消能建筑技术在结构改造加固中的应用

杨劲松 张凡辰 王宇鑫

摘 要：早期进行的抗震加固大多是借助钢筋网片喷射混凝土、粘钢法等提升结构构件强度以处理抗震问题。但在具体应用期间，这一依靠提升刚性结构的抗震方法并未考虑到减震消能本身的作用，使得地震出现后无法减慢震波所出现的位移。尽管传统性抗震结构在进行物理加固后所具有的抗震性能得到提升，但是，如果碰到更强烈的地震，就会因为建筑较大而使得结构构件出现震裂，让建筑整体受到破坏。

关键词：消能建筑技术;结构改造;加固;应用

1 传统抗震技术

直到今天，人类也很难提前预测地震，这种危害极大的自然灾害。每次大地震的发生，都会给人类带来经济损失或者巨大伤亡事故。20世纪70年代，人们逐渐关注建筑结构的抗震性能，提出了从概念出发的抗震设计理念。在严重灾害面前，人们开始意识到抗震设计与结构内力计算设计、结构构造设计一样必要。利用结构自身的抗侧刚度来抵抗地震作用产生的变形，是传统抗震手段。但是地震在开始的时间、发生的地点和作用强度等方面具有很大的随机性，建筑的地震反应与结构的动力特性、结构所在的场地以及地震波的频谱特性等均有联系，这直接导致为了安全，不断加大柱子、剪力墙等截面和钢筋用量，造成一定的材料浪费。虽然人们对地震进行长时间大量的研究，但迄今为止仍不能精确地预报地震的发生，对地震仍然缺乏足够的认识。按照一般的建筑结构抗震设计方法，对地震能量和特性以及使结构产生的效应的估计是不精确的。

2 消能减震技术的基本原理

国内对阻尼器的研究起步较晚，系统的研究正在逐渐展开。20世纪90年代初，同济大学等大学及科研院所的学者们开始对粘滞流体阻尼器进行探索。其中东南大学率先系统全面地研究粘滞阻尼器，于1999年初步完成了两类经典的阻尼器，即单出杆粘滞阻尼器和双出杆粘滞阻尼器，后来又研制出多种型号的粘滞流体阻尼器，并通过对比试验研究和进一步改进，获得国家专利。消能减震技术是指把结构主体的某些部位设置阻尼器，通过阻尼器发生相对运动产生的相对变形或相对加速度提供附加阻尼，来耗散部分输入建筑的地震能量，达到减震抗震的目的。消能杆件是由结构中的支撑、剪力墙、连接件等构件设计成的，消能装置是在结构的某些部位（层间、空间、节点、连接缝等）直接安装。在小风作用下或遭遇多遇地震（小震）时，消能杆件（或消能装置）和原建筑结构共同作用，其结构本身仍处于弹性工作状态，结构变形、位移等满足规范规定的正常使用状态要求;在强风作用下或遭遇大震（设防地震、罕遇地震）时，结构侧向位移增大，使得消能杆件或消能减震装置产生较大的阻尼，耗散较多地震和风振产生的能量，使结构动力作用快速衰减，从而避免建筑结构达到弹塑状态，使结构某些部位发生不可逆转的变形或破坏。

3 消能装置的各个种类、性能、恢复力模型

建筑结构消能减震器有粘滞消能器、粘弹性消能器、金属屈服型消能器和摩擦型消能器等几种;消能减震装置有摩擦型阻尼器、金属屈服阻尼器、粘弹性阻尼器。

3.1 摩擦型阻尼器

摩擦型阻尼器就是借助元件之间出现的滑动而实现耗能，消能器的特征就是横连板、竖连杆一同构成四连杆，摩擦型阻尼器借助X形支撑发挥出消能作用，且其支撑可无需考虑到支撑临界力所带来的影响。支撑构件一直都保持拉压的变形量间相等，压杆屈服作用对支撑的耗能效果不会带来影响。

