建筑消能、减震技术特点对比及应用探讨

景凯宇，成 芳

（赤峰学院 建筑与机械工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

1 前言

对于减小地震对建筑物的影响，通常以抗震设计方法为主.我国采用的是“两阶段”设计方法，在多遇地震作用下，结构按弹性行为进行设计，依靠自身刚度和强度抵抗地震反应；在罕遇地震作用下，结构按弹塑性阶段进行设计，依靠结构塑性变形与自身延性抵抗地震作用.此设计方法是以保证人员安全为基准进行设计的，在大多数情况下能满足实际需求.但是，对于一些特殊建筑如：保证人员安全与紧急救援的生命线工程、高精度技术加工设备和核工业设备，这种设计理念是不满足要求的.

另外，随着居住要求的提高，装修成本逐年提高，部分建筑的内部装修费用已经超过了结构的土建投入，在此基础上如果仍然按“两阶段”设计方法进行设计，建筑物的震后修复成本是惊人的.因此，不能单纯从建筑自身抗震方面解决抗震问题，对于特殊建筑需要从地震波向建筑传播阶段就开始考虑抗震问题，减小结构的地震反应，才能满足以上亟待解决的问题.

消能、减震主要研究如何从源头减小地震反应，通过隔离、抵消等方法降低地震对建筑物的破坏作用，从而保证建筑内设备、人员等的安全.消能减震设备一般情况下会提高建筑成本，而我国由于建国初期经济基础薄弱，从上世纪80年代才开始关注消能、减震技术，发展时间较短，随着近些年基础设施的迅速发展，我国在此方面也有了长足的发展.本文参考国内外相关文献，将消能减震大体分为三种途径：1.隔震系统；2.消能系统；3.TMD系统，并将其加以对比.

2 各种消能、减震技术特点的对比

2.1 隔震减震

隔震措施的原理是在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成的具有整体复位功能的隔震层，用以延长整个结构体系的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求.这其中的作用效果由两方面组成，一方面是隔震层具有较大的阻尼，从而使地震作用的衰减大于无隔震建筑；另一方面，隔震层具有很小的侧移刚度，在传递振动的过程中大大延长结构物的基本周期，使结构加速反应进一步降低.

隔震装置主要由隔震器和阻尼器两部分组成.常见的隔震器有：（1）叠层橡胶支座，它是由多层橡胶和多层钢板或其他材料交替叠置结合而成的一种竖向承载力高、水平刚度小、水平侧移容许值较大的装置；（2）滑动支座，它是在上部结构与基础之间设置一层滑移构造层，在小震或风荷载作用时，静摩擦力使结构固结于基础上，大震时，结构水平滑动，减小地震作用，并以其摩擦阻尼耗散地震能量；（3）滚动支座，是利用高强合金制成的滚珠（或滚轴）涂以防锈或防滑涂层后置于上部结构与基础之间，地震作用下以滚珠或滚轴的滚动来达到隔震的目的.阻尼器是通过局部的阻尼消耗传递到建筑物上的振动能量的装置，常见的阻尼器有：（1）金属屈服阻尼器；（2）粘滞阻尼器，由汽缸及其内部的液压硅油组成，利用活塞头左右的压力差，使硅油通过小孔和活塞与缸体的空隙，从而产生阻尼力；（3）粘弹性阻尼器，它主要由粘弹性材料和约束钢板组成，连接的钢板再与结构构件相连.

隔震装置有一定的局限性的，对于坚硬场地的减震效果比较理想，而对于软弱场地效果相对较差，而且对于竖向振动隔震措施通常没有减震效果，对于长周期水平振动还存在共振的危险性.另一方面，由于隔震结构是预先安装在建筑物相应部位的，其阻尼与侧移刚度是基本固定的，对于不同的地震波，其隔震效果也就有所不同.由结构动力学知识可知，只有隔震构件阻尼在临界阻尼附近下，建筑物的振动才能有较好的衰减效果这也使其应用受到了一定的限制.在工程应用当中，如何合理选择或优化摩擦系数和复位刚度，如何保持摩擦系数长期不变是提高隔震效果和性能可靠度的难点.

2.2 消能减震

消能减震的原理是通过在房屋结构的某些部位设置的消能（阻尼）装置（或元件），通过消能（阻尼）装置产生的弹塑性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减少主体结构的地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌.

常见的消能装置有：（1）消能阻尼器，当建筑物发生相对相对位移时，装置会产生较大阻尼，从而发挥消能作用；（2）消能支撑，是预先安装在结构局部的一些支撑结构，在结构发生形变或位移时，先于结构主体发生屈服或产生摩擦阻尼，以达到保护主体结构的目的.

消能措施的优点是构造简单，性能稳定，价格低廉，易于推广应用，不但可以用于新建筑物的抗震防护，还能用于已有建筑物提高其抗震能力.

