阻尼耗能裝置及其在抗震加固中的應(yīng)用綜述

錢(qián)寶年 宣衛(wèi)紅 宋永生 陳露露

(金陵科技學(xué)院，江蘇 南京 210000)

阻尼耗能裝置及其在抗震加固中的應(yīng)用綜述

錢(qián)寶年 宣衛(wèi)紅 宋永生 陳露露

(金陵科技學(xué)院，江蘇 南京 210000)

傳統(tǒng)抗震加固方法存在著諸多問(wèn)題，為了改進(jìn)傳統(tǒng)的抗震加固的做法，研究了以阻尼器應(yīng)用為標(biāo)志的消能減震技術(shù)，通過(guò)在建筑物的某些部位增加阻尼器，消耗由于震動(dòng)而產(chǎn)生的破壞建筑穩(wěn)定的能量。論述了目前較為常見(jiàn)的阻尼器的工作機(jī)理，特點(diǎn)及其應(yīng)用。

抗震加固，消能減震，阻尼器，建筑結(jié)構(gòu)

0 引言

地震是目前人類(lèi)尚難以完全抗御的主要災(zāi)害之一，對(duì)人類(lèi)的生命和社會(huì)財(cái)富造成了巨大的危害[1]。而我國(guó)大量的城鎮(zhèn)房屋已不滿(mǎn)足新規(guī)范的抗震設(shè)防要求，故從人們正常生活、生產(chǎn)的角度來(lái)看，需要對(duì)建筑進(jìn)行抗震加固。現(xiàn)如今粗放式的傳統(tǒng)抗震加固方法存在著質(zhì)量離散性大、能耗高、污染重和施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題，難以適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)工業(yè)化和綠色環(huán)保的行業(yè)發(fā)展需求。新型阻尼耗能裝置的研究與應(yīng)用顯得尤為重要。

1 抗震加固技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

1.1耗能裝置在我國(guó)的發(fā)展歷程

我國(guó)的抗震加固技術(shù)的發(fā)展[2-5]從1966年到1976年為試點(diǎn)階段，到1978年逐步進(jìn)入抗震加固技術(shù)的起步階段。1988年—1992年內(nèi)抗震加固與維修的結(jié)合又掀起了新的抗震加固高潮。1998年—2000年間，國(guó)家加大對(duì)抗震加固的投資，其中重要建筑的抗震加固共完成了357個(gè)項(xiàng)目，面積有600多萬(wàn)平方米。

1.2傳統(tǒng)的抗震加固方法

1)針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法。

a.增大截面法：在原有的混凝土構(gòu)件基礎(chǔ)上澆筑新的混凝土以增大其截面面積。

b.外包鋼加固法：是在被加固構(gòu)件四周包以角鋼，其分干式和濕式兩種形式。干式外包法，指角鋼直接包于構(gòu)件四周。濕式外包法，是指在角鋼和被加固構(gòu)件之間用乳膠水泥砂漿注入其縫隙。

c.改變受力體系加固法：即增設(shè)混凝土抗震墻、鋼支撐等新抗側(cè)力體系。

2)針對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的加固方法[5]。

a.面層或板墻加固：采用鋼筋網(wǎng)砂，水泥砂漿和現(xiàn)澆混凝土墻板對(duì)墻體進(jìn)行加固,在墻體的一側(cè)或兩側(cè)采用水泥砂漿面層、鋼筋網(wǎng)砂漿面層和現(xiàn)澆鋼筋混凝土板墻加固。

b.包角或鑲邊加固：對(duì)門(mén)窗洞、柱子、墻角邊進(jìn)行包角或鑲邊。

c.圈梁構(gòu)造柱加固：增加構(gòu)造柱，外圈梁常用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，內(nèi)圈梁常用鋼拉桿或加錨桿代替。

1.3消能減震技術(shù)加固優(yōu)勢(shì)

消能減震技術(shù)改“抗”為“消”，為抗震加固開(kāi)辟了一條新的道路。其主要優(yōu)勢(shì)有：

1)對(duì)原建筑的基本功能使用幾乎沒(méi)有影響，而且施工作業(yè)較為方便；

2)既能很好的保留建筑設(shè)計(jì)的原貌，又能顯著增加其抗震協(xié)調(diào)性能；

3)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)合理的抗震加固后耗能效果顯著，且符合相應(yīng)的抗震規(guī)范要求；

