阻尼耗能裝置及其在抗震加固中的應用綜述

錢寶年 宣衛紅 宋永生 陳露露

(金陵科技學院，江蘇 南京 210000)

阻尼耗能裝置及其在抗震加固中的應用綜述

錢寶年 宣衛紅 宋永生 陳露露

(金陵科技學院，江蘇 南京 210000)

傳統抗震加固方法存在著諸多問題，為了改進傳統的抗震加固的做法，研究了以阻尼器應用為標志的消能減震技術，通過在建筑物的某些部位增加阻尼器，消耗由于震動而產生的破壞建筑穩定的能量。論述了目前較為常見的阻尼器的工作機理，特點及其應用。

抗震加固，消能減震，阻尼器，建筑結構

0 引言

地震是目前人類尚難以完全抗御的主要災害之一，對人類的生命和社會財富造成了巨大的危害[1]。而我國大量的城鎮房屋已不滿足新規范的抗震設防要求，故從人們正常生活、生產的角度來看，需要對建筑進行抗震加固。現如今粗放式的傳統抗震加固方法存在著質量離散性大、能耗高、污染重和施工周期長等問題，難以適應建筑結構工業化和綠色環保的行業發展需求。新型阻尼耗能裝置的研究與應用顯得尤為重要。

1 抗震加固技術的應用與發展

1.1耗能裝置在我國的發展歷程

我國的抗震加固技術的發展[2-5]從1966年到1976年為試點階段，到1978年逐步進入抗震加固技術的起步階段。1988年—1992年內抗震加固與維修的結合又掀起了新的抗震加固高潮。1998年—2000年間，國家加大對抗震加固的投資，其中重要建筑的抗震加固共完成了357個項目，面積有600多萬平方米。

1.2傳統的抗震加固方法

1)針對混凝土結構的加固方法。

a.增大截面法：在原有的混凝土構件基礎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，指角鋼直接包于構件四周。濕式外包法，是指在角鋼和被加固構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：即增設混凝土抗震墻、鋼支撐等新抗側力體系。

2)針對砌體結構的加固方法[5]。

a.面層或板墻加固：采用鋼筋網砂，水泥砂漿和現澆混凝土墻板對墻體進行加固,在墻體的一側或兩側采用水泥砂漿面層、鋼筋網砂漿面層和現澆鋼筋混凝土板墻加固。

b.包角或鑲邊加固：對門窗洞、柱子、墻角邊進行包角或鑲邊。

c.圈梁構造柱加固：增加構造柱，外圈梁常用現澆鋼筋混凝土，內圈梁常用鋼拉桿或加錨桿代替。

1.3消能減震技術加固優勢

消能減震技術改“抗”為“消”，為抗震加固開辟了一條新的道路。其主要優勢有：

1)對原建筑的基本功能使用幾乎沒有影響，而且施工作業較為方便；

2)既能很好的保留建筑設計的原貌，又能顯著增加其抗震協調性能；

3)結構經過合理的抗震加固后耗能效果顯著，且符合相應的抗震規范要求；

4)對比于傳統的抗震加固既加快了施工進度又減少了經濟耗費。

2 新型阻尼器的類型及其工作機理

阻尼器根據是否有外部能量的輸入分為被動式和主動式阻尼器，主動式阻尼裝置是利用外部能源,在結構受激勵振動過程中，對結構施加控制力，從而迅速減振。與被動式阻尼裝置相比，主動式阻尼裝置效率更高，但其實施、運行及維護成本也更高。本文主要介紹被動式阻尼器，被動式阻尼裝置可分為兩類：第一類被動式阻尼裝置是使用次級質量(剛體或液體)的輔助阻尼系統，其包括調諧質量阻尼器、調頻液體阻尼器等；第二類被動式阻尼裝置通過在裝置內安裝特定材料來耗散地震能量，其基于阻尼器耗能參數相關原則可分為速度相關性、位移相關性、速度位移相關性阻尼器。速度相關型耗能器利用與速度有關的粘滯性抵抗作用，位移相關性阻尼器耗能特性主要與耗能器兩端的相對位移有關，位移速度相關型阻尼器其耗能特性與耗能器兩端的速度位移都相關。

