【摘要】隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)也在不斷的更新與提高，加之汶川、玉樹等大地震后，人們在結(jié)構(gòu)安全性能上要求的提高，如何能夠讓建筑物具有更好的抗震性能成為了人們更為關(guān)注的問題，傳統(tǒng)方式的抗震設(shè)計不斷進(jìn)行優(yōu)化，各種隔震手段、消能減震性能越來越多的得到了工程人員的關(guān)注。本文主要介紹了消能減震的特點、適用性、應(yīng)用現(xiàn)狀及規(guī)范對消能減震設(shè)計的要求。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；地震；耗能；阻尼器

建筑結(jié)構(gòu)作為人們?nèi)粘Ｉ钪凶疃嗤Ａ舻膱鏊?，其安全性及其重要，雖然現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計已對建筑工程進(jìn)行抗震設(shè)防，但無數(shù)地震實例表明，單純的經(jīng)過抗震設(shè)防或加固的結(jié)構(gòu)并不能完全有效的抵御地震帶來的危害，基于抗震性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越多的體現(xiàn)在現(xiàn)代工程師的設(shè)計中。

在以往的設(shè)計中，上部建筑與基礎(chǔ)緊緊連接，地震來臨時，能量由基礎(chǔ)傳至上部結(jié)構(gòu)，完全由結(jié)構(gòu)本身的剛度來對抗地震，地震后均有一定的損傷；基礎(chǔ)隔震是指將基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)分離，隔斷或減少能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸；消能是在地震過程中將能量耗散，以保證上部結(jié)構(gòu)的安全。

消能減震的原理是通過將建筑的一些非承重構(gòu)件設(shè)計為消能構(gòu)件或通過布置消能裝置，在地震來臨時，通過變形提供給結(jié)構(gòu)較大的阻尼，消耗或者吸收地震時帶來的能量，衰減地震反應(yīng)，從而確保結(jié)構(gòu)的安全。

消能減震體系并不改變結(jié)構(gòu)的基本形式，甚至可減少結(jié)構(gòu)的斷面尺寸及配筋值，但卻可使結(jié)構(gòu)具有足夠的附加阻尼，使結(jié)構(gòu)位移要求滿足各項規(guī)范要求，而且消能減震裝置可同時減小結(jié)構(gòu)兩個方向的地震作用，各種結(jié)構(gòu)類型均可使用，根據(jù)統(tǒng)計顯示，采用消能減震體系后，地震反應(yīng)比傳統(tǒng)方式降低約40～60%，但造價卻比傳統(tǒng)方式節(jié)約5%～10%，同時，技術(shù)更為合理，維修較為方便，在結(jié)構(gòu)越高，剛度越柔時其效果越為顯著。

目前，消能減震主要應(yīng)用于四個領(lǐng)域

1）高層、超高層建筑

2）大跨度橋梁

3）高柔建筑

4）結(jié)構(gòu)加固改造

消能減震在各地均得到了較多的應(yīng)用，美國較早開展了消能減震技術(shù)研究，1969年美國的雙塔樓，每個塔樓均中安裝了10000個粘彈性阻尼器；西雅圖哥倫比亞大廈及匹茲堡鋼鐵大廈也采用了消能減震裝置，美國新SAN Bernardino醫(yī)療中心安裝了233個阻尼器。而日本由于地震較為嚴(yán)重，是消能減震技術(shù)應(yīng)用較多的國家，SONIC辦公大樓安裝了240個摩擦阻尼器，位于代官山的一高層建筑采用了粘滯阻尼墻。加拿大PALL摩擦型阻尼器已被用于很多新建結(jié)構(gòu)及加固工程中。新西蘭已采用鉛阻尼器。墨西哥則將ADAS裝置應(yīng)用于加固工程中。在我國，消能減震技術(shù)也逐漸得到了較多的應(yīng)用，如東北某政府大樓加固時采用了Pall型摩擦阻尼器，云南某中學(xué)食堂加固采用了T字芯板摩擦阻尼器，北京飯店加固采用了JARRET粘滯-彈簧緩沖器，江蘇宿遷交通大廈按章了粘彈性阻尼器。

