趙屹峰

（廣東省建筑設(shè)計研究院）

地震是一種突發(fā)且危害性極大的自然災(zāi)害，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)很難進(jìn)行有效的抵抗，因此一旦發(fā)生將對人民群眾的生命和財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，抗震結(jié)構(gòu)也在不斷的創(chuàng)新發(fā)展之中，消能減震結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)及應(yīng)用，有效的保護(hù)了建筑物的整體結(jié)構(gòu)，避免因?yàn)樘斐傻膰?yán)重經(jīng)濟(jì)損失，使地震發(fā)生時，人們的生命財產(chǎn)安全得以更多保障。

1 消能減震結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

1.1 原理

所謂消能減震技術(shù)就是在結(jié)構(gòu)的樓層空間、剪力墻或者節(jié)點(diǎn)等部位設(shè)置阻尼元件或者耗能裝置，通過這些元件和裝置產(chǎn)生彎剪扭變形來耗散或吸收地震能量，有效減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而避免結(jié)構(gòu)破壞或者倒塌，使其達(dá)到減震的目的。

消能減震可從能量的角度來進(jìn)行描述（圖1），傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)（1）和消能減震結(jié)構(gòu)（2）在地震中任意時刻的能量方程為：

式中：Ein、Ein′是地震過程中輸入體系的能量；Ev、Ev′是結(jié)構(gòu)體系的動能；Ec、Ec′是結(jié)構(gòu)體系的粘滯阻尼耗能；Ek、Ek′是結(jié)構(gòu)體系的彈性應(yīng)變能；Eh、Eh′是結(jié)構(gòu)體系的滯回耗能；Ed′是耗能元件或阻尼裝置吸收或耗散的能量。在消能減震結(jié)構(gòu)體系中，耗能元件或阻尼裝置在主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)之前進(jìn)入耗能狀態(tài)，消耗大量大部分輸入結(jié)構(gòu)體系的地震能量，結(jié)構(gòu)反應(yīng)將會大幅減小，有效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)[1]。

圖1 結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換途徑對比

1.2 分類

消能減震裝置根據(jù)耗能的依賴性可分為位移相關(guān)型和速度相關(guān)型。位移相關(guān)型包含摩擦耗能器（圖2）、鉛擠壓阻尼器剛彈塑性阻尼器等，速度相關(guān)型包含粘滯阻尼器（圖3）和粘彈性阻尼器等[2]。

1.3 優(yōu)勢

圖2 Pall 摩擦型耗能器及典型滯回曲線

圖3 Pall 油阻尼器及典型滯回曲線

與傳統(tǒng)意義上的抗震結(jié)構(gòu)相比較而言，消能減震結(jié)構(gòu)具有兩方面的優(yōu)勢：①消能減震結(jié)構(gòu)更為安全，這主要體現(xiàn)為在安裝消能減震裝置的過程中，能夠做到安裝位置明確，并且其中的主要耗能裝置能夠把地震發(fā)生之時所產(chǎn)生的大部分能量消耗掉，保證建筑物的穩(wěn)定性，防止建筑物出現(xiàn)斷裂，有效的保障了人民群眾的生命財產(chǎn)安全；②消能減震結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟(jì)，這主要是由于消能減震結(jié)構(gòu)當(dāng)中的主體結(jié)構(gòu)以及耗能結(jié)構(gòu)有著明確的分工，在整體結(jié)構(gòu)當(dāng)中能夠有效地降低了震發(fā)生之時，荷載對結(jié)構(gòu)的影響，提高了抗震安全系數(shù)，并且，消能減震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，能夠降低建筑物在建筑施工過程中5～10%的工程造價，在對舊建筑物進(jìn)行加固的過程中也能夠節(jié)省10～60%的造價，提高了相關(guān)的建筑施工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，也有利于建筑物抗震質(zhì)量的提高[3]。

2 消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

2.1 消能裝置的設(shè)置

消能裝置應(yīng)該沿著結(jié)構(gòu)兩個主軸方向設(shè)置，并布置在層間變形較大的位置，分布和數(shù)量通過綜合分析確定。

2.2 消能裝置的性能要求

消能裝置應(yīng)具有適當(dāng)阻力且有能力足夠吸收和耗散大量的地震能量。消能裝置附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比宜大于15%，超過25%宜按照25%計算[4]。消能裝置應(yīng)有足夠的初始剛度、良好的耐久性、構(gòu)造簡單易施工等特點(diǎn)[5]。

3 消能減震結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

3.1 計算模型

消能減震裝置目前大幅應(yīng)用在工程中。本文選取了廣州某工程進(jìn)行分析。其基本信息如下：四層地下室，負(fù)一層地下室頂板高±0.000，地上部分共有三座塔樓，其中最高的為184m，其余兩座99m。周邊還有一棟接近300m 的高層建筑（圖4），分析軟件采用Midas Gen。

圖4 MidasGen 模型圖

圖5 粘滯阻尼器參數(shù)信

3.2 粘滯阻尼器基本信息

高層與地下空間的空隙長170m，深22m，每層放22～23 根粘滯阻尼器連接，共180 根粘滯阻尼器。定義粘滯阻尼器的非線性特征值如圖5 所示。通過計算對比進(jìn)行調(diào)整，連接彈簧剛度取105kN/m 時能達(dá)到減小基底剪力的效果?，F(xiàn)調(diào)整消能器阻尼值分析所添加的粘滯阻尼器對基地剪力的影響。

3.3 分析結(jié)果

從圖6 可看出，通過添加粘滯阻尼器，能夠起到減小基地剪力的作用，減小量趨近11000kN。但由于粘滯阻尼器連接的地方標(biāo)高在±0.000 以下，地震作用下位移較小，因此地震作用減小幅度不如在地上位置明顯，但是依然減小了基地剪力。

4 結(jié)語

圖6 阻尼與基地剪力關(guān)系曲線

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活質(zhì)量水平的提高，對于居住環(huán)境的要求越來越高，而消能減震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，能夠有效的提高建筑物的抗震能力，為人民群眾提供安全的居住環(huán)境[6]。但是，一些地下空間結(jié)構(gòu)需要將消能裝置設(shè)置在地下，如何更好地發(fā)揮消能裝置的作用，有待進(jìn)步一進(jìn)行研究。

[1]張美華.建筑抗震概念設(shè)計[J].石油規(guī)劃設(shè)計，1997（1）：23～25.

[2]周云，宗蘭，等編著.土木工程抗震設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3]趙斌華.消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2014.

[4]周云.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2012.

[5]張文芳，靳斤平，等.工程結(jié)構(gòu)消能減震控制的研究與應(yīng)用[J].2005.12.

[6]陳星，歐妍君，等編著.現(xiàn)代地下空間結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用[M].廣東：中國建筑工業(yè)出版社，2015.