探究消能減震技術在工程中的應用

趙屹峰

（廣東省建筑設計研究院）

地震是一種突發且危害性極大的自然災害，傳統的抗震結構很難進行有效的抵抗，因此一旦發生將對人民群眾的生命和財產安全造成嚴重的影響。隨著科學技術的發展，抗震結構也在不斷的創新發展之中，消能減震結構的出現及應用，有效的保護了建筑物的整體結構，避免因為坍塌所所造成的嚴重經濟損失，使地震發生時，人們的生命財產安全得以更多保障。

1 消能減震結構原理及特點

1.1 原理

所謂消能減震技術就是在結構的樓層空間、剪力墻或者節點等部位設置阻尼元件或者耗能裝置，通過這些元件和裝置產生彎剪扭變形來耗散或吸收地震能量，有效減少結構的地震反應，從而避免結構破壞或者倒塌，使其達到減震的目的。

消能減震可從能量的角度來進行描述（圖1），傳統抗震結構（1）和消能減震結構（2）在地震中任意時刻的能量方程為：

式中：Ein、Ein′是地震過程中輸入體系的能量；Ev、Ev′是結構體系的動能；Ec、Ec′是結構體系的粘滯阻尼耗能；Ek、Ek′是結構體系的彈性應變能；Eh、Eh′是結構體系的滯回耗能；Ed′是耗能元件或阻尼裝置吸收或耗散的能量。在消能減震結構體系中，耗能元件或阻尼裝置在主體結構進入非彈性狀態之前進入耗能狀態，消耗大量大部分輸入結構體系的地震能量，結構反應將會大幅減小，有效地保護主體結構[1]。

圖1 結構能量轉換途徑對比

1.2 分類

消能減震裝置根據耗能的依賴性可分為位移相關型和速度相關型。位移相關型包含摩擦耗能器（圖2）、鉛擠壓阻尼器剛彈塑性阻尼器等，速度相關型包含粘滯阻尼器（圖3）和粘彈性阻尼器等[2]。

1.3 優勢

圖2 Pall 摩擦型耗能器及典型滯回曲線

圖3 Pall 油阻尼器及典型滯回曲線

與傳統意義上的抗震結構相比較而言，消能減震結構具有兩方面的優勢：①消能減震結構更為安全，這主要體現為在安裝消能減震裝置的過程中，能夠做到安裝位置明確，并且其中的主要耗能裝置能夠把地震發生之時所產生的大部分能量消耗掉，保證建筑物的穩定性，防止建筑物出現斷裂，有效的保障了人民群眾的生命財產安全；②消能減震結構比較經濟，這主要是由于消能減震結構當中的主體結構以及耗能結構有著明確的分工，在整體結構當中能夠有效地降低了震發生之時，荷載對結構的影響，提高了抗震安全系數，并且，消能減震結構的應用，能夠降低建筑物在建筑施工過程中5～10%的工程造價，在對舊建筑物進行加固的過程中也能夠節省10～60%的造價，提高了相關的建筑施工企業的經濟效益，也有利于建筑物抗震質量的提高[3]。

2 消能減震結構設計要求

2.1 消能裝置的設置

消能裝置應該沿著結構兩個主軸方向設置，并布置在層間變形較大的位置，分布和數量通過綜合分析確定。

2.2 消能裝置的性能要求

消能裝置應具有適當阻力且有能力足夠吸收和耗散大量的地震能量。消能裝置附加給結構的有效阻尼比宜大于15%，超過25%宜按照25%計算[4]。消能裝置應有足夠的初始剛度、良好的耐久性、構造簡單易施工等特點[5]。

3 消能減震結構的工程應用

3.1 計算模型

消能減震裝置目前大幅應用在工程中。本文選取了廣州某工程進行分析。其基本信息如下：四層地下室，負一層地下室頂板高±0.000，地上部分共有三座塔樓，其中最高的為184m，其余兩座99m。周邊還有一棟接近300m 的高層建筑（圖4），分析軟件采用Midas Gen。

圖4 MidasGen 模型圖

圖5 粘滯阻尼器參數信

3.2 粘滯阻尼器基本信息

高層與地下空間的空隙長170m，深22m，每層放22～23 根粘滯阻尼器連接，共180 根粘滯阻尼器。定義粘滯阻尼器的非線性特征值如圖5 所示。通過計算對比進行調整，連接彈簧剛度取105kN/m 時能達到減小基底剪力的效果。現調整消能器阻尼值分析所添加的粘滯阻尼器對基地剪力的影響。

3.3 分析結果

從圖6 可看出，通過添加粘滯阻尼器，能夠起到減小基地剪力的作用，減小量趨近11000kN。但由于粘滯阻尼器連接的地方標高在±0.000 以下，地震作用下位移較小，因此地震作用減小幅度不如在地上位置明顯，但是依然減小了基地剪力。

4 結語

圖6 阻尼與基地剪力關系曲線

綜上所述，隨著社會經濟的發展，人們生活質量水平的提高，對于居住環境的要求越來越高，而消能減震結構的應用，能夠有效的提高建筑物的抗震能力，為人民群眾提供安全的居住環境[6]。但是，一些地下空間結構需要將消能裝置設置在地下，如何更好地發揮消能裝置的作用，有待進步一進行研究。

[1]張美華.建筑抗震概念設計[J].石油規劃設計，1997（1）：23～25.

[2]周云，宗蘭，等編著.土木工程抗震設計[M].北京：科學出版社，2005.

[3]趙斌華.消能減震結構的設計方法研究[D].西安建筑科技大學，2014.

[4]周云.高層建筑結構設計[M].武漢：武漢理工大學出版社，2012.

[5]張文芳，靳斤平，等.工程結構消能減震控制的研究與應用[J].2005.12.

[6]陳星，歐妍君，等編著.現代地下空間結構研究及應用[M].廣東：中國建筑工業出版社，2015.