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1、浅述消能减震技术在高层建筑中的应用摘要地震是一种突发性的破坏性极强的自然灾害，罕遇的大地震会给建筑物及构筑物造成极大的破坏，造成极大的人员伤亡和经济财产损失。而我国是一个地震多发区，特大地震也时有发生，如唐山大地震和汶川大地震。所以在建筑结构设计中如何防止地震作用下建筑物的破坏就显得尤其重要。结构被动控制1中的耗能减震技术由于技术相对成熟，施工方便，减震效果明显等特点广泛用于多高层建筑抗震的设计和加固中。本文简单论述了消能减震的原理，重点介绍了各种消能减震设备的特点及其设计方法，为消能减震的设计提供一定的参考。1. 概述 地震是一种突发性的破坏性极强的自然灾害，罕遇的大地震不仅会直接给建筑物及
2、构筑物造成极大的破坏，同时也会造成泥石流等次生灾害的发生，造成极大的人员伤亡和经济财产损失。而我国恰恰是一个地震多发的国家，如唐山大地震和汶川大地震都是史无前例的特大地震灾害，给人们带来了极其巨大的痛苦。所以结构设计中的抗震设计是关系人民生命和财产的大事，必须给予高度的重视，特别是在我国的震区。传统的结构抗震设计2主要致力于保证机构自身具有一定的强度、刚度和延性，以满足一定的抗震设计要求。事实表明，在大震作用下结构主体经常会产生不可修复的损伤甚至破坏，造成的损失是巨大的，难以接受的。这种仅靠自身性质抗震的结构在地震作用中处于被动受力状态，因此是一种消极的抗震方式。为使结构更有效地抵抗地震作用，
3、以隔震、减震为技术特点的技术逐渐发展起来，并且许多设备都以在现实结构特别是地震区建筑和超高层建筑中广泛的应用。结构控制理论按是否需要外部施加能量分为主动、半主动和智能控制及被动控制。而被动控制主要可分为隔震技术、消能减震技术和吸震减震技术。隔震技术3, 4是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的抵触顶面分开，限制地震动向结构物的传递，如橡胶支座隔震和滚子隔震等。隔震结构主要用于基本规则的低层和多层建筑；吸震技术5, 6是在主体系统上加附加子系统，以减少主体结构的震动，如调谐质量阻尼器TMD或调谐液体阻尼器TLD。吸震系统主要应用于大跨结构及超高层抗风中；消能减震技术7, 8
4、是在结构中设置非结构的耗能元件（耗能器或阻尼器），结构振动使耗能元件在被动的往复运动中耗散结构的振动能量，减轻结构的动力反应。这比传统的依靠结构本身延性耗能显然是更近了一步，耗能元件一般不改变结构的形式，也不需要外部能量的输入。耗能减震技术由于技术相对成熟，施工方便，设备制造相对容易，减震效果明显等特点使之广泛用于多高层建筑抗震的设计和加固9,10中。它也是本文的重点论述对象。2. 消能减震技术的原理消能减震结构体系是一种较新的抗震结构体系，是把一些非承重构件（如支撑、连接件等）设计为耗能杆件，或在结构的一定部位装耗能设备（阻尼器等），在小风小震作用时，这些耗能杆件或装置和结构本身能保证足够的
5、侧向刚度，使结构处于弹性状态。当出现大震时，随结构的侧向变现增大，耗能构件率先进入非弹性状态，产生较大阻尼，大量消耗地震能量，从而大大降低地震对结构的反应，使得主体结构遭受较少的破坏。下面通过对单自由体系的结构动力学方程11，简单阐述弹性状态下消能减震的基本原理。设但自由度质点受力，根据结构动力学基本方程： 或 其中， 强迫简谐振动频率，为结构体系的固有频率，为结构阻尼比解微分方程并整理后得其中，将 提出后 R 剩下的部分便是结构动力放大系数，可以理解为相当于静力产生的位置基础上乘以M。M是决定结构振动反应的关键参函数。M主要由参数频率比和阻尼比决定。总结分析后得下图（图1）： 图1 单自由度