2.1第一類被動式阻尼器

2.1.1調諧質量阻尼器(TMD)

調諧質量阻尼器系統[6]是由質量塊、彈簧、阻尼器組成的振動系統，見圖1。其工作原理是：原結構由于加入了TMD系統，其動力特性發生了變化，當原結構在外荷載作用下產生振動時，TMD系統隨之振動，并產生控制力反作用于結構上，從而減少結構的動力反應。TMD系統能有效的衰減結構的動力反應，并且經濟、安全。TMD在建筑結構中的實際應用多集中于超高層結構風振控制[7]。如電視塔結構風振控制[8]、大跨度橋梁[9]和大跨度樓板結構豎向振動控制等[10]。

2.1.2調頻液體阻尼器(TLD)

調頻液體阻尼器系統[11](TLD)是利用裝置容器中液體的運動來吸收和消耗結構所產生的振動能量，從而達到耗能減振的目的，見圖2。TLD最初的研究應用領域是太空飛行器和海洋輪船。目前利用TLD進行風荷載減振方面已經獲得了很大成就，然而TLD對結構地震反應的控制效果并不理想。

2.2速度相關型阻尼器

2.2.1粘滯阻尼器

粘滯液體阻尼器[13]是無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耗散振動能量，能量的耗散主要依靠粘滯液體的流動。其常見類型的有缸式粘滯阻尼器和粘滯阻尼墻等(見圖3，圖4)。粘滯耗能器早期在軍事、機械工程中用于減輕沖擊或振動，近年來在結構抗震和抗風領域也開始應用這種耗能器。

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硫化方法成為一個整體，在反復軸向力作用下通過,約束鋼板之間相對運動使得粘彈性材料發生剪切變形以此來耗散能量，見圖5。

2.3位移相關型阻尼器

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，當結構因振動變形時，金屬阻尼器通過塑形屈服變形來消耗振動產生的能量，從而減輕建筑的振動響應，見圖6。金屬阻尼器常見的類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構中安裝和更換，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，芯材被置于一個管套內，管套內灌注有混凝土或砂漿，芯材和砂漿之間設有一層無粘結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都能達到屈服狀態，故消除了傳統支撐框架的支撐受壓屈曲問題，因此在高烈度地震下有更強和更穩定的能量耗散能力，見圖7。屈曲約束支撐作為典型的消能元件，在建筑結構消能減震設計中已經得到廣泛應用，例如:北京火車站加固改造工程[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構構件屈服前的預定荷載下發生摩擦滑移，依靠往復摩擦來耗散地震能量，摩擦力大小可通過調節預緊力大小來確定。設計時通常小震下起支撐作用，大震下發揮消能作用。當結構與外力共振時，其發生摩擦滑移，剛度降低，從而可以避開共振頻率。目前研究開發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、多級摩擦阻尼器以及摩擦復合耗能器[17]等。

2.4位移速度相關型阻尼器

最常見的位移速度相關型阻尼器是鉛粘彈性阻尼器，它是一種復合型阻尼器，是同時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耗能，故在小變形時也具有良好的耗能能力。它由約束鋼板、薄鋼板、粘彈性材料層通過高溫硫化成整體，并將鉛芯灌入預留孔制作而成，見圖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用的實例。

3 消能減震技術的不足及展望

現有常見的耗能減震裝置都存在一定的局限性，傳統的耗能減震裝置安裝使用價格昂貴，并且在強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，耗能減震技術在實際建筑中的應用需要廣泛推廣，需要盡快建立相應的規范來指導其應用的規范化和制度化，還需要研發更加節能、高效、安全、耐久性好、可行性強、殘余應力變形小的新型阻尼裝置。

4 結語

傳統的抗震加固思路存在著質量離散性大、能耗高和污染重等問題，其抗震機理主要是增大原結構的剛度來抵抗地震作用。而以新型阻尼器的應用為代表的消能減震技術可以克服傳統抗震思路的缺陷，改“抗”為“消”，是一項應用前景廣泛、值得推廣的新技術。

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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

錢寶年(1995- )，男，在讀本科生； 宣衛紅(1964- )，女，教授； 宋永生(1985- )，男，講師 陳露露(1996- )，女，在讀本科生

TU352.1

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