消能減震技術在建筑抗震加固中的應用探討

楊林曙

西安長安大學工程設計研究院設計研究院有限公司，710064

1.前言

    近年來，世界各地大地震頻發，大地震給災區帶來了極大的人員和經濟損失，震后大量建筑物在評估后需要按照新的設防標準進行加固。傳統的加固措施將使得施工周期增長、施工面大, 同時也會對原結構造成部分損傷，已不能適用。隨著國內外專家、學者對消能減震技術的研究和認識不斷加深，對消能減震技術在建筑結構設計和建筑抗震加固方面應用得到推廣。我國《建筑抗震設計規范》GB50011-2010中對阻尼器消能減震技術設計也有明確規定。

2.消能減震技術概述

    2.1 消能減震技術的概念

    消能減震技術是指在結構中某些部位設置耗能元件(非結構構件),耗能元件在結構振動變形時發生滯回變形耗散能量,從而減小結構構件耗散的能量,減小結構的振動變形,保證結構在風荷載作用下的舒適度或在地震荷載下不破壞或破壞程度在允許范圍內,達到減振的目的。

    2.2 消能減震阻尼器的類型

    阻尼器是安置在結構系統上、可以提供運動阻力的耗能裝置。阻尼器在土木工程中的應用主要表現在耗能減震方面.以增加結構阻尼為主的消能減震控制技術，是一種有效、安全、經濟且較為成熟的工程減震技術。通常設置耗能元件（阻尼器）的位置有層間、相鄰建筑結構之間,主附結構之間、節點、上部結構和基礎之間等位置。

    目前常用的各種阻尼器根據其提供的阻尼力和結構反應的關系可分為:速度型阻尼器和位移型阻尼器。速度型阻尼器的阻尼力和消能部件兩端的相對速度有關,即與結構的速度響應有關,包括粘滯阻尼器和粘彈性阻尼器。位移型阻尼器的阻尼力和消能部件兩端的相對位移有關,即與結構的位移響應有關,包括摩擦阻尼器和金屬阻尼器。速度型阻尼器在風振、不同強度地震下均具備耗能能力,而位移型阻尼器需在大震下才能發揮耗能能力。

    （1）粘滯阻尼器：粘滯阻尼器是利用豁稠液體的粘性來耗散振動能量，目前已應用于新建結構和改造加固結構中。粘滯阻尼器可以分為兩類,一類是通過置于開口容器中黏性液體的變形來實現耗能目的,如圓柱筒阻尼器、阻尼墻；另一類是強迫密封容器內的液體通過小的阻尼孔而耗能,如Taylor液體阻尼器,Jarret液體阻尼器。日本Sumitomo建設公司開發的粘滯阻尼墻，經試驗證實能有效增大結構阻尼,減小鋼筋混凝土框架結構的地震反應。

    （2）粘彈性阻尼器：粘彈性阻尼器是利用粘彈性材料的剪切變形耗能。粘彈性阻尼器由粘彈性材料和約束鋼板構成。典型的粘彈性阻尼器是由三塊鋼板夾兩層粘彈性材料組成,鋼板和粘彈性材料通過硫化過程結合成整體。當阻尼器安裝在結構中時,外層的兩塊鋼板和中心鋼板之間產生相對位移,使得粘彈性材料產生往復的剪切變形,從而耗散能量。粘彈性阻尼器在建筑結構抗震中的應用較早，1969年，紐約世貿大樓兩個塔樓各安裝10000個彈性阻尼器以減少風作用下的振動。1993年，對位于美國圣何塞城市的13層的Santa Clara County大樓(鋼結構) 用粘彈性阻尼器進行了抗震修復。

