建筑節點耗能減震技術研究進展★

遲 春 廣

(中國人民解放軍92304部隊，海南 三亞 572018)

1 概述

我國處于地震高發的地帶，以往大地震如汶川地震，玉樹地震，導致建筑物倒塌，造成人民生命財產損失的教訓是慘痛的，針對近年來對以往地震過后建筑物的研究，發現建筑結構在遭遇強震過程中，建筑節點(梁柱節點、梁墻節點)易發生破壞，傳統節點抗震設計方法過于被動，主要靠增大建筑節點截面尺寸或者增加節點配筋，這樣容易增加建筑成本，且增加配筋之后，容易造成建筑物的整體剛度增大，對地震作用產生放大的作用，適得其反，因此傳統的抗震設計具有很多的不足。

2 建筑節點耗能減震技術

建筑節點耗能減震技術是一種主動的防震措施。在建筑節點安裝抗震耗能裝置，可以作為抗震第一道防線，首先裝置可以承擔地震荷載、儲存或消耗能量，減輕地震對結構造成的損害。既可保護建筑結構本身，又可保護人民生命安全，且經濟適用。目前建筑節點耗能減震技術主要有摩擦型節點耗能技術，軟金屬屈服節點耗能技術，記憶合金耗能技術。

3 摩擦型節點耗能技術

3.1 特性描述

摩擦型節點耗能技術最早出現于1970年左右，該耗能原理為通過螺栓控制，板間擠壓，調整產生摩擦力大小，地震作用時，位于建筑節點的摩擦型節點耗能裝置發生相對搓動，通過板間的相對滑移來消散梁柱節點積聚的能量。Pall與marsh于20世紀70年代最早研究出來了一種應用于建筑節點的摩擦耗能阻尼器，該摩擦型裝置由帶有鍍層的金屬板，以及金屬板兩側用于固定連接的高強螺栓構成，裝置的相對移動受板間摩擦力控制，而金屬板間的壓力決定摩擦力的大小，板間壓力大小可通過擰接金屬板兩邊的高強連接螺栓來調節[1]。在荷載較小或者小震作用下，裝置不發生變化；在較強的地震荷載作用下，裝置發生相對運動，通過板間的相對運動，產生摩擦力，吸收地震作用下建筑節點的能量達到了耗能，調節結構的自振頻率的作用。

3.2 力學模型

摩擦型耗能節點阻尼器依靠相對滑移產生摩擦力消散能量，摩擦力與速度頻率無直接關系，在循環力作用下其滯回曲線為矩形，其力學模型符合庫侖模型[2]，其基本假設為：

Fd=-fNsgn(x)

(1)

其中，Fd為庫侖摩擦力；N為法相壓力；f為摩擦系數；sgn為符號函數，sgn函數的影響，其阻尼不屬于線性變化。

3.3 實際工程應用

使用摩擦型節點耗能技術來增強結構的抗震性能已經普遍應用于很多實際建筑工程。云南省某中學新建的教學樓和食堂樓作為其中的一個試點工程，采用了歐進萍等人研制開發的T形芯板摩擦阻尼器和擬粘滯摩擦阻尼器[3]。云南省屬于地震高發區域，而該學校處于地震基本烈度9度的地區，3類場地，建筑物為三層框架結構。面積1 219 m2，高度10.4 m，耗能阻尼裝置使用斜撐承X型安置于結構中。在HELENA MONTANA地震波、HOLLISTER地震波以及一條人工波作用下，應用軟件對結構在較強的地震和較小的地震中反應進行了分析，分析結果滿足規范設計要求，具有較好的使用效果。

4 軟金屬屈服節點耗能技術

4.1 特性描述

由于軟金屬材料在受到外力作用時進入塑性階段將具有良好的滯回性能[4]，很多的節點耗能技術都采用軟金屬材料進行耗能，這些裝置通過拉伸或壓縮低屈服金屬進行能量的消耗。該類阻尼器穩定性好，耐久性強，抗高低溫，使用不受環境的干擾。20世紀70年代左右，Kelly與Skinner等[5]國外專家最先針對于軟鋼這種低屈服點金屬進行的建筑節點耗能效果的實驗研究。隨著建筑種類的多樣性，其他學者專家又相繼研發了適用于不同建筑物的軟金屬屈服節點耗能裝置。

4.2 力學模型

目前軟金屬屈服節點耗能技術應用最廣泛的為軟鋼阻尼器，軟鋼阻尼器常用的恢復力模型主要有三種，較為簡單為雙線性模型。由于雙線性模型結構簡單，物理思路清晰，所以目前工程中應用此模型較多[5]。圖1給出了雙線性模型，它是由軟鋼滯服曲線得到的。

雙線性模型結構過于簡單，為了更好地研究實際工程中阻尼器的力學性能變化，一般研究以Ramberg-Osgood模型和Bouc-Wen模型為主，Ramberg-Osgood模型是固體力學中描述材料在其屈服點附近的應力—應變關系(應力—應變曲線)的一個理論模型，其形式為：

(2)

其中，ε為應變，包含彈性應變和塑性應變；σ為總應力；E為材料楊氏模量；K和n均為與材料類型相關的常數。

Bouc-Wen模型最初由Bone于1967年提出，后Wen于1976年加以擴展推廣[6]，其經典微分方程如下:

R=akx+(1-α)kz

(3)

(4)

其中，R為恢復力;k為彈性剛度;α為屈服后剛度對彈性剛度的比值；z為滯變位移;A,n,β,γ均為控制恢復力曲線形狀常數。

4.3 實際工程應用

軟金屬屈服節點阻尼器在國內外已經被廣泛的使用，新西蘭惠靈頓使用套筒管柔性元件和軟鋼擠壓阻尼器作為抗震耗能體系應用于一座10層交叉支撐的鋼混結構辦公樓。新西蘭的很多隔震橋梁同樣使用了軟鋼擠壓阻尼器作為抗震耗能體系。在日本，軟鋼擠壓阻尼器作為抗震耗能體系應用于一幢高層鋼框架建筑和一幢低層的鋼框架建筑中，該阻尼器被安裝于墻板與框架連接節點處，通過在使用過程中對風振和地震荷載的分析，該類抗震耗能體系具有良好的抗震耗能效果。

5 記憶合金節點耗能技術

5.1 特性描述

形狀記憶合金(Shape Memory Alloys)，簡稱為SMA，形狀記憶合金在一定的應力作用下，會產生變形，并吸收能量，在應力撤掉之后，它可能逐漸消散能量，并恢復到受力之前的形狀，因為它具有較強的恢復能力，能抵抗成千上萬次的形狀變化，因而叫做“記憶合金”。此外，記憶合金還具有無磁性、抗腐蝕性、耐磨性，環保安全無污染的優點，是作為減震耗能理想的耗能材料，具有較好的應用前景。

5.2 力學模型

Graesser和Cozzarelli[7]建立了基于塑性理論的SMA本構模型。該模型形式相對簡單,在土木工程結構振動控制研究中得到了廣泛應用。其增率形式的本構方程如下：

(5)

(6)

其中，σ，ε分別為一維應力和應變；β為一維背應力；Y為給定溫度下的屈服應力；fT,α,n,c,a,E均為材料常數；erf(x)，[u(x)]分別為誤差函數和單位階越函數。

SMA阻尼器滯回模型如圖2所示。

5.3 實際工程應用

目前，由于造價，加工技術的限制，SMA節點耗能技術還未得到廣泛應用，但已有多家研究機構做過一些裝有SMA耗能裝置模型的地震模擬試驗，美國對SMA節點耗能技術研究較為先進，位于加州大學伯克利分校地震工程研究中心(EERC)對安裝鎳欽記憶合金拉力耗能裝置的交叉支撐三層鋼框架抗震性能做了研究，美國國家地震工程研究中心(NCEER)對裝有銅鋅鋁形狀記憶合金耗能裝置的五層鋼框架結構進行了抗震模擬實驗，對實驗結果進行分析，發現記憶合金耗能裝置在建筑受地震作用時，可高效的吸收節點能量，具有較好的抗震消能效果。

6 結論與展望

雖然許多關鍵性技術仍處于研究狀態，并且很多研究成果沒有應用到實際工程中，目前還急需要解決的問題有：

1)耗能阻尼裝置性能的提高，尤其是金屬耗能阻尼裝置耐腐蝕性，耐久性的研究。

2)耗能材料性能的研究，研發多功能耗，多階段的耗能材料，及改善耗能材料力學性能。

3)耗能裝置標準化，規范化推廣問題，目前對于建筑節點耗能減震技術沒有規范化，標準化的性能衡量模式。需國家制定相關規范，完善行業標準。

但在主動消能和建筑結構種類增加的大趨勢下，建筑節點阻尼器耗能減震技術有著很大的發展潛力，該技術可以提高建筑物的使用壽命，保護人民生命財產在地震來臨時減少損失。而且建筑節點阻尼器耗能減震技術依據耗能減震機理明確，實際耗能效果明顯，可用于不同烈度不同抗震防區的結構，不僅可應用于新建建筑，而且還適用于后安裝與老建筑物，因此，為架構的抗震設計和加固提供了一條嶄新的前途。

[1] 歐進萍，吳 斌.摩擦型與軟鋼屈服型耗能器的性能與減振效果的試驗比較[J].地震工程與工程振動，1995，15(3)：73-87．

[2] 張津娟，潘 文，葉燎原．國內外摩擦耗能器研究進展[J]．昆明理工大學學報，2004，29(1)：84-88．

[3] 吳 斌，張紀剛，歐進萍．三種阻尼器減震結構抗震性能的對比分析[J].世界地震工程，2004，20(1)：75-81．

[4] 李 鋼，李宏男．新型軟鋼阻尼器的減震性能研究[J]．振動與沖擊，2006，25(3):66-72.

[5] Kelly J M，Skinner R I，Heine A J．Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures[J].Bulletin of New Zealand National Society for Earthquake Engineering，1972，5(3):63-88．

[6] 朱旭東，呂西林，徐崇恩．軟鋼阻尼器基于Bouc-Wen模型的參數識別研究[J].結構工程師，2011，27(5):124-128.

[7] Graesser E J,Cozzarelli F A. Shape-memory alloys as new materials for aseismic isolation[J].Journal of Engineering, 1991(17)：18.