4)對(duì)比于傳統(tǒng)的抗震加固既加快了施工進(jìn)度又減少了經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)。

2 新型阻尼器的類(lèi)型及其工作機(jī)理

阻尼器根據(jù)是否有外部能量的輸入分為被動(dòng)式和主動(dòng)式阻尼器，主動(dòng)式阻尼裝置是利用外部能源,在結(jié)構(gòu)受激勵(lì)振動(dòng)過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力，從而迅速減振。與被動(dòng)式阻尼裝置相比，主動(dòng)式阻尼裝置效率更高，但其實(shí)施、運(yùn)行及維護(hù)成本也更高。本文主要介紹被動(dòng)式阻尼器，被動(dòng)式阻尼裝置可分為兩類(lèi)：第一類(lèi)被動(dòng)式阻尼裝置是使用次級(jí)質(zhì)量(剛體或液體)的輔助阻尼系統(tǒng)，其包括調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、調(diào)頻液體阻尼器等；第二類(lèi)被動(dòng)式阻尼裝置通過(guò)在裝置內(nèi)安裝特定材料來(lái)耗散地震能量，其基于阻尼器耗能參數(shù)相關(guān)原則可分為速度相關(guān)性、位移相關(guān)性、速度位移相關(guān)性阻尼器。速度相關(guān)型耗能器利用與速度有關(guān)的粘滯性抵抗作用，位移相關(guān)性阻尼器耗能特性主要與耗能器兩端的相對(duì)位移有關(guān)，位移速度相關(guān)型阻尼器其耗能特性與耗能器兩端的速度位移都相關(guān)。

2.1第一類(lèi)被動(dòng)式阻尼器

2.1.1調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)[6]是由質(zhì)量塊、彈簧、阻尼器組成的振動(dòng)系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。其工作原理是：原結(jié)構(gòu)由于加入了TMD系統(tǒng)，其動(dòng)力特性發(fā)生了變化，當(dāng)原結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，TMD系統(tǒng)隨之振動(dòng)，并產(chǎn)生控制力反作用于結(jié)構(gòu)上，從而減少結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。TMD系統(tǒng)能有效的衰減結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，并且經(jīng)濟(jì)、安全。TMD在建筑結(jié)構(gòu)中的實(shí)際應(yīng)用多集中于超高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制[7]。如電視塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制[8]、大跨度橋梁[9]和大跨度樓板結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)控制等[10]。

2.1.2調(diào)頻液體阻尼器(TLD)

調(diào)頻液體阻尼器系統(tǒng)[11](TLD)是利用裝置容器中液體的運(yùn)動(dòng)來(lái)吸收和消耗結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的振動(dòng)能量，從而達(dá)到耗能減振的目的，見(jiàn)圖2。TLD最初的研究應(yīng)用領(lǐng)域是太空飛行器和海洋輪船。目前利用TLD進(jìn)行風(fēng)荷載減振方面已經(jīng)獲得了很大成就，然而TLD對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的控制效果并不理想。

2.2速度相關(guān)型阻尼器

2.2.1粘滯阻尼器

粘滯液體阻尼器[13]是無(wú)初始剛度和受一定的溫度影響的耗能裝置，它利用液體粘性提供的阻尼來(lái)耗散振動(dòng)能量，能量的耗散主要依靠粘滯液體的流動(dòng)。其常見(jiàn)類(lèi)型的有缸式粘滯阻尼器和粘滯阻尼墻等(見(jiàn)圖3，圖4)。粘滯耗能器早期在軍事、機(jī)械工程中用于減輕沖擊或振動(dòng)，近年來(lái)在結(jié)構(gòu)抗震和抗風(fēng)領(lǐng)域也開(kāi)始應(yīng)用這種耗能器。

2.2.2粘彈性阻尼器

粘彈性阻尼器一般是由粘彈性材料和約束鋼板組成的減震耗能裝置，約束鋼板和粘彈性材料通過(guò)硫化方法成為一個(gè)整體，在反復(fù)軸向力作用下通過(guò),約束鋼板之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得粘彈性材料發(fā)生剪切變形以此來(lái)耗散能量，見(jiàn)圖5。