6、结构强迫振动M与和的关系曲线从关系曲线中可以看出M随阻尼比的增大而减小。即阻尼比增大能明显减小结构振动效应。对于多自由度体系，在弹性阶段，由于可以用振型分解的方法将多自由度体系分解为多个单自由度体系的叠加，所以基本机理和单自由度体系基本相同，不再赘述。通过安装消能减震设备，能明显增大结构的阻尼，从而减少地震对结构的激振作用。同时也可以从能量角度来说明消能减震的原理12,13，更能说明非弹性状态下消能减震的原理。地震时，结构在任意时刻的能量方程为式中地震过程中输入给结构的能量； 主结构本身的耗能； 附加子结构的耗能（TMD等）。其中主结构本身的耗能式中结构振动动能，结构振动势能 结构黏滞阻尼耗能
7、，结构塑性变形耗能从能量观点上看，地震输入结构的能量是一定的。其中为结构的振动能，仅仅是结构转换，不产生耗能。结构塑性变形耗能，主要靠结构自身的延性耗能，但是当地震能量较大时，大量靠结构延性耗能会导致结构构件的损伤甚至破坏。结构阻尼耗能，当无消能减震设备时，阻尼比较小，如混凝土仅为5%，能消耗的能量有限。所以通过增加消能减震设备，能明显增加结构的阻尼耗能，从而减少结构的延性耗能，能显著减少地震作用对主要构件的影响，从而使结构更加安全。3. 常用的消能减震设备消能减震结构的耗能装置，可以在主体结构进入非弹性状态前，率先进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤
8、或破坏。耗能装置可以是放置在结构相对位移较大处的阻尼器，也可以是由结构物的某些非承重构件（如支撑等）设计成耗能构件。试验表明，耗能装置可做到消耗地震总输入能量的90%。常用的耗能装备有阻尼器、耗能支撑和摩擦墙等。3.1阻尼器消能减震中的附加耗能元件或装置一般称为阻尼器。阻尼器通常安装在支撑处、框架和剪力墙的连接处、梁柱连接处以及上部结构与基础连接处等有相对变行或相对位移的地方。常用的阻尼器可分为位移相关型和速度相关型等，下文将分别进行介绍。3.1.1 位移相关型阻尼器位移相关型阻尼器通常用塑性变形性能好的材料制成，利用其在反复地震荷载下良好的滞回性能来耗散地震能量。主要有金属屈服型阻尼器和摩擦
9、型阻尼器。1） 金属屈服型阻尼器14。金属屈服型阻尼器是利用软钢材料屈服后的塑性变形来耗散地震能量的。低碳钢具有优良的塑性变形能力，可以在超过屈服应变几十倍的塑性应变下往复数百次而不断裂。阻尼器的主要形式有：轴向屈服型中的软钢沿构件长度方向设置，产生轴向变形屈服，其形态类似于支撑；剪切屈服型中的软钢按平板设置，产生平面内剪切变形屈服，其形态类似于腹板。此外还有利用软钢弯曲屈服和扭转屈服的阻尼器。下图2是台湾大学蔡克全教授15提出地的三角板耗能阻尼器(TADAS)。该设备由数片三角形钢板悬臂地焊接在一块地板上，在垂直于钢板的侧向力作用下，悬臂板的弯矩与钢板宽度呈同样的线性变化，整块钢板会同时发生
10、弯曲屈服，从而提供较大的变形和耗能，滞回曲线如图3。 图2 TADAS示意图 图3 TADAS滞回曲线软钢阻尼器可以同时提供阻尼和刚度，同时，由于设置的屈服点不同，同一装置在不同地震作用下的耗能效果差异很大。所以软钢阻尼器的刚度和屈服荷载是设计中需确定的主要性能指标。2） 摩擦型阻尼器16-19。摩擦型阻尼器是通过有预紧力的金属固体部件之间的相对滑动摩擦来耗能。通过调节预拉力可以调整部件之间摩擦力的大小，对钢板表面进行处理可以改善摩擦性能。图4为1982年Pall和Marsh研究科一种十字型双向摩擦器，其独特之处在于由横联板和竖连杆组成四连杆结构，当X型支撑一个方向受拉时，通过连杆机构使得另一
