消能减震技术简析

 　【摘要】随着社会经济水平的快速发展，抗震设防分类标准也在不断的更新与提高，加之汶川、玉树等大地震后，人们在结构安全性能上要求的提高，如何能够让建筑物具有更好的抗震性能成为了人们更为关注的问题，传统方式的抗震设计不断进行优化，各种隔震手段、消能减震性能越来越多的得到了工程人员的关注。本文主要介绍了消能减震的特点、适用性、应用现状及规范对消能减震设计的要求。 
　　【关键词】建筑结构；地震；耗能；阻尼器 
　　建筑结构作为人们日常生活中最多停留的场所，其安全性及其重要，虽然现阶段结构设计已对建筑工程进行抗震设防，但无数地震实例表明，单纯的经过抗震设防或加固的结构并不能完全有效的抵御地震带来的危害，基于抗震性能的结构设计越来越多的体现在现代工程师的设计中。 
　　在以往的设计中，上部建筑与基础紧紧连接，地震来临时，能量由基础传至上部结构，完全由结构本身的刚度来对抗地震，地震后均有一定的损伤；基础隔震是指将基础和上部结构分离，隔断或减少能量向上部结构的传输；消能是在地震过程中将能量耗散，以保证上部结构的安全。 
　　消能减震的原理是通过将建筑的一些非承重构件设计为消能构件或通过布置消能装置，在地震来临时，通过变形提供给结构较大的阻尼，消耗或者吸收地震时带来的能量，衰减地震反应，从而确保结构的安全。 
　　消能减震体系并不改变结构的基本形式，甚至可减少结构的断面尺寸及配筋值，但却可使结构具有足够的附加阻尼，使结构位移要求满足各项规范要求，而且消能减震装置可同时减小结构两个方向的地震作用，各种结构类型均可使用，根据统计显示，采用消能减震体系后，地震反应比传统方式降低约40～60%，但造价却比传统方式节约5%～10%，同时，技术更为合理，维修较为方便，在结构越高，刚度越柔时其效果越为显著。 
　　目前，消能减震主要应用于四个领域 
　　1）高层、超高层建筑 
　　2）大跨度桥梁 
　　3）高柔建筑 
　　4）结构加固改造 
　　消能减震在各地均得到了较多的应用，美国较早开展了消能减震技术研究，1969年美国的双塔楼，每个塔楼均中安装了10000个粘弹性阻尼器；西雅图哥伦比亚大厦及匹兹堡钢铁大厦也采用了消能减震装置，美国新SAN Bernardino医疗中心安装了233个阻尼器。而日本由于地震较为严重，是消能减震技术应用较多的国家，SONIC办公大楼安装了240个摩擦阻尼器，位于代官山的一高层建筑采用了粘滞阻尼墙。加拿大PALL摩擦型阻尼器已被用于很多新建结构及加固工程中。新西兰已采用铅阻尼器。墨西哥则将ADAS装置应用于加固工程中。在我国，消能减震技术也逐渐得到了较多的应用，如东北某政府大楼加固时采用了Pall型摩擦阻尼器，云南某中学食堂加固采用了T字芯板摩擦阻尼器，北京饭店加固采用了JARRET粘滞-弹簧缓冲器，江苏宿迁交通大厦按章了粘弹性阻尼器。 
　　消能减震目前虽已得到较为广泛的应用，但各种消能减震装置都有其不同的特点及适用范围。如摩擦阻尼器在小震下基本没有耗能作用，有较高的预压应力要求；金属阻尼器，容易产生疲劳断裂，一般适用于位移较小的情况；铅阻尼器最大的问题为环境污染，同样也只适用于小位移情况；粘弹性阻尼器的主要缺点是其储存、损失模量与温度和阻尼器相对剪切变形频率紧密相关，两个模量之间的比值对温度和频率均不敏感；速度型消能器主要适用于各种相对位移情况，在速度小于600mm/s和相对运动频率小于3Hz时非常稳定，具有较好的耗能效果及抗疲劳性，对温度变化敏感度较低。同样，不同的结构形式对阻尼器的选择也有不同的要求，例如，侧向位移要求较为严格的结构宜选用速度相关型或位移速度相关型阻尼器，在进行选择时，最好要根据结构形式及减震目的，考虑经济因素，控制造价，达到最优性价比效果。 
　　设计规范对消能减震做出了相应规定，在确定消能减震设计方案时，应与抗震设计方案进行对比，根据多遇地震的预期减震要求、汉语地震下的预期位移控制进行装置设计，在弹性阶段，一般采取线性分析简化计算，进入弹塑性阶段后，一般采用非线性时程分析或静力非线性分析方法，非线性分析时，结构的恢复力模型应包括结构恢复力模型和消能不见的恢复力模型，时程分析法一般根据阻尼器类型选择计算模型后通过计算机软件进行计算，常用软件为SAP2000和ETABS。规范对消能减震设计的主要要求基本以速度相关型及位移相关型为主，对消能构件附加给结构的有效阻尼比、水平地震作用下的总应变能等数值的计算给出了公式： 
　　耗能部件附加给结构的有效阻尼ξa=∑Wcj/（4πWs）， 
　　其中：Wcj为第j个耗能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量； 
　　Ws为设置耗能部件的结构在预期位移下的总应变能。 
　　不考虑扭转影响时，消能减震结构在水平地震作用下的总应变能估算为：Ws=（ΣFi ui）/2，其中：Fi为质点i的水平地震作用标准值； 
　　ui为相应于Fi的位移。 
　　速度相关型的消能阻尼器在水平地震作用下所消耗的地震能量估算为：Wc=（2π2/T1）ΣCjcos2θjΔuj2， 
　　其中：T1为消能减震结构的基本自振周期； 
　　Cj为第j个阻尼器的线性阻尼系数； 
　　θj为第j个阻尼器的放置方向与水平面的夹角； 
　　Δuj为第j个阻尼器的两端相对位移。 
　　需要注意的是，当消能构件附加给结构的有效阻尼比超过25%时，宜按照25%进行考虑。 
　　规范明确要求消能器与主体结构之间的连接部位须在弹性范围内工作，工程阻尼器在工程中主要设置在以下位置：大型屋盖中一般位于变形最大处，剪力墙，建筑结构支撑部位，相邻建筑物间、结构梁柱节点位置，屋盖和柱头的连接部位，连接缝等。