建筑消能减震加固技术介绍

薛彦涛

引言

全国既有建筑总量613亿平方米，其中：城市房屋占1/3；需要改造40亿平方米，还有大量的工业建筑。由于历史、使用、规范变更、区域抗震设防变化等原因，建筑需进行抗震加固。采用消能减震技术加固是在现有建筑中安装适当数量的消能器，当建筑遭遇地震作用时，消能器通过结构变形消耗建筑结构的振动能量，将部分建筑结构的动能转为热能消散掉，大大减少建筑结构本身的位移或变形，使原本不能满足承载能力和变形能力抗震目标的房屋达到预期的抗震目标，从而实现房屋的抗震加固目的。从1990年八五科技攻关开始进行消能减震研究工作，1998年完成北京火车站等3个重要工程的消能减震加固。至今，全国已有大量建筑，尤其是中小学校舍、医院的抗震加固采用了消能减震技术。

为进一步规范消能减震加固技术在现有建筑（除古建筑外，建成并投入使用2年以上的建筑）中的应用，经过长期的研究和实践积累，2014年中国建筑科学研究院会同同济大学、清华大学、北京市建筑设计研究院等单位开始编制《建筑消能减加固技术规程》，2019年 4月1日颁布实施，适用于抗震设防烈度为6度、7度、8度、9度地区的现有建筑采用消能减震技术进行抗震加固的设计、施工、验收、维护及消能减震产品检测。本文将基于此规程从加固目标、消能器、计算与设计、施工与验收等方面对建筑消能减震加固技术进行简要的介绍，以期更多人了解这种技术并促进这种技术的发展和其在工程中的实际应用。

加固目标

消能减震加固和传统加固一样需要在抗震鉴定的基础上开展。设防目标除了 “小震不坏、中震可修、大震不倒”的基本要求外，根据近年来房屋抗震设计更加精细化的发展趋势，特别提出采用性能化设计，以满足特殊建筑更优化的加固方案要求和更高的抗震设防目标；性能化设计使房屋加固从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，这种目标可以是针对房屋承重结构的，也可以是针对建筑内重要设备或者非承重构件的，从宏观震害角度可以分为完好无损坏、轻微损坏、中等破坏（一般加固即恢复使用）和不严重破坏（经过大修加固后可恢复使用）四个等级。针对不同的预期目标设计不同的加固方案，在充分的论证后选择最佳加固方案。在《建筑消能减加固技术规程》的基本规定中针对从高到低的四级预期性能目标，给出了“三水准”（多遇地震、设防地震、罕遇地震）作用下建筑的宏观损坏程度、层间变形位移角和承载力要求的具体指标，为按照性能化目标进行建筑加固提供了依据。

消能器

消能器是消能减震加固中的关键装置，它和相关的支撑或者连接构件组成消能部件，安装到现有建筑中，实现抗震加固的目的。消能器通过内部材料或构件的摩擦、来回往复的变形（弹性、塑性或黏性）来耗散或吸收地震能量。其中金属消能器是由各种不同金属材料元件或构件制成，利用金属元件或构件屈服时产生的弹塑性滞回变形来耗散地震能量，由于这种变形是不可恢复的，所以设计意图是只有在发生罕遇地震的情况下才发挥作用。摩擦消能器是由钢元件或构件、摩擦片和预压螺栓等组成，利用两个或两个以上元件或构件间发生相对位移时产生的摩擦做功而耗散地震能量；黏滞消能器是由缸体、活塞、黏滞材料等部分组成，利用黏滞材料运动时产生黏滞阻尼来耗散能量；而黏弹消能器是由黏弹性材料和钢板或圆形、方形或矩形钢筒等组成，利用黏弹性材料的剪切变形来耗散能量的减震装置。摩擦消能器、黏滞消能器和黏弹消能器在风或者小地震作用下就应该进入工作状态。另外屈曲约束支撑由核心单元、外约束单元等组成，是一种利用核心单元产生弹塑性滞回变形耗散能量的减震装置，由于这种支撑可以和钢筋混凝土框架共同工作，适用于超过规范要求高度的框架结构加固（图1）。

根据工作原理划分，黏滞消能器和黏弹消能器属速度相关型消能器，其耗能减震能力与地震中房屋振动的速度有关；摩擦消能器和各类金属消能器（包含屈曲约束支撑）属位移相关型消能器，其耗能减震能力与地震中房屋振动的位移有关。

