消能减震技术在工程中的应用

宋文辉

摘要：结构消能减震的实质是在结构中设置消能器，地震时输入结构的能量率先为消能器吸收，大量消耗输入结构的地震能量，有效衰减结构的地震反应。由于地震的不可预测性，结构在地震中的损坏程度难以控制，特别是出现超过设防烈度的强震时，结构就更难以确保安全。故而提高建筑的抗震性能，保障国民生命安全及减轻灾后修复重建费用迫在眉睫。

关键词：廊坊大厂地区；消能减震原理；消能器；

消能减震概念

结构消能减震技术主要指的是在结构的某些部位，如层间空隙、节点连接部分或者连接缝等一些位置安装消能减震装置，或者是将结构的支撑、连接件或非承重剪力墙等一些次要构件设置为能够消能的构件。在地震来临时，这些装置或者构件可以通过摩擦、塑性变形、粘滞液体流动等一些变化，为结构提供较大的阻尼，消耗地震动输入的能量，消减主体结构的地震动反应，从而起到保护主体结构安全的作用。

与传统增大截面抵抗地震作用不同，消能减震技术主要是通过消能减震构件吸收、消耗地震能量降低主体结构地震响应，是建筑物抗震的另一个有力手段。消能减震技术中，安装消能器增加结构阻尼的被动消能减震方法，由于其传受力明确、安装维护方便、制作成本低、适用范围广等特点，受到业内人士的青睐。

消能减震原理

结构消能减震的实质是在结构中设置消能器，地震时输入结构的能量率先为消能器吸收，大量消耗输入结构的地震能量，有效衰减结构的地震反应。消能器在地震中起到结构附加阻尼和附加刚度的作用。相比常规设计提高结构的抗震性能只能通过增加结构构件尺寸或者钢筋的方法，更加经济合理高效，这也是消能减震结构具有经济性优势的主要原因。

结构在地震中任意时刻的能量方程为：

传统结构：E_in=E_v+E_c+E_k+E_h

消能减震结构：E_in^=E_in^+E_c^+E_k^+E_h^ 〖+E〗_d

在消能减震结构体系，布置在结构中的消能器能在主体结构进入弹塑性变形前率先发挥耗能的作用，大大减小结构的地震反应，从而有效保护主体结构。

消能减震优越性

消能减震结构体系与传统结构体系相比，具有如下优越性：

1）安全性

传统抗震结构体系实质上是将主体结构（梁、柱、墙）作为消能构件。按照传统抗震设计方法，容许结构构件在地震中出现不同程度的损坏。由于地震的不可预测性，结构在地震中的损坏程度难以控制，特别是出现超过设防烈度的强震时，结构就更难以确保安全。

消能结构由于设有消能构件，他们具有较大的耗能能力，在强震中率先耗能，消耗输入结构的地震能量，保护主体结构免遭损坏，从而确保结构在强震中的安全性。

国内外耗能减震结构的振动台试验表明，消能减震结构与传统抗震结构相比，地震反应减少40～60%。

2）经济性

传统抗震结构体系采用“硬抗”地震的方法，通过加强结构、加大构件断面，加大配筋等途径提高结构的抗震性能，使结构的造价明显提高。

消能减震结构体系是通过“柔性耗能”来减少结构的地震反应，可以减小构件截面、减少构件配筋，而其抗震性能反而提高了。

消能器类型

消能器又称阻尼器，根据其自身性能可分为两类：速度相关型和位移相关型。

速度相关型分为：液体黏滞消能器与黏弹性黏滞消能器；

位移相关型分为：摩擦型消能器与金属变形消能器

设计单位可根据不同的结构形式或减震需求等条件选择一种或几种消能器进行消能减震设计，找到主体结构与消能器之间的最佳平衡点，满足规范要求。

在框架结构、框剪结构的框架部分目前应用较多的消能器有黏滞阻尼消能器、金属变形消能器（屈曲约束支撑）。剪力墙结构、框架的剪力墙部分为金属变形消能器类型的连梁型和抗剪金属型消能器。

目前消能器种类繁多，随着时间及技术的发展，越来越多消能器涌现出来。目前应用的消能器有很多是最新的科研成果，设计人员不能默守陈规，用于开拓思路把最新最好的技术应用到消能减震的设计中

附加阻尼比计算

消能减震结构的设计难点为附加阻尼比的计算，结构增加消能器后为非比例阻尼，此时结构为混合结构。按照振型分解反应谱法计算结构的地震响应过程中，如何快速有效的确定消能器附加阻尼成为设计的关键。

目前比较常用的有三种计算附加阻尼比的方法：1.规范方法（又称能量法）；2.减震系数法；3.自由振动衰减法

设计单位根据不同需求以及掌握通用有限元软件的程度选择合适的方法计算附加阻尼比。

消能减震结构的现状及发展前景

我国在80年代就引进消能减震技术，除了在个别超限高层外几乎很少应用消能减震设计，在这一领域一直落后于发达国家。

2012年7月，云南省要求学校、医院强制采用减隔震技术。

2013年12月《建筑消能减震技术规程》正式颁布。

2014年2月21日住建部发布25号文，推行《关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见（暂行）》其中要求：对8度及以上医院、学校，重点设防类、特殊设防类建筑，安全性要求较高的建筑推荐采用消能减隔震技术。此后各省市均出台相关细则，全面推行减隔震技术。

2016年6月24日在唐山举办了《河北省工程勘察设计咨询协会应用减震隔震技术会议》宣布成立河北省减隔震技术委员会，部署行业内推广减隔震技术。

随着我国国民经济的发展，综合国力的提高，势必学习西方发达国家的建筑领域经验，目前我国相比发达国家的建筑抗震性能还是有较大差距，提高建筑的抗震、抗风性能，保障国民生命安全及减轻灾后修复重建费用迫在眉睫。为此，中国地震局及中国建设部分别于2016年6月1日发布执行第五代《中国地震动参数区划图》GB18306-2015以及2016年8月1日发布执行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010，2016年局部修订版。

以廊坊大厂地区为例，第五代区划图对该地区的地震动参数进行了显著的提高调整，抗震设防烈度由原来的8度、设计基本地震加速度0.2g提高至8度、设计基本地震加速度0.3g；反应谱特征周期由原来的0.45s提高至0.55s。经过试算27层纯剪力墙住宅采用传统抗震已经无法满足规范要求及建筑使用功能，墙肢截面厚度达到了500mm，不得不采用消能减震技术。

由于第五代《中国地震动参数区划图》实施前，全国范围内8度半、三类场地的地区很少，单纯依靠常规设计基本能满足规范要求。普通住宅采用消能减震方案的结构设计需求也很少，导致设计单位、建设单位及公众对消能减震结构知之甚少。当第五代《中国地震动参数区划图》实施后，地震力明显放大，单纯依靠传统设计不能满足规范要求。同时采用消能减震技术之后，常规计算方法不再适用，要求设计人员具备较强的分析能力和更加明确的结构设计概念，设计方法抽象难懂、步骤繁琐，同时还需验算罕遇地震下的弹塑性时程分析，需要使用复杂的国际通用有限元分析计算软件，国内普遍设计单位不具备此种设计分析能力，间接导致消能减震技术推广困难。

被动耗能减震系统性能稳定、概念清晰而且造价相对较低，在结构上设置非结构耗能元件可以提高其抗震抗风性能已经得到工程界广泛认可。故广大建設单位、设计单位需加强认识，积极推广应用消能减震技术在工程中的应用。