宋文輝

摘要：結(jié)構(gòu)消能減震的實(shí)質(zhì)是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器，地震時(shí)輸入結(jié)構(gòu)的能量率先為消能器吸收，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，有效衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。由于地震的不可預(yù)測(cè)性，結(jié)構(gòu)在地震中的損壞程度難以控制，特別是出現(xiàn)超過設(shè)防烈度的強(qiáng)震時(shí)，結(jié)構(gòu)就更難以確保安全。故而提高建筑的抗震性能，保障國(guó)民生命安全及減輕災(zāi)后修復(fù)重建費(fèi)用迫在眉睫。

關(guān)鍵詞：廊坊大廠地區(qū)；消能減震原理；消能器；

消能減震概念

結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)主要指的是在結(jié)構(gòu)的某些部位，如層間空隙、節(jié)點(diǎn)連接部分或者連接縫等一些位置安裝消能減震裝置，或者是將結(jié)構(gòu)的支撐、連接件或非承重剪力墻等一些次要構(gòu)件設(shè)置為能夠消能的構(gòu)件。在地震來臨時(shí)，這些裝置或者構(gòu)件可以通過摩擦、塑性變形、粘滯液體流動(dòng)等一些變化，為結(jié)構(gòu)提供較大的阻尼，消耗地震動(dòng)輸入的能量，消減主體結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)反應(yīng)，從而起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)安全的作用。

與傳統(tǒng)增大截面抵抗地震作用不同，消能減震技術(shù)主要是通過消能減震構(gòu)件吸收、消耗地震能量降低主體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，是建筑物抗震的另一個(gè)有力手段。消能減震技術(shù)中，安裝消能器增加結(jié)構(gòu)阻尼的被動(dòng)消能減震方法，由于其傳受力明確、安裝維護(hù)方便、制作成本低、適用范圍廣等特點(diǎn)，受到業(yè)內(nèi)人士的青睞。

消能減震原理

結(jié)構(gòu)消能減震的實(shí)質(zhì)是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器，地震時(shí)輸入結(jié)構(gòu)的能量率先為消能器吸收，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，有效衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。消能器在地震中起到結(jié)構(gòu)附加阻尼和附加剛度的作用。相比常規(guī)設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能只能通過增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸或者鋼筋的方法，更加經(jīng)濟(jì)合理高效，這也是消能減震結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)的主要原因。

結(jié)構(gòu)在地震中任意時(shí)刻的能量方程為：

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)：E_in=E_v+E_c+E_k+E_h

消能減震結(jié)構(gòu)：E_in^=E_in^+E_c^+E_k^+E_h^ 〖+E〗_d

在消能減震結(jié)構(gòu)體系，布置在結(jié)構(gòu)中的消能器能在主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性變形前率先發(fā)揮耗能的作用，大大減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。

消能減震優(yōu)越性

消能減震結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比，具有如下優(yōu)越性：

1）安全性

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系實(shí)質(zhì)上是將主體結(jié)構(gòu)（梁、柱、墻）作為消能構(gòu)件。按照傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法，容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中出現(xiàn)不同程度的損壞。由于地震的不可預(yù)測(cè)性，結(jié)構(gòu)在地震中的損壞程度難以控制，特別是出現(xiàn)超過設(shè)防烈度的強(qiáng)震時(shí)，結(jié)構(gòu)就更難以確保安全。

消能結(jié)構(gòu)由于設(shè)有消能構(gòu)件，他們具有較大的耗能能力，在強(qiáng)震中率先耗能，消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)免遭損壞，從而確保結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中的安全性。

國(guó)內(nèi)外耗能減震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明，消能減震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，地震反應(yīng)減少40～60%。

2）經(jīng)濟(jì)性

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系采用“硬抗”地震的方法，通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、加大構(gòu)件斷面，加大配筋等途徑提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，使結(jié)構(gòu)的造價(jià)明顯提高。

消能減震結(jié)構(gòu)體系是通過“柔性耗能”來減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，可以減小構(gòu)件截面、減少構(gòu)件配筋，而其抗震性能反而提高了。

消能器類型

消能器又稱阻尼器，根據(jù)其自身性能可分為兩類：速度相關(guān)型和位移相關(guān)型。

速度相關(guān)型分為：液體黏滯消能器與黏彈性黏滯消能器；

位移相關(guān)型分為：摩擦型消能器與金屬變形消能器

設(shè)計(jì)單位可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式或減震需求等條件選擇一種或幾種消能器進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)，找到主體結(jié)構(gòu)與消能器之間的最佳平衡點(diǎn)，滿足規(guī)范要求。

在框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)的框架部分目前應(yīng)用較多的消能器有黏滯阻尼消能器、金屬變形消能器（屈曲約束支撐）。剪力墻結(jié)構(gòu)、框架的剪力墻部分為金屬變形消能器類型的連梁型和抗剪金屬型消能器。