图1 某幼儿院采用屈曲约束支撑抗震加固

消能器应具有良好的耐久性和环境适应性，在工程使用前应通过相关质量检测。目前，建筑用消能器尚未形成标准化产品，各生产厂家多以工程要求定制产品，其性能稳定性和质量存在很大不确定性，因此，消能器应进行严格的检验。首先，生产厂商应严格出厂检验要求，对黏滞消能器、黏弹消能器和摩擦消能器应进行必要的力学性能检验，出具产品合格证。其次，在工程安装前应进行抽检，检验由具有资质的第三方试验室完成。检验数量根据消能检测后能否使用有所不同，黏滞消能器、黏弹消能器和摩擦消能器检验后仍可使用，抽检数量20%，对重要工程，设计人员可增加消能器的抽检数量。除本规程外，消能器型式检验内容和检验要求应符合现行行业标准《建筑消能阻尼器》JG/T 209和《建筑消能减震技术规程》JGJ 297中相关规定要求。

消能减震技术在结构加固中的应用始于20世纪90年代末，还没有超过现有规范规定的建筑加固后续使用年限，消能器的实际使用年限还未得到验证，只能通过推算的方法预测消能器的使用年限。金属类消能器由于金属材料的稳定性比较明确，只要做好防腐蚀处理，满足加固后续使用年限是没有问题的。黏滞消能器中采用了高分子材料，存在一定耐久性问题，主要是密封件的老化，目前多数生产厂家保证的使用年限是30年。

计算与设计

采用消能减震技术进行加固时，应进行多遇地震下的强度验算和弹性变形计算，同时进行罕遇地震下的弹塑性变形计算。89版建筑抗震设计规范首次提出了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，设计中，小震不坏体现在结构的强度验算和控制弹性

变形，结构承载力满足地震作用效应要求，结构变形满足结构构件和非结构构件不开裂的要求。罕遇地震作用下，通过结构构造措施和弹塑性变形验算，将结构变形控制在极限变形范围内，满足大震不倒的要求。弹塑计算软件日趋成熟，使得结构在罕遇地震下的变形验算成为可能，因此，本规范规定采用消能减震技术加固的结构应进行罕遇地震下的弹塑性计算。

弹塑性计算要求工作人员对计算软件的功能有切实的了解，计算模型的选取应符合本规程及有关标准的规定，设计时对所有计算结果进行判别，确认其合理有效后方可在设计中应用。例如汶川地震中，大量楼梯出现拉断破坏，说明楼梯在结构中起了斜撑作用，计算时，应针对具体结构的不同，考虑其作用，区别对待。框架结构楼梯斜撑作用明显，计算模型应计入楼梯单元；抗震墙结构或楼梯周圈有抗震墙时，可忽略楼梯的作用；其他情况需设计人员根据经验判断。

具体的抗震加固方案应根据房屋抗震鉴定的结果，综合分析现有建筑的现状和加固目标，区别对待，提出合理方案。如果鉴定结果是建筑刚度较小，地震下变形较大，宜采用既能提高结构刚度又能耗能减震的金属或摩擦消能器；如果房屋结构不规则，地震时容易发生扭转和由于相邻楼层刚度突变发生薄弱层破坏，则可以选用屈曲约束支撑进行局部加固。由于作用在结构上的地震作用，通过楼板传递到消能部件上，所以如果房屋楼板整体性不够，比如采用预制楼板，则应在楼面铺40～50mm的混凝土现浇层或采取加强楼面整体性的措施。

以多层和高层钢筋混凝土房屋为例进行消能减震加固，具体可根据所列情况选用位移相关型消能器（含屈曲约束支撑，以下同）、速度相关型消能器等（图2）。

1.房屋刚度不足、明显不均匀或有明显扭转效应时，可采用位移相关型消能器加固。

2.结构构件的承载力不足或抗震构造措施不满足要求且房屋刚度足够时，框架结构可增设速度相关型消能器加固。其他类型的结构可采用位移相关型消能器或速度相关型消能器。

图2 某商场顶层影剧院改造消能减震加固采用软钢消能器和摩擦消能器加固

图3 消能子结构范围

3.刚度和承载力均不满足时，可采用位移型消能器加固。

4.单跨框架，宜设置屈曲约束支撑加固，并在必要时加强楼盖和屋盖的整体性。

消能部件通常沿结构两个主轴方向设置，宜设置在结构相对变形或速度较大的部位，其数量和分布应通过综合分析合理确定。另外消能子结构是与消能部件相关联，并保障消能器发挥作用的结构单元，当消能器仅用于对结构薄弱层加强时，消能子结构范围可取对应加强楼层及其下一层，且向下范围可不超过嵌固层顶，其他情况消能子结构范围应从消能器所在楼层向下一直延伸到嵌固层顶部，如图3所示。

