浅谈消能减震技术的发展与应用

沈 頔

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

0 前 言

在某些高烈度地区，一些高层建筑尤其竖向或平面不规则的建筑，在结构中布置减震装置，通过该装置的变形产生附加阻尼力，消减作用在结构上的振动能量，以使结构变形等满足规范要求。这种增设阻尼器减震的技术称为消能减震技术。结构消能减震基本原理可以用能量平衡或结构振动分析来解释。因为一般的钢筋混凝土结构阻尼比较小，为5%左右。因此，当地震到来时，结构本身的固有特性会使地震作用效应得到“放大”，对结构安全产生不利影响。为了促使地震效应“减小”，使建筑结构地震响应显现不断衰减状态，故而加大结构主体的阻尼。因此，理论上建筑结构振动响应在任何力(尤其地震、风等)作用下得到控制，前提是结构主体的阻尼达到一定的量值范围[1]。

1 传统抗震技术

直到今天，人类也很难提前预测地震，这种危害极大的自然灾害。每次大地震的发生，都会给人类带来经济损失或者巨大伤亡事故。20世纪70年代，人们逐渐关注建筑结构的抗震性能，提出了从概念出发的抗震设计理念。在严重灾害面前，人们开始意识到抗震设计与结构内力计算设计、结构构造设计一样必要。利用结构自身的抗侧刚度来抵抗地震作用产生的变形，是传统抗震手段。但是地震在开始的时间、发生的地点和作用强度等方面具有很大的随机性，建筑的地震反应与结构的动力特性、结构所在的场地以及地震波的频谱特性等均有联系，这直接导致为了安全，不断加大柱子、剪力墙等截面和钢筋用量，造成一定的材料浪费。虽然人们对地震进行长时间大量的研究，但迄今为止仍不能精确地预报地震的发生，对地震仍然缺乏足够的认识[2]。按照一般的建筑结构抗震设计方法，对地震能量和特性以及使结构产生的效应的估计是不精确的。

2 消能减震技术

2.1 消能减震技术的基本原理

消能减震技术是指把结构主体的某些部位设置阻尼器，通过阻尼器发生相对运动产生的相对变形或相对加速度提供附加阻尼，来耗散部分输入建筑的地震能量，达到减震抗震的目的。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，消能装置是在结构的某些部位(层间、空间、节点、连接缝等)直接安装[3]。在小风作用下或遭遇多遇地震(小震)时，消能杆件(或消能装置)和原建筑结构共同作用，其结构本身仍处于弹性工作状态，结构变形、位移等满足规范规定的正常使用状态要求；在强风作用下或遭遇大震(设防地震、罕遇地震)时，结构侧向位移增大，使得消能杆件或消能减震装置产生较大的阻尼，耗散较多地震和风振产生的能量，使结构动力作用快速衰减，从而避免建筑结构达到弹塑状态，使结构某些部位发生不可逆转的变形或破坏[4]。

2.2 消能减震技术的国内外发展状况

1970年，线性粘滞阻尼系统由美国泰勒公司研制成功，并申请专利。20世纪80年代末，许多国家逐渐研究将流体阻尼器应用到建筑结构上，其中美国和日本在该领域的研究起步最早，1992年美国纽约州立大学的Baffalo教授进行了设置有粘滞阻尼器的结构抗震性能的分析研究。1995年，为了降低甲板的摇摆作用美国西雅图西桥安装了6个流体阻尼器。据日本统计，整个日本采用减震技术的房屋结构和建筑工程已超过百余个。HajimeYOKOUCHI采用消能阻尼器对一个已建成的结构进行后期加固，又进行了足尺实验，该实验和研究证实了消能减震技术的先进性和优越性。希腊和平友谊体育馆，是一个抗震减震性能优异的典型工程，共安装了128个由美国泰勒公司研制的Taylor流体阻尼器，其安装在柱子顶端，大大减小了地震作用产生的柱子与屋顶的相对位移以及柱子受力。2007年，秘鲁发生里氏8.0级大地震，秘鲁首都的利马机场基本无损坏，就得益于设置的42个粘滞阻尼器。赫赫有名的美国西雅图棒球场，其屋顶设计为开启式，在屋顶开启关闭的过程中为了减小对主体结构产生的碰撞和振动，设置了4个7 m长的阻尼器，其中阻尼器受力性能为500 t，行程为375 mm，在门架运动的碰撞点上均安装了美国泰勒公司研制的Taylor流体阻尼器，通过降低荷载效应，节约大量材料，共节省造价400多万美元，成为世界上采用消能减震的典型工程。

国内对阻尼器的研究起步较晚，系统的研究正在逐渐展开。20世纪90年代初，同济大学等大学及科研院所的学者们开始对粘滞流体阻尼器进行探索。其中东南大学率先系统全面地研究粘滞阻尼器，于1999年初步完成了两类经典的阻尼器，即单出杆粘滞阻尼器和双出杆粘滞阻尼器，后来又研制出多种型号的粘滞流体阻尼器，并通过对比试验研究和进一步改进，获得国家专利。1999年，欧进萍教授从理论和实验出发对油缸间隙式阻尼器进行系统研究。在同一时期，国外产品引进中国，1999年，法国产粘滞阻尼器进入中国，中国建科院利用该阻尼器对北京饭店进行了加固，这是我国首例采用粘滞阻尼器的实例工程。2004年北京银泰中心装设了73个粘滞阻尼器，以减少风荷载作用下结构的顶点加速度。2005年，南京市奥体中心观光塔布设了30个粘滞阻尼，以控制风振响应。此外，还有苏通大桥和宿迁建设大厦等为提高主体抗风或者抗震性能都采用了多种类型的粘滞阻尼器[5]。