2.3位移相關(guān)型阻尼器

2.3.1金屬阻尼器

金屬阻尼器主要是由各種不同的金屬材料制成，當(dāng)結(jié)構(gòu)因振動(dòng)變形時(shí)，金屬阻尼器通過(guò)塑形屈服變形來(lái)消耗振動(dòng)產(chǎn)生的能量，從而減輕建筑的振動(dòng)響應(yīng)，見(jiàn)圖6。金屬阻尼器常見(jiàn)的類(lèi)型有鉛阻尼器和軟鋼阻尼器。金屬阻尼器相比于其他耗能裝置更便于在建筑結(jié)構(gòu)中安裝和更換，多與其他隔震裝置配合使用，其多用于建筑與橋梁的隔震減振，如鉛芯橡膠隔震墊[14]等。

2.3.2屈曲約束支撐(BRB)

屈曲約束支撐的中心是芯材，芯材被置于一個(gè)管套內(nèi)，管套內(nèi)灌注有混凝土或砂漿，芯材和砂漿之間設(shè)有一層無(wú)粘結(jié)材料或非常狹小的空氣層，外圍管套的存在使得芯材在受拉和受壓時(shí)都能達(dá)到屈服狀態(tài)，故消除了傳統(tǒng)支撐框架的支撐受壓屈曲問(wèn)題，因此在高烈度地震下有更強(qiáng)和更穩(wěn)定的能量耗散能力，見(jiàn)圖7。屈曲約束支撐作為典型的消能元件，在建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，例如:北京火車(chē)站加固改造工程[15]，北京飯店抗震加固工程[16]等。

2.3.3摩擦阻尼器

摩擦阻尼器在主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服前的預(yù)定荷載下發(fā)生摩擦滑移，依靠往復(fù)摩擦來(lái)耗散地震能量，摩擦力大小可通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)緊力大小來(lái)確定。設(shè)計(jì)時(shí)通常小震下起支撐作用，大震下發(fā)揮消能作用。當(dāng)結(jié)構(gòu)與外力共振時(shí)，其發(fā)生摩擦滑移，剛度降低，從而可以避開(kāi)共振頻率。目前研究開(kāi)發(fā)的摩擦阻尼器有普通摩擦阻尼器、Pall摩擦阻尼器、摩擦剪切鉸阻尼器、多級(jí)摩擦阻尼器以及摩擦復(fù)合耗能器[17]等。

2.4位移速度相關(guān)型阻尼器

最常見(jiàn)的位移速度相關(guān)型阻尼器是鉛粘彈性阻尼器，它是一種復(fù)合型阻尼器，是同時(shí)利用鉛的剪切或擠壓塑性變形和粘彈性材料的剪切變形來(lái)耗能，故在小變形時(shí)也具有良好的耗能能力。它由約束鋼板、薄鋼板、粘彈性材料層通過(guò)高溫硫化成整體，并將鉛芯灌入預(yù)留孔制作而成，見(jiàn)圖8，圖9。目前已研制出多種鉛粘彈性阻尼器，其中包括：鋼鉛粘彈性阻尼、鉛橡膠阻尼器、組合式鉛橡膠阻尼器等[18]。在潮汕星河大廈、東山錦軒和江蘇某中心建筑等工程中都有粘彈性阻尼器應(yīng)用的實(shí)例。

3 消能減震技術(shù)的不足及展望

現(xiàn)有常見(jiàn)的耗能減震裝置都存在一定的局限性，傳統(tǒng)的耗能減震裝置安裝使用價(jià)格昂貴，并且在強(qiáng)震后往往存在較大的殘余變形，需要更換和維修，造成大量的人力和物力損失。此外，耗能減震技術(shù)在實(shí)際建筑中的應(yīng)用需要廣泛推廣，需要盡快建立相應(yīng)的規(guī)范來(lái)指導(dǎo)其應(yīng)用的規(guī)范化和制度化，還需要研發(fā)更加節(jié)能、高效、安全、耐久性好、可行性強(qiáng)、殘余應(yīng)力變形小的新型阻尼裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的抗震加固思路存在著質(zhì)量離散性大、能耗高和污染重等問(wèn)題，其抗震機(jī)理主要是增大原結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)抵抗地震作用。而以新型阻尼器的應(yīng)用為代表的消能減震技術(shù)可以克服傳統(tǒng)抗震思路的缺陷，改“抗”為“消”，是一項(xiàng)應(yīng)用前景廣泛、值得推廣的新技術(shù)。

[1] 周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京:中國(guó)地震出版社,1997.