施工与验收

1.消能部件由消能器和支撑或连接消能器的构件组成。按照现行国家标准《建筑工程施工质量验收统一标准》GB 50300对分部、分项工程的划分原则，将消能部件工程划分为结构加固分部工程的一个子分部工程进行施工质量验收。

消能部件子分部工程可按不同施工阶段划分相应的分项工程，其中消能部件原材料和成品的进场验收，是指进入消能部件各分项工程实施现场的主要原材料、标准件、成品件或其他特殊定制成品（如消能器等）的进场验收。

消能部件中附加钢结构的制作，可划分为钢零件及钢组件的加工、钢构件组装、组装的焊接连接、紧固件连接、钢构件预拼装、钢构件防腐涂料涂装等六个分项工程。

消能部件安装维护，可划分为消能部件安装、安装和焊接连接、紧固件连接、消能部件防腐防火涂料涂装等四个分项工程。

各阶段的施工作业，应根据具体工程设计情况确定其所含的分项工程。

检验批是分项工程施工质量管理和验收的基本单元，可根据与施工方式一致且便于质量控制的原则划分。消能部件分项工程的检验批，可按主体结构检验批的划分方法确定，例如按楼层、施工流水段、变形缝等划分。

2.消能器进场验收时应提供产品合格证或产品自检合格报告；监理（建设单位）对消能器的检验内容为：消能器的规格型号、性能参数、制作偏差、外观、包装，以及针对本项工程的具有检测资质的（至少包括CMA检测资质）第三方产品抽检报告。

3.消能器进场后应由设计单位、施工单位、监理（建设单位）共同确认并委托具有相应资质及检验能力的第三方机构进行抽样检验。

消能器制作是一项专门技术，其采用的材料除钢材、焊接材料和紧固件外，还有油、橡胶及其他黏滞材料，以及摩擦材料、矿质材料、涂料等。因此，产品在进场时各类材料以及消能器成品应具有质量合格证，并注明成品的规格型号、性能参数、制作偏差等，应符合现行行业标准《建筑消能阻尼器》JG/T209及设计文件的规定。

消能部件维护

为保证消能部件在地震作用下能正常发挥预定功能，确保建筑结构的安全，并为以后工程应用和标准修订积累经验，业主或房产管理部门应在建筑结构使用过程中进行维护管理。定期检查是由物业部门对消能部件本身及其与建筑物连接的状况进行的正常检查，其目的是力求尽早发现可能的异常以避免消能部件不能正常使用。消能器达到使用年限后应进行抽样检验，抽样率不小于3%，当检验结果不合格时，应加大一倍数量进行检验，如检验结果仍不合格时，应进行全数检验，并对不合格的消能器进行更换。

当遭遇多遇地震时，结构变形较小，消能器位移也不大，通常不需要进行特别关注，只需增加一次常规检查即可。结构遭遇设防地震和罕遇地震后，消能器会发生较大变形，检查时应对消能器、支撑和连接节点进行认真检查。罕遇地震后还应对消能器进行抽检，检验内容由设计单位确定。

结束语

多年来我国在采用消能减震技术进行抗震加固方面开展了大量的试验研究，取得了系统的研究成果，并在实践中积累了丰富经验。采用消能减震加固方案可极大减少对结构构件的直接加固，只需要对与消能减震部件相连接的构件进行加固，是这种技术最大的优势。鉴于消能减震加固能大幅提高建筑的抗震能力，使现有建筑采用消能减震加固后达到更高的抗震设防目标，消能减震加固非常适用于有性能化设计需求的工程。

消能减震技术适用范围较广，可用于不同结构类型和高度的建筑加固。消能器利用结构变形消耗能量，因此需要结构有一定的变形能力，钢筋混凝土框架结构、框架抗震墙结构、框架- 筒体结构、混合结构、钢结构等都具有较强的变形能力。此外，底框结构（底部框架上部砌体结构）中的底部框架、内框架砌体结构、单层及多层工业厂房也可采用消能减震技术加固；装配式建筑可根据其结构特点选用适合的消能减震技术。实践证明这种加固技术力学机制明确，在未来的钢筋混凝土和钢结构建筑加固中比传统的加固技术有更广泛的应用空间，也更为经济有效。尤其是钢筋混凝土框架结构，采用消能减震技术进行加固，无论是加固效果、加固工期，还是加固成本，都是较优的选择。但这种加固方法对设计人员的综合素质要求较高，尚未形成标准化产品，各生产厂家多以工程要求定制产品，其性能稳定性和质量存在很大不确定性。