为了将四连杆组件的耗能发挥到极致，这一组件的尺寸应适宜。其余摩擦型阻尼器主要还包括了长孔滑移型螺栓节点阻尼器、摩擦剪切铰阻尼器。以上阻尼器本身的摩擦耗能与库仑特性都较为良好，且可以参照需求来选取更为适宜的起滑荷载，获得适当的抗侧刚度，在出现小震后，摩擦阻尼不会发挥出作用，消能器可给予建筑附加刚度，在出现大地震后，借助消能器本身的移动来进行耗能，减少建筑所受到的破坏。

3.2 金属屈服阻尼器

金属屈服阻尼器借助软钢屈服所得到的塑性变形来进行能量耗散的。由于软钢在得到屈服后所具有的滞回特性更良好，所以有研究人员研究并分析了三角形、X形钢板屈服消能器所具有的特性，这一软钢板消能器具有更为稳定的滞回特性与较为良好的低周疲劳性能，且对环境具有更强的适应性，长时间稳定性也更为良好。此外，铅阻尼器也十分普遍，由于铅熔点较低、密度较大，所以其在出现变形后，可吸收到大多数的能量，且其具有更强的变形可追踪能力，借助动态性回复与再结晶等有关的过程就能够恢复至初始状态下;这一阻尼器通常配备了橡胶垫，类似于摩擦型阻尼器，金属屈服阻尼器，不但能给予建筑更为充足的刚度，还能给予更多的阻尼。

3.3 粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器就是借助粘弹材料本身的剪切变形来对地震能量进行耗散。在粘弹性阻尼器中，主要包括了约束板、粘弹性材料等，其中间材料是具有粘弹性的一种高分子材料，具有弹簧、流体阻尼等各类特性，且还具有粘性。

在建筑设计与使用中，科学地应用部分粘弹性阻尼器能提升建筑的阻尼系数，如此，建筑本身的震损水平就会大幅下降。粘弹性阻尼器对比其余种类的消能减震装置而言，具有以下优势。

3.3.1 出现轻微的结构振动就能马上发挥出消能作用。因此，处于极小的弹性振动下，也具有十分良好的控制振动作用。

3.3.2 力–位移的滞回曲线趋近于椭圆形，其耗能性能十分良好。在高层钢结构中，安置粘弹性阻尼器总体的阻尼能够增大数倍，所以可减少高层钢建筑受到地震力、风力后所引起的振动。

4 在建筑中隔震加固技术的应用

在建筑结构设计中，隔震措施比较多，其中比较典型的隔震措施有3种：基础隔震、层间隔震、特殊材料隔震。通常情况下，在特殊材料所建的地基中，特殊材料主要有3种：黏土、砂子和沥青。

4.1 相对而言，采用基础隔震所取得的隔震效果更加明显一些，一般基础隔震措施会应用于形态规则的建筑之中。基础隔震设计中，常用的隔震装置主要有两种，即铅心橡胶隔震支座和叠层橡胶隔震支座。

4.2 层间隔震措施就是将抗震和隔震结合到一起。层间隔震的基本原理是在原来的结构上安装耗能减震装置，这种装置是由质量（增层结构、隔热层或质量块）和隔震支座所构成。

4.3 特殊材料隔震可以使地震波被削弱，从而使地震作用降到最低。在以往的建筑中，有很多建筑使用的材料是砂子和黏土，用这两种材料进行基础层建设，从而降低地震的作用力。如今，建筑能夠使用的隔震材料越来越多，还出现了弹性隔震砖，也就出现了新的隔震技术，通过使用特殊的技术特殊的材料进行基础层建设会大幅降低地震影响。

5 结语

近年来，我国在消能减震抗震加固技术领域进行了大量的试验研究，取得了系统的研究成果，并在实践中积累了丰富的经验。该技术的最大优点是可以大大减少结构构件的直接加固，只需对与耗能减震构件连接的构件进行加固。鉴于消能减震加固能大大提高建筑物的抗震能力，使既有建筑物在采用消能减震加固后能达到更高的抗震设防目标，消能减震加固非常适合有性能化设计要求的工程。

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