[2] 田 杰,劉志剛.我國(guó)建筑抗震加固的回顧與建議[J].工程抗震與加固改造,2006,28(6):16-19.

[3] 張敬書(shū).建筑抗震鑒定與加固[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

[4] 張敬書(shū),金德保,付寶明.汶川地震后建筑的抗震加固技術(shù)[J].工程抗震與加固改造,2011,33(1):106-111.

[5] 劉岸雄,苗啟松,李文峰.汶川地震后都江堰市砌體結(jié)構(gòu)震害調(diào)查及修復(fù)建議[A].汶川地震建筑震害調(diào)查與災(zāi)后重建分析報(bào)告[C].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008:113-114.

[6] 李春祥，劉艷霞，王肇民.質(zhì)量阻尼器的發(fā)展[J].力學(xué)進(jìn)展，2003，5(25)：2-4.

[7] 項(xiàng)海帆，瞿偉廉.高層建筑風(fēng)振控制基于規(guī)范的實(shí)用設(shè)計(jì)方法[J]．振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1999，12(2):151-156.

[8] 王肇民.電視塔結(jié)構(gòu)TMD風(fēng)振控制研究與設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1994(5):2-13.

[9] 張鳴祥，王建國(guó)，汪 權(quán)，等．大跨度橋梁耦合抖振的TMD控制[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35(2):211-215.

[10] 嚴(yán) 俊，王洪濤，施衛(wèi)星．TMD減振系統(tǒng)在樓蓋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J]．結(jié)構(gòu)工程師，2015,31(6):15-21.

[11] 高 猛，田志昌.用于高層結(jié)構(gòu)減振的調(diào)頻液體阻尼器研究[D].包頭:內(nèi)蒙古科技大學(xué),2012:1-4.

[12] V. J. Modi, F. Welt.Damping of wind induced oscillations through liquid sloshing[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1988(30):85-94.

[13] 張同忠,閆維明.粘滯阻尼器和鉛阻器的理論與試驗(yàn)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2004：3-4.

[14] 高峰利,趙躍宇.新型金屬阻尼器的減震機(jī)理及其在橋梁抗震中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2008:13-16.

[15] 北京火車(chē)站抗震加固與改造設(shè)計(jì)項(xiàng)目組．北京火車(chē)站抗震鑒定與加固技術(shù)[J]．工程抗震，2003(3):25-29．

[16] 梁繼東，董 聰，苗啟松．北京飯店消能減振抗震加固的靜力彈塑性分析[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2005，35(8):24-26．

[17] 史春芳,徐趙東,盧立恒.摩擦阻尼器在工程結(jié)構(gòu)中的研究與應(yīng)用[J].建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),2007(5):3-6.

[18] 周 云,吳從曉,鄧雪松.鉛粘彈性阻尼器的開(kāi)發(fā)、研究與應(yīng)用[J].工程力學(xué),2009,26(2):80-86.

[19] Stefano Cammelli，李彥輝，黃以良.高層建筑調(diào)諧液柱阻尼器的設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu),2016(10):5-6.

[20] 周 云,唐 榮,鐘根全,等.防屈曲耗能支撐研究與應(yīng)用的新進(jìn)展[J].防災(zāi)減震工程學(xué)報(bào),2012(15):7-9.

Dampingenergydissipationdeviceanditsapplicationinseismicreinforcement

QianBaonianXuanWeihongSongYongshengChenLulu

(JinlingInstituteofTechnology,Nanjing210000,China)

In order to improve the traditional seismic strengthening method, we have studied the energy dissipation and shock absorption technology based on the application of damper. By adding the damper in some parts of the building, consumethe energy that destroys the building due to vibration. This paper discusses the working mechanism, characteristics and application of the more common dampers.

seismic reinforcement, energy dissipation, damper, building structure

1009-6825(2017)30-0050-03

2017-08-14

錢(qián)寶年(1995- )，男，在讀本科生； 宣衛(wèi)紅(1964- )，女，教授； 宋永生(1985- )，男，講師 陳露露(1996- )，女，在讀本科生

TU352.1

A