消能減震目前雖已得到較為廣泛的應(yīng)用，但各種消能減震裝置都有其不同的特點及適用范圍。如摩擦阻尼器在小震下基本沒有耗能作用，有較高的預(yù)壓應(yīng)力要求；金屬阻尼器，容易產(chǎn)生疲勞斷裂，一般適用于位移較小的情況；鉛阻尼器最大的問題為環(huán)境污染，同樣也只適用于小位移情況；粘彈性阻尼器的主要缺點是其儲存、損失模量與溫度和阻尼器相對剪切變形頻率緊密相關(guān)，兩個模量之間的比值對溫度和頻率均不敏感；速度型消能器主要適用于各種相對位移情況，在速度小于600mm/s和相對運動頻率小于3Hz時非常穩(wěn)定，具有較好的耗能效果及抗疲勞性，對溫度變化敏感度較低。同樣，不同的結(jié)構(gòu)形式對阻尼器的選擇也有不同的要求，例如，側(cè)向位移要求較為嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)宜選用速度相關(guān)型或位移速度相關(guān)型阻尼器，在進(jìn)行選擇時，最好要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及減震目的，考慮經(jīng)濟(jì)因素，控制造價，達(dá)到最優(yōu)性價比效果。

設(shè)計規(guī)范對消能減震做出了相應(yīng)規(guī)定，在確定消能減震設(shè)計方案時，應(yīng)與抗震設(shè)計方案進(jìn)行對比，根據(jù)多遇地震的預(yù)期減震要求、漢語地震下的預(yù)期位移控制進(jìn)行裝置設(shè)計，在彈性階段，一般采取線性分析簡化計算，進(jìn)入彈塑性階段后，一般采用非線性時程分析或靜力非線性分析方法，非線性分析時，結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型應(yīng)包括結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型和消能不見的恢復(fù)力模型，時程分析法一般根據(jù)阻尼器類型選擇計算模型后通過計算機(jī)軟件進(jìn)行計算，常用軟件為SAP2000和ETABS。規(guī)范對消能減震設(shè)計的主要要求基本以速度相關(guān)型及位移相關(guān)型為主，對消能構(gòu)件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比、水平地震作用下的總應(yīng)變能等數(shù)值的計算給出了公式：

耗能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼ξa=∑Wcj/（4πWs），

其中：Wcj為第j個耗能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗的能量；

Ws為設(shè)置耗能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。

不考慮扭轉(zhuǎn)影響時，消能減震結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的總應(yīng)變能估算為：Ws=（ΣFi ui）/2，其中：Fi為質(zhì)點i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；

ui為相應(yīng)于Fi的位移。

速度相關(guān)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為：Wc=（2π2/T1）ΣCjcos2θjΔuj2，

其中：T1為消能減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期；

Cj為第j個阻尼器的線性阻尼系數(shù)；

θj為第j個阻尼器的放置方向與水平面的夾角；

Δuj為第j個阻尼器的兩端相對位移。

需要注意的是，當(dāng)消能構(gòu)件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比超過25%時，宜按照25%進(jìn)行考慮。

規(guī)范明確要求消能器與主體結(jié)構(gòu)之間的連接部位須在彈性范圍內(nèi)工作，工程阻尼器在工程中主要設(shè)置在以下位置：大型屋蓋中一般位于變形最大處，剪力墻，建筑結(jié)構(gòu)支撐部位，相鄰建筑物間、結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點位置，屋蓋和柱頭的連接部位，連接縫等。

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作者簡介

閆曉敏（1988-），女（漢族），廣州城建開發(fā)設(shè)計院有限公司，碩士，華南理工大學(xué)，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。