探究消能减震技术在工程中的应用

赵屹峰

（广东省建筑设计研究院）

地震是一种突发且危害性极大的自然灾害，传统的抗震结构很难进行有效的抵抗，因此一旦发生将对人民群众的生命和财产安全造成严重的影响。随着科学技术的发展，抗震结构也在不断的创新发展之中，消能减震结构的出现及应用，有效的保护了建筑物的整体结构，避免因为坍塌所所造成的严重经济损失，使地震发生时，人们的生命财产安全得以更多保障。

1 消能减震结构原理及特点

1.1 原理

所谓消能减震技术就是在结构的楼层空间、剪力墙或者节点等部位设置阻尼元件或者耗能装置，通过这些元件和装置产生弯剪扭变形来耗散或吸收地震能量，有效减少结构的地震反应，从而避免结构破坏或者倒塌，使其达到减震的目的。

消能减震可从能量的角度来进行描述（图1），传统抗震结构（1）和消能减震结构（2）在地震中任意时刻的能量方程为：

式中：Ein、Ein′是地震过程中输入体系的能量；Ev、Ev′是结构体系的动能；Ec、Ec′是结构体系的粘滞阻尼耗能；Ek、Ek′是结构体系的弹性应变能；Eh、Eh′是结构体系的滞回耗能；Ed′是耗能元件或阻尼装置吸收或耗散的能量。在消能减震结构体系中，耗能元件或阻尼装置在主体结构进入非弹性状态之前进入耗能状态，消耗大量大部分输入结构体系的地震能量，结构反应将会大幅减小，有效地保护主体结构[1]。

图1 结构能量转换途径对比

1.2 分类

消能减震装置根据耗能的依赖性可分为位移相关型和速度相关型。位移相关型包含摩擦耗能器（图2）、铅挤压阻尼器刚弹塑性阻尼器等，速度相关型包含粘滞阻尼器（图3）和粘弹性阻尼器等[2]。

1.3 优势

图2 Pall 摩擦型耗能器及典型滞回曲线

图3 Pall 油阻尼器及典型滞回曲线

与传统意义上的抗震结构相比较而言，消能减震结构具有两方面的优势：①消能减震结构更为安全，这主要体现为在安装消能减震装置的过程中，能够做到安装位置明确，并且其中的主要耗能装置能够把地震发生之时所产生的大部分能量消耗掉，保证建筑物的稳定性，防止建筑物出现断裂，有效的保障了人民群众的生命财产安全；②消能减震结构比较经济，这主要是由于消能减震结构当中的主体结构以及耗能结构有着明确的分工，在整体结构当中能够有效地降低了震发生之时，荷载对结构的影响，提高了抗震安全系数，并且，消能减震结构的应用，能够降低建筑物在建筑施工过程中5～10%的工程造价，在对旧建筑物进行加固的过程中也能够节省10～60%的造价，提高了相关的建筑施工企业的经济效益，也有利于建筑物抗震质量的提高[3]。

2 消能减震结构设计要求

2.1 消能装置的设置

消能装置应该沿着结构两个主轴方向设置，并布置在层间变形较大的位置，分布和数量通过综合分析确定。

2.2 消能装置的性能要求

消能装置应具有适当阻力且有能力足够吸收和耗散大量的地震能量。消能装置附加给结构的有效阻尼比宜大于15%，超过25%宜按照25%计算[4]。消能装置应有足够的初始刚度、良好的耐久性、构造简单易施工等特点[5]。

3 消能减震结构的工程应用

3.1 计算模型

消能减震装置目前大幅应用在工程中。本文选取了广州某工程进行分析。其基本信息如下：四层地下室，负一层地下室顶板高±0.000，地上部分共有三座塔楼，其中最高的为184m，其余两座99m。周边还有一栋接近300m 的高层建筑（图4），分析软件采用Midas Gen。

图4 MidasGen 模型图

图5 粘滞阻尼器参数信

3.2 粘滞阻尼器基本信息

高层与地下空间的空隙长170m，深22m，每层放22～23 根粘滞阻尼器连接，共180 根粘滞阻尼器。定义粘滞阻尼器的非线性特征值如图5 所示。通过计算对比进行调整，连接弹簧刚度取105kN/m 时能达到减小基底剪力的效果。现调整消能器阻尼值分析所添加的粘滞阻尼器对基地剪力的影响。

3.3 分析结果

从图6 可看出，通过添加粘滞阻尼器，能够起到减小基地剪力的作用，减小量趋近11000kN。但由于粘滞阻尼器连接的地方标高在±0.000 以下，地震作用下位移较小，因此地震作用减小幅度不如在地上位置明显，但是依然减小了基地剪力。

4 结语

图6 阻尼与基地剪力关系曲线

综上所述，随着社会经济的发展，人们生活质量水平的提高，对于居住环境的要求越来越高，而消能减震结构的应用，能够有效的提高建筑物的抗震能力，为人民群众提供安全的居住环境[6]。但是，一些地下空间结构需要将消能装置设置在地下，如何更好地发挥消能装置的作用，有待进步一进行研究。

[1]张美华.建筑抗震概念设计[J].石油规划设计，1997（1）：23～25.

[2]周云，宗兰，等编著.土木工程抗震设计[M].北京：科学出版社，2005.

[3]赵斌华.消能减震结构的设计方法研究[D].西安建筑科技大学，2014.

[4]周云.高层建筑结构设计[M].武汉：武汉理工大学出版社，2012.

[5]张文芳，靳斤平，等.工程结构消能减震控制的研究与应用[J].2005.12.

[6]陈星，欧妍君，等编著.现代地下空间结构研究及应用[M].广东：中国建筑工业出版社，2015.