消能减震技术研究与应用研究

2021-12-05曹谨谦云南省曲靖市建筑工程勘察设计审查管理站

门窗 2021年2期

曹谨谦云南省曲靖市建筑工程勘察设计审查管理站

1 前言

地震几乎每天都在发生，它是一种自然现象，相对较小的地震或在深海中发生的地震通常不会引起人们的注意，因为它们不会损坏建筑物。但是，大陆附近发生的大地震具有很高的破坏性，并造成许多人员伤亡和巨大的经济损失。如何减少这些地震对建筑物的破坏，逐渐成为研究者们热议的话题。消能减震技术的发明与应用，大大减轻了地震的破坏性。

2 传统抗震技术

研究人员进行了许多有关如何减少对建筑物结构的破坏的科学研究，并提出了很多实用方法。主要从三个角度出发。

第一是如何提高结构本身的抵抗力，使其抵抗外部地震。传统方法是增加结构的强度和刚度以使其更坚固。相对容易实现，效果清晰实用。它主要是通过拉伸梁和柱并加强节点的结构措施来实现的。但是这种结构在进行结构抗震是以牺牲自己来抵抗地震，其往往在地震中破坏会比较严重，这对于后期的救援和灾后重建不利。

第二是在结构上安装耗能设备，该耗能设备吸收大部分地震能量以达到保护结构的目的，这种方法应在建筑结构中广泛使用。

第三是为了防止地震能量传播到结构上[1]，减少结构地震响应的常用方法是在建筑物和结构之间添加防震垫，从而有效地减少了地震能量的传播。隔震建筑物虽然广泛用于降低结构的地震响应，但对上层建筑的高度更敏感，因此广泛用于桥梁结构和一些多层建筑中。

3 消能抗震技术

3.1 消能减震技术的基本原理

能量耗散和减震技术是指阻尼器的相对运动引起的相对变形或相对加速度，以便在结构体的特定部分安装阻尼器并提供额外的阻尼以消散一些地震输入能量。在建筑物中要达到抗震和抗风的作用。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，消能装置直接安装在结构的特定部分（中间地板，空间，节点，接缝等）上[2]。在小风或频繁地震（小地震）的作用下，消能构件（或消能装置）与原始建筑结构共同作用，结构本身仍处于弹性工作状态，并符合结构变形和位移规范。正常使用条件的要求：在强风或大地震（罕遇地震）下，结构的侧向位移会增加，从而使消能杆或消能减震装置产生更大的阻尼并耗散更多的能量。它可以迅速抑制地震和风振产生的结构的动力影响，防止建筑结构达到弹塑性状态，并且不可逆地使结构的某些部分变形或破坏。

3.2 结构消能减震装置的类型

建筑物的能量消散和衰减技术是在建筑物的某些部分中安装能量消散装置（例如，支撑，节点，剪力墙，接缝或连接器，地板空间，相邻建筑物，主要结构等）。该能量装置具有足够的初始刚度，在风载荷或小地震下保持其弹性状态，并且具有足够的侧刚度以满足使用要求。在中度或强烈地震的情况下，随着结构的侧向变形的增加，消能器首先进入非弹性运行状态，从而产生较大的阻尼，并消耗大量输入到结构和主结构中的地震能量看起来似乎是无弹性的，因此，在中等强度的地震下，它不会对主要结构和组件造成严重破坏[3]。消能器的类型有很多，在结构中安装阻尼器形成消能减震结构，通过消能器的耗能达到保护主体结构的目的，目前广泛使用的消能器有屈曲约束支撑、黏滞阻尼器、摩擦阻尼器、金属剪切阻尼器、黏滞阻尼墙等。常用的消能器主要是屈曲约束支撑和黏滞阻尼器。

3.2.1 屈曲约束支撑

屈曲约束支撑件主要由三部分组成：芯材料，外套管和填充材料之间的填充材料，应在新材料和填充材料之间涂上非粘合层或空气层。屈曲约束支撑不仅消耗能量，而且还可以充当结构构件。因此，在结构上使用屈曲约束可以改变结构的刚度。如果正常使用该结构，则屈曲约束件将处于弹性状态，可以承受一些作用力。屈曲约束支撑件广泛用于多层、高层和超高层结构中，不仅可以用于钢结构，还可以用于钢筋混凝土结构。

3.2.2 黏滞阻尼器

黏滞阻尼器首先用于军事领域。黏滞阻尼器在结构振动控制中的应用始于1980年代。随着科学研究的发展，黏滞阻尼器正在不断改进，目前在实际工程中的应用比较成熟。黏滞阻尼器的制造原理是：粘性流体通过孔口时会产生黏滞阻尼力，结构的黏滞阻尼器不会改变结构的刚度，而只会改变结构的阻尼。黏滞阻尼有缸式、筒式和黏滞阻尼墙，应用比较多的是缸式的黏滞阻尼器。

