后期的救援和災(zāi)后重建不利。

第二是在結(jié)構(gòu)上安裝耗能設(shè)備，該耗能設(shè)備吸收大部分地震能量以達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)的目的，這種方法應(yīng)在建筑結(jié)構(gòu)中廣泛使用。

第三是為了防止地震能量傳播到結(jié)構(gòu)上[1]，減少結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的常用方法是在建筑物和結(jié)構(gòu)之間添加防震墊，從而有效地減少了地震能量的傳播。隔震建筑物雖然廣泛用于降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，但對上層建筑的高度更敏感，因此廣泛用于橋梁結(jié)構(gòu)和一些多層建筑中。

3 消能抗震技術(shù)

3.1 消能減震技術(shù)的基本原理

能量耗散和減震技術(shù)是指阻尼器的相對運動引起的相對變形或相對加速度，以便在結(jié)構(gòu)體的特定部分安裝阻尼器并提供額外的阻尼以消散一些地震輸入能量。在建筑物中要達(dá)到抗震和抗風(fēng)的作用。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)計成的，消能裝置直接安裝在結(jié)構(gòu)的特定部分（中間地板，空間，節(jié)點，接縫等）上[2]。在小風(fēng)或頻繁地震（小地震）的作用下，消能構(gòu)件（或消能裝置）與原始建筑結(jié)構(gòu)共同作用，結(jié)構(gòu)本身仍處于彈性工作狀態(tài)，并符合結(jié)構(gòu)變形和位移規(guī)范。正常使用條件的要求：在強風(fēng)或大地震（罕遇地震）下，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移會增加，從而使消能桿或消能減震裝置產(chǎn)生更大的阻尼并耗散更多的能量。它可以迅速抑制地震和風(fēng)振產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的動力影響，防止建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到彈塑性狀態(tài)，并且不可逆地使結(jié)構(gòu)的某些部分變形或破壞。

3.2 結(jié)構(gòu)消能減震裝置的類型

建筑物的能量消散和衰減技術(shù)是在建筑物的某些部分中安裝能量消散裝置（例如，支撐，節(jié)點，剪力墻，接縫或連接器，地板空間，相鄰建筑物，主要結(jié)構(gòu)等）。該能量裝置具有足夠的初始剛度，在風(fēng)載荷或小地震下保持其彈性狀態(tài)，并且具有足夠的側(cè)剛度以滿足使用要求。在中度或強烈地震的情況下，隨著結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形的增加，消能器首先進(jìn)入非彈性運行狀態(tài)，從而產(chǎn)生較大的阻尼，并消耗大量輸入到結(jié)構(gòu)和主結(jié)構(gòu)中的地震能量看起來似乎是無彈性的，因此，在中等強度的地震下，它不會對主要結(jié)構(gòu)和組件造成嚴(yán)重破壞[3]。消能器的類型有很多，在結(jié)構(gòu)中安裝阻尼器形成消能減震結(jié)構(gòu)，通過消能器的耗能達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的，目前廣泛使用的消能器有屈曲約束支撐、黏滯阻尼器、摩擦阻尼器、金屬剪切阻尼器、黏滯阻尼墻等。常用的消能器主要是屈曲約束支撐和黏滯阻尼器。

3.2.1 屈曲約束支撐

屈曲約束支撐件主要由三部分組成：芯材料，外套管和填充材料之間的填充材料，應(yīng)在新材料和填充材料之間涂上非粘合層或空氣層。屈曲約束支撐不僅消耗能量，而且還可以充當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。因此，在結(jié)構(gòu)上使用屈曲約束可以改變結(jié)構(gòu)的剛度。如果正常使用該結(jié)構(gòu)，則屈曲約束件將處于彈性狀態(tài)，可以承受一些作用力。屈曲約束支撐件廣泛用于多層、高層和超高層結(jié)構(gòu)中，不僅可以用于鋼結(jié)構(gòu)，還可以用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.2.2 黏滯阻尼器