11、方向的摩擦设备也发挥作用，一方面增强了摩擦耗能能力，另一方面也避免了另一方向支撑受压而产生的屈曲问题，滞回曲线如图5。 图4 Pall十字型双向摩擦阻尼器 图5 滞回曲线摩擦型阻尼器的摩擦耗能需在摩擦面间产生相对滑动后才会发生作用，在多次反复荷载作用下具有较稳定的耗能性能。但是，当摩擦阻尼器在动静摩擦力的作用下有时会出现起滑时的摩擦振动，设计人员需对其影响预先做出评估。3.1.2 速度相关型阻尼器速度相关型阻尼器包括黏滞阻尼器和黏弹性阻尼器。这类阻尼器的主要优点是：阻尼器从小振幅到大振幅都可以产生阻尼耗能作用。但是这种阻尼器一般采用粘性或黏弹性材料制作，阻尼力往往与温度有关，且加工制作要求较高
12、，价格较昂贵。1）黏滞阻尼器20-24。黏滞阻尼器是通过高粘性的液体（如硅油）中活塞或者平板的运动产生黏滞阻尼力来耗能。黏滞阻尼力主要与活塞在流体里的运动速度有关，一般与速度成正比。其构造如图6图6 黏滞阻尼器构造图黏滞阻尼器在较大频率范围内都呈现比较稳定的阻尼特性；另外，黏滞阻尼不会给结构产生附加刚度，对结构的主频率影响较小，对加速度效果控制较好，而位移型阻尼器对位移控制效果较好而对加速度控制效果相对较差。但是粘性流体的动力粘度与温度有关，是黏滞系数随温度变化；同时加工制作要求较高，黏滞液体易发生渗漏。2） 黏弹性阻尼器25-27。黏弹性阻尼器是利用异分子共聚物或玻璃质物质等黏弹性材料的剪切
13、变形来耗散地震能量。典型的黏弹性阻尼器构造如图7 图7 典型的粘弹性阻尼器构造图黏弹性阻尼器的优点：构造简单、性能优良、造价低廉、耐久性较好，同时它的滞回曲线近似椭圆形，耗能强。但是，缺点是对环境因素较为敏感，温度和工作频率影响较大。一般来说黏弹性材料的剪切模量随温度的升高而降低，随频率的增大而变大。它的耗能能力对应于某个温度和频率存在一个最大值。3.2耗能支撑耗能支撑实质上是将各式阻尼器用在结构支撑系统上的耗能构件。常用的有如下几种：1） 耗能交叉支撑。在支撑较叉处利用软钢阻尼器的原理，做成耗能交叉支撑。这种耗能装置通过支撑交叉处的方刚框或圆钢框的塑性变形耗能。如图8：图8 耗能交叉支撑2）
14、 摩擦型耗能支撑。通过相互运动的摩擦力来耗能，其中一典型构造同摩擦型阻尼器。3） 耗能隅撑。隅撑两端刚接在梁、柱或基础上，普通支撑简支在隅撑的中部。地震作用下，通过隅撑的屈服消耗地震能量。由于隅撑不是结构主要构件，更换较为方便。图9为几种常见的隅撑图9 常见耗能隅撑4）无黏结套箍防屈曲耗能支撑28-30。防屈曲耗能支撑主要由钢核心构件、外约束构件(钢管、混凝土等)和无粘结材料组成（图10）。其工作原理为：支撑结构在地震作用下所承受的轴向力作用全部由支撑中心的芯材承受，该芯材在轴向拉力和压力作用下屈服耗能，而外围钢管和套管内灌筑混凝土或砂浆提供给芯材弯曲限制，避免芯材受压时屈曲。由于泊松效应，芯
15、材在受压情况下会膨胀，因此在芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层，可以减小或消除芯材受轴力时传给砂浆或混凝土的力。 防屈曲耗能支撑在受拉与受压时均能达到屈服而不发生屈曲，较之传统支撑构件具有更稳定的力学性能，经过合理设计的防屈曲耗能支撑不但可具有高刚度和高延性，并且不易屈曲特性更能发挥钢材良好的滞回耗能能力（图11）。因此，防屈曲耗能支撑同时具有中心支撑和滞回型耗能元件的优点，具有良好的应用价值。 图10 无黏结套箍防屈曲耗能支撑 图11 滞回曲线3.3耗能墙 黏滞耗能墙（构造如图12），该耗能墙由上下两部分构件构成，下部做成容器状，其中装盛粘性液体，上部可做成钢板墙状，可在容器中运动。实际应用时，耗能墙可镶嵌在钢框架中，耗能墙上部与框架下层梁相连。地震作用下楼层间产生相对运动，内部钢板在黏滞液体中来回运动，产生阻尼力，耗散能量。图12 黏滞耗能墙构造图4. 结语地震荷载是结构设计中必须考虑并且十分重要的荷载，建筑抗震中的消能减震技术能够很大程度上降低地震对结构的损害，并且消能减震技术技