3.3 结构消能减震装置的特点

大量的研究和应用表明，在建筑物的适当位置合理设置消能部件后，结构在地震作用下具有如下特征。

①可以同时减少结构的水平和垂直地震作用；

②如果结构具有足够的附加阻尼，则可以满足罕遇地震预期的结构位移控制；

③由于消能装置不改变结构的基本构成，因此消能结构的抗震构造与一般结构相比并没有减少，相反，由于消能器相当于在结构上增加了一道防线，其抗震安全性会大大提高；

④能量耗散结构不限于结构类型和高度。它具有广泛的应用范围。

4 消能减震技术应用

（1）自从1970年代提出阻尼控制的概念以来，理论和实验研究就逐渐开始于能量耗散和阻尼技术以及诸如隔震、被动和主动控制等一系列技术。在1980年代后期，许多国家逐渐研究了如何将流体阻尼器应用于建筑结构，其中美国和日本是最早在这一领域进行研究的国家。1995年，西雅图西桥安装了流体阻尼器，以减少在甲板上摇摆的影响。根据日本的统计，日本有100多个采用减震技术的房屋结构和建筑项目。希腊和平与友谊体育场是一个具有良好抗震和减震性能的典型项目，由美国泰勒公司开发的总共128个泰勒流体阻尼器安装在支柱的顶部，大大减少了支柱和车顶的影响以及地震引起的柱的相对位移和力。2007年，秘鲁发生8.0级地震，秘鲁首都利马机场基本未损坏，因为安装了42个黏滞阻尼器。美国著名的西雅图棒球场有一个敞开的车顶，并安装了4个7m长的减震器，以减少在车顶打开和关闭时对主体结构的冲击和振动。在门架运动的冲击点安装了泰勒在美国开发的泰勒液压减震器，它不仅降低了加载效果而且还节省了大量材料。该项目的总成本超过400万美元，已成为使用能耗和减震的世界典型项目。

（2）国内对减震器的研究起步开始很晚，系统研究也在逐步进行。在1990年代初期，来自同济大学和研究机构的学者开始研究粘性流体阻尼器。其中，Southeastern率先系统地、全面地研究了粘性阻尼器，并于1999年首先完成了两种经典的阻尼器：单端粘性阻尼器和养蜂粘性阻尼器，随后开发了各种模型。其中，粘性流体阻尼器，经过对比试验研究和进一步改进，获得了国家专利。1999年，欧金平教授通过理论和实验对气缸间隙阻尼器进行了系统的研究。在同一时期，外国产品被引入中国。1999年，法国粘性阻尼器进入中国。中国建筑科学研究院使用该阻尼器加固了北京饭店，它是我国第一个粘性阻尼器。2004年，北京银泰中心安装了73个粘性阻尼器，以降低结构在风荷载下的峰值加速度。2005年，在南京奥体中心旅游塔内安装了30个粘性阻尼器，以控制风的振动响应。此外，苏通大桥和宿迁建设大厦采用了各种类型的粘性阻尼器，以提高车身的抗风性或抗震性能。

（3）在国内外粘性阻尼器的研究与发展的基础上，阻尼器的发展趋势分为以下几个方面。一方面，在结构模型上安装粘性阻尼器后，将模型应用于振动台。另一方面，对具有阻尼器的结构进行实验以获得分析结果和实验结论、数值分析、理论分析和计算，以获得研究结果。考虑到我国的实际情况，我国消能减振器研究的应用和发展可以根据我国现有的结构分析软件以及相关的设计规范，对阻尼结构进行设计、分析和连续优化，以使分析过程最终应用于实际项目的设计和施工。我国于2016年发布的《建筑抗震设计条例（2016年版）》增加了抗震和消能的内容，提出了设计方法，并针对消能和抗震技术的应用提出了几种具体的实施方法。美国FEMA356标准还对粘性阻尼器的设计做出了具体规定。随着许多国家对消能结构的广泛研究和应用，人们设计方法的探索和设计原理的研究将成为土木工程领域的重要课题之一。

5 消能减震技术未来发展方向

消能技术在防震减灾中的具有很多优势，但我国消能减振技术的应用尚未完成。仍然存在一系列需要研究的问题和困难。

①综合考虑各种因素（温度，湿度，开裂程度等）的影响；

②开发更经济实用的高性能消能部件；

③开发简便且符合设计习惯的消能减震设计软件；

④深入研究能量耗散系统中的材料问题；

⑤制定具体的能量耗散和衰减构造方法质量检查标准的技术和规范；

⑥建筑功能的协调和维护；

⑦能量消散和衰减系统；

⑧一种优化的匹配设计方法的研究，该方法综合考虑了建筑形式、结构系统、建筑材料；

⑨加强能量分析方法在结构地震控制系统中的应用研究。

许多研究和文献表明，为什么黏滞阻尼结构，粘弹性阻尼结构和金属耗能结构可以广泛应用于土木工程的各个方面，包括新建筑物的振动控制和现有结构的加固。这是因为安装能量消耗装置的结构可以增加结构的阻尼，显著降低结构在外力作用下的动态响应，并增加能量的消耗能力，层间剪切，层间位移，顶点位移和顶点加速度等地震响应明显降低。目前，美国，日本等国家和我国台湾地区等对消能减震器的研究和应用越来越多，并取得了有效的成果。我国是一个幅员辽阔，地震频发的国家。由于局限性，对地震的预测技术还存在一些不足。因此，为了尽可能减少或避免地震灾害，我国必须从结构本身入手，加强减震研究与实验，以及实用新型耗能增强型能量吸收减振器的开发与应用研究。