黏滯阻尼器首先用于軍事領(lǐng)域。黏滯阻尼器在結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用始于1980年代。隨著科學(xué)研究的發(fā)展，黏滯阻尼器正在不斷改進(jìn)，目前在實際工程中的應(yīng)用比較成熟。黏滯阻尼器的制造原理是：粘性流體通過孔口時會產(chǎn)生黏滯阻尼力，結(jié)構(gòu)的黏滯阻尼器不會改變結(jié)構(gòu)的剛度，而只會改變結(jié)構(gòu)的阻尼。黏滯阻尼有缸式、筒式和黏滯阻尼墻，應(yīng)用比較多的是缸式的黏滯阻尼器。

3.3 結(jié)構(gòu)消能減震裝置的特點

大量的研究和應(yīng)用表明，在建筑物的適當(dāng)位置合理設(shè)置消能部件后，結(jié)構(gòu)在地震作用下具有如下特征。

①可以同時減少結(jié)構(gòu)的水平和垂直地震作用；

②如果結(jié)構(gòu)具有足夠的附加阻尼，則可以滿足罕遇地震預(yù)期的結(jié)構(gòu)位移控制；

③由于消能裝置不改變結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成，因此消能結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造與一般結(jié)構(gòu)相比并沒有減少，相反，由于消能器相當(dāng)于在結(jié)構(gòu)上增加了一道防線，其抗震安全性會大大提高；

④能量耗散結(jié)構(gòu)不限于結(jié)構(gòu)類型和高度。它具有廣泛的應(yīng)用范圍。

4 消能減震技術(shù)應(yīng)用

（1）自從1970年代提出阻尼控制的概念以來，理論和實驗研究就逐漸開始于能量耗散和阻尼技術(shù)以及諸如隔震、被動和主動控制等一系列技術(shù)。在1980年代后期，許多國家逐漸研究了如何將流體阻尼器應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，其中美國和日本是最早在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究的國家。1995年，西雅圖西橋安裝了流體阻尼器，以減少在甲板上搖擺的影響。根據(jù)日本的統(tǒng)計，日本有100多個采用減震技術(shù)的房屋結(jié)構(gòu)和建筑項目。希臘和平與友誼體育場是一個具有良好抗震和減震性能的典型項目，由美國泰勒公司開發(fā)的總共128個泰勒流體阻尼器安裝在支柱的頂部，大大減少了支柱和車頂?shù)挠绊懸约暗卣鹨鸬闹南鄬ξ灰坪土Α?007年，秘魯發(fā)生8.0級地震，秘魯首都利馬機(jī)場基本未損壞，因為安裝了42個黏滯阻尼器。美國著名的西雅圖棒球場有一個敞開的車頂，并安裝了4個7m長的減震器，以減少在車頂打開和關(guān)閉時對主體結(jié)構(gòu)的沖擊和振動。在門架運動的沖擊點安裝了泰勒在美國開發(fā)的泰勒液壓減震器，它不僅降低了加載效果而且還節(jié)省了大量材料。該項目的總成本超過400萬美元，已成為使用能耗和減震的世界典型項目。

（2）國內(nèi)對減震器的研究起步開始很晚，系統(tǒng)研究也在逐步進(jìn)行。在1990年代初期，來自同濟(jì)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者開始研究粘性流體阻尼器。其中，Southeastern率先系統(tǒng)地、全面地研究了粘性阻尼器，并于1999年首先完成了兩種經(jīng)典的阻尼器：單端粘性阻尼器和養(yǎng)蜂粘性阻尼器，隨后開發(fā)了各種模型。其中，粘性流體阻尼器，經(jīng)過對比試驗研究和進(jìn)一步改進(jìn)，獲得了國家專利。1999年，歐金平教授通過理論和實驗對氣缸間隙阻尼器進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在同一時期，外國產(chǎn)品被引入中國。1999年，法國粘性阻尼器進(jìn)入中國。中國建筑科學(xué)研究院使用該阻尼器加固了北京飯店，它是我國第一個粘性阻尼器。2004年，北京銀泰中心安裝了73個粘性阻尼器，以降低結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的峰值加速度。2005年，在南京奧體中心旅游塔內(nèi)安裝了30個粘性阻尼器，以控制風(fēng)的振動響應(yīng)。此外，蘇通大橋和宿遷建設(shè)大廈采用了各種類型的粘性阻尼器，以提高車身的抗風(fēng)性或抗震性能。