但其应用也有一定的局限性，对于脆性变形较小的结构，由于其破坏前的变形相对较小，而消能结构的阻尼是与位移或速度相关的，结果导致其消能减震作用得不到充分发挥.在实际应用过程中，消能构建的屈服强度的设计也是难点，虽然屈服极限可调，但一旦确定就不能更改.如果选择的太高，在中小地震中将起不到阻尼耗能的作用；如果选的过低在大地震作用下变形将明显增大，耗能能力相应减弱.对于螺栓组成的阻尼器，如何使紧固力在使用期内保持不变也是比较困难的.今后应用过程中需要突破的难点使如何使消能构件适应不同地震强度的消能要求.

2.3 TMD系统

TMD系统，又叫调谐质量阻尼器系统 (tuned mass damper，TMD），是在建筑物（主结构）设置一个与结构本身自振周期完全相同的结构（次结构），通常是在顶层设置悬挂的金属重球，当结构偏离平衡位置时，重球系统会因此产生一个相反的运动趋势而给建筑物一个等周期的回复力，回复力的存在将减少振动持续的时间和幅度.

此系统结构相对简单，易于建造但是无形当中大幅增加了结构的自重，安装TMD系统也要有较大的空间供其进行摆动运动，也就增加了整体的建造成本.为了克服这一不足，新型的TMD系统利用结构本身的屋顶作为TMD质量块、用基础隔震中采用的叠层橡胶支座和阻尼器代替TMD中的弹簧阻尼器.这样就不需要增加额外质量，屋顶的空间也不会被占用，也不需要增加额外的空间了.

TMD的减震效果主要取决于质量比、频率比和阻尼比，由于后面两个参数在振动过程中是可变的，因此很难使系统在各个阶段都有最佳的减震效果.今后可以着眼于开发新型实用的机构，发展定型产品，研究配套的计算方法和构造措施，扩大其在实际工程中的应用，充分发挥减震效果.而且此系统相对推广较难，每个TMD系统只能针对具体的建筑，对于降低成本和积累经验都难度较大.

3 发展前景展望

综上可见，任何一种隔震消能方式都不是万能的，需要因地制宜选用适合具体建筑结构的消能减震形式并结合当地的积累的地震数据才能最好的发挥效果.各种隔震消能方式相互取长补短，结合应用能取得较好的效果.例如层间隔震技术，它通过在楼层间设置隔震装置，一方面减小了隔震装置上部重要结构的地震响应；另一方面通过合理设计、计算，令上部结构的自振周期与结构整体的自振周期重合使其发挥类似TMD系统中金属重球的作用，通过上部结构提供的回复力进一步减小地震影响.此种结合不但能获得良好的隔震消能效果，同时弥补了TMD系统占地面积大的不足起到事半功倍的作用.

在未来的发展中，还应该重视理论与实践的结合.建议首先应从政策层面着手，提高现有规范的要求使得隔震消能成为一种强制要求，用于抵消由于技术不成熟、建设设计成本大幅提高使业主产生的积极性不高的情绪，推动技术应用，在应用过程中积累经验完善技术.此外，还要扫清政策障碍.例如在高层隔震体系设计中，隔震层的受拉问题是设计重点.如果想在设计当中避免倾覆力矩使隔震支座受拉，应遵循柱距要大，抗震墙要整，抗震墙尽量居中等要求，而这与抗震规范中要求抗震墙分散布置在四周以控制结构的扭转效应向冲突.希望未来能将规范做出修改或进一步细化，避免这种技术应用中尴尬情况.其次，在应用的过程中要推进标准化进程，具体体现在：（1）装置标准化，通过标准化使得工程经验可以复制、推广，同时也能降低生产和施工成本，推进技术在实际工程应用；（2）标准化以后，积累的实际经验和观察资料可以为今后的技术研发和改进提供数据支持，促进技术完善升级.

有了以上两步作为基础，根据应用中的经验可以进一步提高技术的成熟度.在材料方面，力求寻找更经济，阻尼可控的适应振动范围更广的阻尼的材料，提高技术对于不同震级、不同地震波的消能作用范围.在技术应用方面，通过观测和实验改进技术使其能在实际工程中发挥效果.2008年在日本岩手县地震中观测到了竖直加速度有4000伽(GAL)之多，这表明对于某些离震源较近的地震，竖向地震动的破坏能力不能小觑，因此对于地震高发区，竖向隔震也要引起足够的重视.应根据当地情况进行3D隔震设计，即增加竖向隔震装置.

4 结语

总体来说，隔震减震技术是随着经济发展和超高层建筑物的迅猛发展而突飞猛进的，但在发展过程中还是遇到了一些问题，如能突破这些瓶颈必将有更广阔的应用空间.另外，由于笔者的收集资料和个人水平有限，难免有疏漏和偏颇之处，希望各位同仁指正.