综合国内外对粘滞阻尼器的研究及进展，阻尼器发展趋势分为以下几个方面：一方面是将粘滞阻尼器装设在结构模型上，然后对模型进行振动台实验，得出分析结果和实验结论；另一方面是对安装有阻尼器的结构，进行数值模拟并进行理论分析和计算，得出研究成果[6]。针对我国实际情况，我国对研究消能减震阻尼器的应用与发展，可依靠现有的结构分析软件并根据我国的相关设计规范和设计规程，设计和分析减震结构，并不断优化方法和分析过程，最终应用到实际工程的设计和施工中。2016年，我国颁布的《建筑抗震设计规范(2016年版)》(GB50011-2010)增加了隔震和消能减震的内容，提出了设计方法[7]，对消能减震技术的运用，有了一些具体实施方法。美国FEMA356规范对粘滞阻尼器的设计方法也做出了具体规定。随着多个国家对消能减震结构的广泛研究与应用，人们对其设计方法的探索和对设计原则的研究也会成为土木工程领域的重要课题之一。

2.3 建筑结构消能减震器的种类和装置

建筑结构消能减震器有粘滞消能器、粘弹性消能器、金属屈服型消能器和摩擦型消能器等四种; 消能减震装置有铅阻尼器、粘滞阻尼器、磁流变阻尼器。本文简要介绍前三种。

2.3.1 粘滞阻尼器

最早研制的粘滞阻尼器是运用到军事领域的，直到从20世纪90年代才开始引入到土木工程领域。研究表明，激振频率、应变幅值以及环境温度是影响粘滞阻尼器力学性能的主要因素，各个因素还能随着循环次数的增加和激振频率的提高，使该类阻尼器的消能能力逐渐达到一个平衡值，而不是立刻衰减。阻尼器应变幅值的比较大时，对其消能能力有一定影响，循环次数加大时，消能能力明显退化，而应力幅值较小时，对阻尼器的消能能力影响不大。材料的老化和疲劳，在一定范围内，对阻尼器的性能影响不大[8]。

目前，粘滞阻尼器的计算模型主要有武田寿一模型、Maxwell模型、Taylor模型、东南大学模型，限于篇幅有限，本文不再逐个详细介绍。上述模型公式的表达形式各有不同，对于力和速度的关系，给出了不同的取值范围。但所有公式拥有共同的特点，即都反应了阻尼力受到了活塞的相对运动速度的显著影响。由于研制粘滞阻尼器的结构、构造和分析方法不同，研究者们所得出的公式有很大不同。所以在运用到结构设计时，要辨别清楚适用范围，不能随便照搬。

2.3.2 粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器是被动消能减振装置，属于速度相关型，原理是通过利用阻尼材料特殊的滞回消能特性，增加结构的阻尼，从而降低结构在外力施加振动作用下的效应[9]。该结构一旦受外界影响发生振动，粘弹性消能阻尼器立即开始工作、耗能，因此该阻尼器具有较强的耗散能量的能力，使得粘弹性阻尼器的力-位移滞回曲线接近椭圆[10]。

频率、温度和应变幅值是影响粘弹性材料性能的主要原因，故粘弹性阻尼器性能影响的主要因素也是频率、温度和应变幅值，其中频率和温度的影响最为显著。一般的，粘弹性材料储能剪切模量随温度的升高而降低，随频率升高而升高。对于用特定材料制成的粘弹性阻尼器，其耗能性能受到温度和频率的影响，而且对于该阻尼器存在一最优使用温度和最优使用频率。

2.3.3 金属阻尼器

金属阻尼器是一种与位移有关的被动耗能减震装置，它具有构造简单、造价低、易更换、性能优越等特点。金属阻尼器可以作为结构耗能单元或者限位装置用来配合隔震系统，也可以独自作为耗能减震装置应用于结构中，为结构主体提供额外阻尼和刚度，灵活简易的使用方式使其应用前景光明。由于金属材料自身塑性状态具有良好滞回特性，而且在弹塑性阶段变形过程中能够吸收大量的地震能量，因此，人们利用其性能优势，研制出各种类型的耗能减震器[11]。

3 结 语

大量研究和文献表明，之所以粘滞阻尼结构、粘弹性阻尼结构和金属耗能结构能够广泛应用到土木工程的各个方面，包括新建建筑的震动控制和既有结构的加固，就是因为装设了消能减震装置的结构能够增加结构的阻尼，显著减少外力作用下结构的动力反映，使其耗能能力增强，地震反应如层间剪力、层间位移、顶点位移和顶点加速度等得到明显降低。

目前，美国、日本等国家及我国台湾等地区对消能减震器的研究与应用比较多，并且取得了有效成果。我国地域广阔，是一个多地震国家，限于目前仍然无法对地震进行预测，因此，为降低或尽可能避免地震灾害，我国应从结构本身入手，加强抗震减震方面的研究和实验，加强实用新型消能减震阻尼器的研制及应用研究[12]。

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