消能减震技术分析与研究

2021-03-07高娜娜张永齐

家园·建筑与设计 2021年18期

高娜娜张永齐

摘要：消能部件，在强地震中能率先消耗结构的地震能量，迅速衰减结构的地震反应，保护主体结构和构件免遭损坏，确保结构在强地震中的安全。

关键词：消能减震、屈曲支撑、阻尼器

一、消能减震研发背景

1976年7月28日，唐山发生了里氏7.8级的强烈地震，这次地震的一个重要特点就是位于震中区的建筑物普遍倒塌。震前唐山市的基本烈度定为6度，各类多层钢筋混凝土框架结构大多未按抗震要求设防。在9、10度区，框架遭受中等或严重破坏甚至倒塌，主要震害是：梁柱节点或柱端混凝土严重压碎，钢筋严重压曲，节点破坏后柱端水平断裂、错位，主体承重结构破坏尤其是承受重力的竖向构件（柱）的破坏，从而造成整个框架结构的倒塌。现场很少有倒塌瓦砾离原结构位置较远的情况，说明水平地震运动的往复作用破坏了结构，使之成为局部或整体可动机构，而最后倒塌则主要是结构丧失了承受竖向载荷的能力所致。

二、消能减震技术的发展

地震破坏力巨大，给人们的生命财产带来不可估量的损失。为促进防震抗震研究，提高建筑工程抗震设防能力，国家和地方先后发布了相关法律法规、产业政策、技术标准等，以规范和鼓励建筑减隔震技术的发展。

2008年汶川地震后，整个社会对建筑抗震安全高度关注，各级地震主管部门不同程度地对新建学校、幼儿园、医院等建筑提出了更高的抗震设防要求。

住房和城乡建设部于2014年2月份提出了《住房城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见（暂行）》（建质[2014]25号），其中具体要求包括“位于抗震设防烈度8度（含8度）以上地震高烈度区、地震重点监视防御区或地震灾后重建阶段的新建3层（含3层）以上学校、幼儿园、医院等人员密集公共建筑，应优先采用减隔震技术进行设计”。

2019年国家发改委发布《产业结构调整指导目录》及司法部发布《建设工程抗震管理条例（征求意见稿）》，提出“位于高烈度设防地区的新建学校、医院、应急指挥中心等应当采用减震隔震技术。鼓励地震灾后重建或位于地震重点监视防御区的学校、医院、应急指挥中心和其他人员密集公共建筑等采用减震隔震技术”。

山东省住房和城乡建设厅于2015年5月发布“关于积极推进建筑工程减隔震技术应用的通知”（鲁建设函[2015]12号），通知中提出：

（1）以下工程设计应采用减隔震技术：

1）抗震设防烈度8度区和7度（0.15g）区的特殊设防类（甲类）工程;

2）抗震设防烈度8度区的新建3层以上（含3层）中小学、幼儿园的教学用房、学生宿舍、学生食堂等人员密集的公共建筑;

3）抗震设防烈度8度区的新建医疗建筑中三级医院的门诊、医技、住院用房。

（2）以下工程设计时应优先采用减隔震技术：

1）抗震设防烈度8度区的二级医院的门诊、医技、住院用房，县级及以上的独立采供血机构的建筑，和抗震设防烈度7度（0.15g）区的三级医院的门诊、医技、住院用房;

2）7度0.15g、Ⅲ类或Ⅳ类场地土以及8度的重点设防类（乙类）工程。

三、消能减震技术与传统结构抗震设计的区别

传统的建筑结构抗震设计，通过增加结构构件的强度、刚度和延性来提高结构构件的承载力，抵御地震作用。简单来说就是地震力越大，结构构件就需要越强，即“以刚制刚”的“硬抗”，而地震力在建筑结构中的作用，却恰恰也是“吃硬不吃软”，构件截面越大，其所吸收的地震力越大，因此设计时只能不斷加大配筋、增大截面，但这种设计对建筑功能的使用有很大影响，使建筑功能得不到发挥。

相对于传统设计思路，建筑结构体系采用消能减震技术后，面对地震就像是打太极一般能够“以柔克刚”进行“消能”。消能减震技术的作用原理是在结构会产生相对的部位（如支撑、剪力墙、连接缝或连接构件）设置耗能（阻尼）装置（或元件）。在主体进入非弹性状态前装置（或元件）率先进入耗能工作状态，通过该装置产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）弹塑性（或粘弹性）滞回变形来耗散能量或吸收地震输入结构的能量，以减少结构的自振频率，从而减少主体结构的地震反应，即减小结构的损坏或保证结构正常使用。

四、消能减震装置特点与分类

（一）结构消能减震装置的特点

1）可同时减少结构的水平和竖向地震作用，结构类型和高度均不受限制，适用范围广;

2）可使结构具有足够的附加阻尼，以满足罕遇地震下预期的结构位移要求;

3）不改变结构形式，结构设计仍按规范对相应结构类型的要求执行即可。

（二）消能减震装置类型

1）位移型阻尼器的特点是既有一定的刚度可用于对结构体系的调节，又具有一定的耗能能力，为结构提供附加阻尼比，起到消耗地震能量保障主体结构安全的作用。

位移型阻尼器中应用最为广泛的是屈曲约束支撑（BRB）、剪切型软钢阻尼器（MD）、摩擦型阻尼器（FD）、连梁型金属阻尼器（PCD）和双阶屈服钢连梁。

2）速度型阻尼器的特点在于其阻尼力的产生与结构变形的速度相关，变形的速度越快，则阻尼力越大。目前国内常用的速度型阻尼器为黏滞阻尼器（FD）。

五、消能减震技术的应用

1、工程概况

本工程为某地区医技楼，地上五层，框架结构，结构高度 23.70m，抗震设防烈度 7 度（0.15g），设计地震分组第三组，场地类别Ⅲ类，Tg=0.65s。抗震设防分类为重点设防类（乙类）。根据《山东省防震减灾条例》的要求，按照8度（0.20g）进行地震作用计算，按8度采取抗震措施，同时需采取减隔震技术。

在本项目中，底层框架柱的主要截面尺寸需要到达1050mmx1050mm。医疗建筑功能复杂，各层平面布局无规律，设备管线错综复杂，结构竖向构件的布置位置和大小限制很严格。在功能复杂、设备繁多的医疗建筑中，这些空间损失给业主带来的影响，远比土建成本的增加更为严重。

经过分析计算，结构的最大层间位移角1/570，刚刚满足规范1/550的要求。

通过引入消能减震技术，采用了BRB（屈曲约束支撑）+混凝土框架结构体系。经过传统框架与减震框架的对比分析，在框架柱尺寸减小的基础上，结构的抗震性能反而有所提升，结构层间位移角均超出规范限值，结构刚度增加，框架柱承担的地震剪力减小（部分由减震装置承担）。

六、结论

高烈度区的中小学、幼儿园、医院等重点设防类的建筑，建议采用减震技术的建筑进行结构设计，增加结构抗震性能，提高结构的强度、刚度，增强延性。

减震设计是一种体系设计，需要阻尼器、连接件与主体结构协调设计、配合，单一的追求阻尼器的参数往往难以达到理想效果，设计院与厂家需要密切配合沟通，共同完成消能减震方案的设计和相关计算分析。

参考文献

（1）《住房城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见（暂行）》建质【2014】25号文

（2）《建设工程抗震管理条例（征求意见稿）》2019

（3）《山东省住房和城乡建设厅关于积极推进建筑工程减隔震技术应用的通知》鲁建设函[2015]12号文

（4）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010（2016年版））

《建筑消能减震技术规程》（JGJ297-2013）