目前消能器種類繁多，隨著時(shí)間及技術(shù)的發(fā)展，越來越多消能器涌現(xiàn)出來。目前應(yīng)用的消能器有很多是最新的科研成果，設(shè)計(jì)人員不能默守陳規(guī)，用于開拓思路把最新最好的技術(shù)應(yīng)用到消能減震的設(shè)計(jì)中

附加阻尼比計(jì)算

消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)為附加阻尼比的計(jì)算，結(jié)構(gòu)增加消能器后為非比例阻尼，此時(shí)結(jié)構(gòu)為混合結(jié)構(gòu)。按照振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)過程中，如何快速有效的確定消能器附加阻尼成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前比較常用的有三種計(jì)算附加阻尼比的方法：1.規(guī)范方法（又稱能量法）；2.減震系數(shù)法；3.自由振動(dòng)衰減法

設(shè)計(jì)單位根據(jù)不同需求以及掌握通用有限元軟件的程度選擇合適的方法計(jì)算附加阻尼比。

消能減震結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

我國(guó)在80年代就引進(jìn)消能減震技術(shù)，除了在個(gè)別超限高層外幾乎很少應(yīng)用消能減震設(shè)計(jì)，在這一領(lǐng)域一直落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。

2012年7月，云南省要求學(xué)校、醫(yī)院強(qiáng)制采用減隔震技術(shù)。

2013年12月《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》正式頒布。

2014年2月21日住建部發(fā)布25號(hào)文，推行《關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見（暫行）》其中要求：對(duì)8度及以上醫(yī)院、學(xué)校，重點(diǎn)設(shè)防類、特殊設(shè)防類建筑，安全性要求較高的建筑推薦采用消能減隔震技術(shù)。此后各省市均出臺(tái)相關(guān)細(xì)則，全面推行減隔震技術(shù)。

2016年6月24日在唐山舉辦了《河北省工程勘察設(shè)計(jì)咨詢協(xié)會(huì)應(yīng)用減震隔震技術(shù)會(huì)議》宣布成立河北省減隔震技術(shù)委員會(huì)，部署行業(yè)內(nèi)推廣減隔震技術(shù)。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綜合國(guó)力的提高，勢(shì)必學(xué)習(xí)西方發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)，目前我國(guó)相比發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑抗震性能還是有較大差距，提高建筑的抗震、抗風(fēng)性能，保障國(guó)民生命安全及減輕災(zāi)后修復(fù)重建費(fèi)用迫在眉睫。為此，中國(guó)地震局及中國(guó)建設(shè)部分別于2016年6月1日發(fā)布執(zhí)行第五代《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015以及2016年8月1日發(fā)布執(zhí)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010，2016年局部修訂版。

以廊坊大廠地區(qū)為例，第五代區(qū)劃圖對(duì)該地區(qū)的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了顯著的提高調(diào)整，抗震設(shè)防烈度由原來的8度、設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g提高至8度、設(shè)計(jì)基本地震加速度0.3g；反應(yīng)譜特征周期由原來的0.45s提高至0.55s。經(jīng)過試算27層純剪力墻住宅采用傳統(tǒng)抗震已經(jīng)無法滿足規(guī)范要求及建筑使用功能，墻肢截面厚度達(dá)到了500mm，不得不采用消能減震技術(shù)。

由于第五代《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》實(shí)施前，全國(guó)范圍內(nèi)8度半、三類場(chǎng)地的地區(qū)很少，單純依靠常規(guī)設(shè)計(jì)基本能滿足規(guī)范要求。普通住宅采用消能減震方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求也很少，導(dǎo)致設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位及公眾對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)知之甚少。當(dāng)?shù)谖宕吨袊?guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》實(shí)施后，地震力明顯放大，單純依靠傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不能滿足規(guī)范要求。同時(shí)采用消能減震技術(shù)之后，常規(guī)計(jì)算方法不再適用，要求設(shè)計(jì)人員具備較強(qiáng)的分析能力和更加明確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，設(shè)計(jì)方法抽象難懂、步驟繁瑣，同時(shí)還需驗(yàn)算罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析，需要使用復(fù)雜的國(guó)際通用有限元分析計(jì)算軟件，國(guó)內(nèi)普遍設(shè)計(jì)單位不具備此種設(shè)計(jì)分析能力，間接導(dǎo)致消能減震技術(shù)推廣困難。

被動(dòng)耗能減震系統(tǒng)性能穩(wěn)定、概念清晰而且造價(jià)相對(duì)較低，在結(jié)構(gòu)上設(shè)置非結(jié)構(gòu)耗能元件可以提高其抗震抗風(fēng)性能已經(jīng)得到工程界廣泛認(rèn)可。故廣大建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位需加強(qiáng)認(rèn)識(shí)，積極推廣應(yīng)用消能減震技術(shù)在工程中的應(yīng)用。