（3）在國內(nèi)外粘性阻尼器的研究與發(fā)展的基礎(chǔ)上，阻尼器的發(fā)展趨勢分為以下幾個方面。一方面，在結(jié)構(gòu)模型上安裝粘性阻尼器后，將模型應(yīng)用于振動臺。另一方面，對具有阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗以獲得分析結(jié)果和實驗結(jié)論、數(shù)值分析、理論分析和計算，以獲得研究結(jié)果?？紤]到我國的實際情況，我國消能減振器研究的應(yīng)用和發(fā)展可以根據(jù)我國現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析軟件以及相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，對阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、分析和連續(xù)優(yōu)化，以使分析過程最終應(yīng)用于實際項目的設(shè)計和施工。我國于2016年發(fā)布的《建筑抗震設(shè)計條例（2016年版）》增加了抗震和消能的內(nèi)容，提出了設(shè)計方法，并針對消能和抗震技術(shù)的應(yīng)用提出了幾種具體的實施方法。美國FEMA356標(biāo)準(zhǔn)還對粘性阻尼器的設(shè)計做出了具體規(guī)定。隨著許多國家對消能結(jié)構(gòu)的廣泛研究和應(yīng)用，人們設(shè)計方法的探索和設(shè)計原理的研究將成為土木工程領(lǐng)域的重要課題之一。

5 消能減震技術(shù)未來發(fā)展方向

消能技術(shù)在防震減災(zāi)中的具有很多優(yōu)勢，但我國消能減振技術(shù)的應(yīng)用尚未完成。仍然存在一系列需要研究的問題和困難。

①綜合考慮各種因素（溫度，濕度，開裂程度等）的影響；

②開發(fā)更經(jīng)濟(jì)實用的高性能消能部件；

③開發(fā)簡便且符合設(shè)計習(xí)慣的消能減震設(shè)計軟件；

④深入研究能量耗散系統(tǒng)中的材料問題；

⑤制定具體的能量耗散和衰減構(gòu)造方法質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)和規(guī)范；

⑥建筑功能的協(xié)調(diào)和維護(hù)；

⑦能量消散和衰減系統(tǒng)；

⑧一種優(yōu)化的匹配設(shè)計方法的研究，該方法綜合考慮了建筑形式、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、建筑材料；

⑨加強能量分析方法在結(jié)構(gòu)地震控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

許多研究和文獻(xiàn)表明，為什么黏滯阻尼結(jié)構(gòu)，粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)和金屬耗能結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于土木工程的各個方面，包括新建筑物的振動控制和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的加固。這是因為安裝能量消耗裝置的結(jié)構(gòu)可以增加結(jié)構(gòu)的阻尼，顯著降低結(jié)構(gòu)在外力作用下的動態(tài)響應(yīng)，并增加能量的消耗能力，層間剪切，層間位移，頂點位移和頂點加速度等地震響應(yīng)明顯降低。目前，美國，日本等國家和我國臺灣地區(qū)等對消能減震器的研究和應(yīng)用越來越多，并取得了有效的成果。我國是一個幅員遼闊，地震頻發(fā)的國家。由于局限性，對地震的預(yù)測技術(shù)還存在一些不足。因此，為了盡可能減少或避免地震災(zāi)害，我國必須從結(jié)構(gòu)本身入手，加強減震研究與實驗，以及實用新型耗能增強型能量吸收減振器的開發(fā)與應(yīng)用研究。

6 結(jié)束語

總體而言，消能減震技術(shù)的發(fā)展已成為一種趨勢，并且隨著減震理論和技術(shù)的進(jìn)一步完善，減震的概念設(shè)計將逐漸被人們所接受，例如抗震的概念設(shè)計。未來，將有更多的學(xué)者和研究人員致力于解決上述問題并推廣和應(yīng)用消能技術(shù)。