消能減震技術在工程中的應用

宋文輝

摘要：結構消能減震的實質是在結構中設置消能器，地震時輸入結構的能量率先為消能器吸收，大量消耗輸入結構的地震能量，有效衰減結構的地震反應。由于地震的不可預測性，結構在地震中的損壞程度難以控制，特別是出現超過設防烈度的強震時，結構就更難以確保安全。故而提高建筑的抗震性能，保障國民生命安全及減輕災后修復重建費用迫在眉睫。

關鍵詞：廊坊大廠地區；消能減震原理；消能器；

消能減震概念

結構消能減震技術主要指的是在結構的某些部位，如層間空隙、節點連接部分或者連接縫等一些位置安裝消能減震裝置，或者是將結構的支撐、連接件或非承重剪力墻等一些次要構件設置為能夠消能的構件。在地震來臨時，這些裝置或者構件可以通過摩擦、塑性變形、粘滯液體流動等一些變化，為結構提供較大的阻尼，消耗地震動輸入的能量，消減主體結構的地震動反應，從而起到保護主體結構安全的作用。

與傳統增大截面抵抗地震作用不同，消能減震技術主要是通過消能減震構件吸收、消耗地震能量降低主體結構地震響應，是建筑物抗震的另一個有力手段。消能減震技術中，安裝消能器增加結構阻尼的被動消能減震方法，由于其傳受力明確、安裝維護方便、制作成本低、適用范圍廣等特點，受到業內人士的青睞。

消能減震原理

結構消能減震的實質是在結構中設置消能器，地震時輸入結構的能量率先為消能器吸收，大量消耗輸入結構的地震能量，有效衰減結構的地震反應。消能器在地震中起到結構附加阻尼和附加剛度的作用。相比常規設計提高結構的抗震性能只能通過增加結構構件尺寸或者鋼筋的方法，更加經濟合理高效，這也是消能減震結構具有經濟性優勢的主要原因。

結構在地震中任意時刻的能量方程為：

傳統結構：E_in=E_v+E_c+E_k+E_h

消能減震結構：E_in^=E_in^+E_c^+E_k^+E_h^ 〖+E〗_d

在消能減震結構體系，布置在結構中的消能器能在主體結構進入彈塑性變形前率先發揮耗能的作用，大大減小結構的地震反應，從而有效保護主體結構。

消能減震優越性

消能減震結構體系與傳統結構體系相比，具有如下優越性：

1）安全性

傳統抗震結構體系實質上是將主體結構（梁、柱、墻）作為消能構件。按照傳統抗震設計方法，容許結構構件在地震中出現不同程度的損壞。由于地震的不可預測性，結構在地震中的損壞程度難以控制，特別是出現超過設防烈度的強震時，結構就更難以確保安全。

消能結構由于設有消能構件，他們具有較大的耗能能力，在強震中率先耗能，消耗輸入結構的地震能量，保護主體結構免遭損壞，從而確保結構在強震中的安全性。

國內外耗能減震結構的振動臺試驗表明，消能減震結構與傳統抗震結構相比，地震反應減少40～60%。

2）經濟性

傳統抗震結構體系采用“硬抗”地震的方法，通過加強結構、加大構件斷面，加大配筋等途徑提高結構的抗震性能，使結構的造價明顯提高。

消能減震結構體系是通過“柔性耗能”來減少結構的地震反應，可以減小構件截面、減少構件配筋，而其抗震性能反而提高了。

消能器類型

消能器又稱阻尼器，根據其自身性能可分為兩類：速度相關型和位移相關型。

速度相關型分為：液體黏滯消能器與黏彈性黏滯消能器；

位移相關型分為：摩擦型消能器與金屬變形消能器

設計單位可根據不同的結構形式或減震需求等條件選擇一種或幾種消能器進行消能減震設計，找到主體結構與消能器之間的最佳平衡點，滿足規范要求。

在框架結構、框剪結構的框架部分目前應用較多的消能器有黏滯阻尼消能器、金屬變形消能器（屈曲約束支撐）。剪力墻結構、框架的剪力墻部分為金屬變形消能器類型的連梁型和抗剪金屬型消能器。