    （3）金屬阻尼器:金屬阻尼器是利用金屬的非彈性變形耗能.目前常用的阻尼器有軟鋼阻尼器、鉛阻尼器和形狀記憶合金阻尼器。

    （4）摩擦阻尼器：摩擦阻尼器是利用兩塊固體之間相對滑動產生的摩擦來耗散能量。日本研發了單軸摩擦阻尼筒(Sumitomo摩擦阻尼器)。Sumitomo摩擦阻尼器工作時,銅合金摩擦墊沿圓柱形鋼套筒的內壁滑動,所需法向力通常由內外契形塊之間的彈簧作用來提供。

    2.3  消能減震技術的優越性

    (1)安全性: 消能減震結構體系設置了非承重的消能構件(消能支撐、消能剪力墻等)或消能裝置,它們具有極大的消能能力,在強地震中能率先消耗結構的地震能量,迅速衰減結構的地震反應,并保護主體結構和構件免遭損壞,確保結構和建筑內的重要設備、儀器的安全。

    (2)經濟性: 消能減震結構通過“柔性消能”的途徑以減少結構地震反應,在減少剪力墻的設置、構造斷面、配筋的同時,還能大大提高抗震安全度。若用于舊有建筑結構的耐震性能改造加固,消能減震加固方法比傳統抗震加固方法,節省造價10%-60%。

    (3)技術合理性: 消能減震結構則是通過設置消能構件或裝置,使結構在出現變形時大量迅速消耗地震能量,保護主體結構在強地震中的安全。結構越高、越柔,跨度越大,消能減震效果越顯著。

    (4)震后易于修復或更換,使建筑結構物迅速恢復使用。

3.建筑物抗震加固中消能減震技術的應用

    3.1消能減震的加固方法

    消能減震技術因其減震效果明顯,構造簡單,安全經濟,適用范圍廣,維護方便等特點越來越受到國內外工程專家的重視。消能減震技術除了適用新建工程,也適用于已有建筑物的抗震加固、改造。

    消能減震的加固方法是在原結構上附加消能裝置達到吸收地震能量的目的, 從而減少結構的地震作用, 不需對原建筑結構進行大面積的補強。雖然消能減震方法進行結構加固的施工和安裝都非常方便，但如何合理地在各層配置這些耗能減震裝置, 以求達到最佳的性價比仍然是值得考慮的問題。

    3.2 基于性能和需求的消能減震設計方法

    3.2.1 設計方法概述：

    基于性能和需求優化配置消能支撐的消能減震設計方法, 即構建混合消能支撐系統(VD-BRB系統),在房屋底層配置防屈曲耗能支撐,在其余層配置粘滯阻尼器。

    3.2.2 利用消能減震技術進行抗震加固設計流程

    設計過程中，首先按照現行規范抗震設計方法進行結構驗算，確定結構承載力、變形性能等是否符合規范要求，判斷采用消能減震加固技術是否可行；如若可行，初步確定阻尼器的數量和布置方式，通過不斷試算優化阻尼器布置，保障結構達到預先確定的性能目標; 此后，設計阻尼器并計算消能減震結構附加阻尼比，將阻尼比代入原結構驗算結構構件承載力，個別構件承載力不滿足規范要求時應進行加固。整個設計過程只包含阻尼器一組變量，因此較容易實現。

    3.2.3 基于性能和需求的消能減震方法進行加固的優勢

    對建筑采用基于性能和需求的消能減震方法進行加固, 有良好的效果和獨特的優勢, 主要體現在以下幾個方面:(1)這種方法有利于地震能量在第一時間進行耗散, 并且有利于能量向下部基礎傳播。( 2)采用消能減震支撐, 有利于改善結構薄弱層的抗震性能, 使得加固效果的評析更加清晰。(3)混合消能減震支撐系統(VD-BRB系統)有相對較高的性價比。(4)分析顯示通過這種方法配置的阻尼器更加合理, 在小、中、大震下阻尼器的性能都發揮很好。(5)采用消能減震支撐的加固措施, 減少了結構加固的工程量, 對原建筑結構影響較小。(6)采用改進的基于性能和需求的消能減震方法進行加固設計相對便捷。

參考文獻：

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)