目前消能器種類繁多，隨著時間及技術的發展，越來越多消能器涌現出來。目前應用的消能器有很多是最新的科研成果，設計人員不能默守陳規，用于開拓思路把最新最好的技術應用到消能減震的設計中

附加阻尼比計算

消能減震結構的設計難點為附加阻尼比的計算，結構增加消能器后為非比例阻尼，此時結構為混合結構。按照振型分解反應譜法計算結構的地震響應過程中，如何快速有效的確定消能器附加阻尼成為設計的關鍵。

目前比較常用的有三種計算附加阻尼比的方法：1.規范方法（又稱能量法）；2.減震系數法；3.自由振動衰減法

設計單位根據不同需求以及掌握通用有限元軟件的程度選擇合適的方法計算附加阻尼比。

消能減震結構的現狀及發展前景

我國在80年代就引進消能減震技術，除了在個別超限高層外幾乎很少應用消能減震設計，在這一領域一直落后于發達國家。

2012年7月，云南省要求學校、醫院強制采用減隔震技術。

2013年12月《建筑消能減震技術規程》正式頒布。

2014年2月21日住建部發布25號文，推行《關于房屋建筑工程推廣應用減隔震技術的若干意見（暫行）》其中要求：對8度及以上醫院、學校，重點設防類、特殊設防類建筑，安全性要求較高的建筑推薦采用消能減隔震技術。此后各省市均出臺相關細則，全面推行減隔震技術。

2016年6月24日在唐山舉辦了《河北省工程勘察設計咨詢協會應用減震隔震技術會議》宣布成立河北省減隔震技術委員會，部署行業內推廣減隔震技術。

隨著我國國民經濟的發展，綜合國力的提高，勢必學習西方發達國家的建筑領域經驗，目前我國相比發達國家的建筑抗震性能還是有較大差距，提高建筑的抗震、抗風性能，保障國民生命安全及減輕災后修復重建費用迫在眉睫。為此，中國地震局及中國建設部分別于2016年6月1日發布執行第五代《中國地震動參數區劃圖》GB18306-2015以及2016年8月1日發布執行《建筑抗震設計規范》GB50011-2010，2016年局部修訂版。

以廊坊大廠地區為例，第五代區劃圖對該地區的地震動參數進行了顯著的提高調整，抗震設防烈度由原來的8度、設計基本地震加速度0.2g提高至8度、設計基本地震加速度0.3g；反應譜特征周期由原來的0.45s提高至0.55s。經過試算27層純剪力墻住宅采用傳統抗震已經無法滿足規范要求及建筑使用功能，墻肢截面厚度達到了500mm，不得不采用消能減震技術。

由于第五代《中國地震動參數區劃圖》實施前，全國范圍內8度半、三類場地的地區很少，單純依靠常規設計基本能滿足規范要求。普通住宅采用消能減震方案的結構設計需求也很少，導致設計單位、建設單位及公眾對消能減震結構知之甚少。當第五代《中國地震動參數區劃圖》實施后，地震力明顯放大，單純依靠傳統設計不能滿足規范要求。同時采用消能減震技術之后，常規計算方法不再適用，要求設計人員具備較強的分析能力和更加明確的結構設計概念，設計方法抽象難懂、步驟繁瑣，同時還需驗算罕遇地震下的彈塑性時程分析，需要使用復雜的國際通用有限元分析計算軟件，國內普遍設計單位不具備此種設計分析能力，間接導致消能減震技術推廣困難。

被動耗能減震系統性能穩定、概念清晰而且造價相對較低，在結構上設置非結構耗能元件可以提高其抗震抗風性能已經得到工程界廣泛認可。故廣大建設單位、設計單位需加強認識，積極推廣應用消能減震技術在工程中的應用。