消能減震裝置及其應用現狀

范定堅 林信陽

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

結構消能減震技術主要是在結構某些位置附加一些消能減震裝置，或是將結構的支撐、連接件等裝置設置為消能構件，當地震來臨時，消能減震裝置能夠通過自身運動或者位移來消耗一部分地震能量，減少傳入主體結構的地震能量，降低結構的地震反應，避免或者減少主體結構的損傷，是一種很有效的減震措施[1]。同時，消能減震裝置可以在抗震設計時減少主體結構構件的截面大小以及各種材料的使用量使結構變得更加“輕盈”，節省工程成本，消能減震裝置還具有易更換、安裝方便。Soong和Spencer驗證了附加能量耗散裝置能夠大大提升建筑物的抗震性能[2]。目前消能減震裝置發展的種類有很多種，主要分為金屬阻尼器、黏滯性阻尼器、調諧質量阻尼器(TMD)、非線性能量阱(NES)。本文介紹了現行主要的幾種消能減震裝置的原理以及最新應用進展。

1 金屬阻尼器

金屬阻尼器主要是利用金屬材料的彈塑性變形來進行吸收消耗地震能量。由于金屬在進入彈塑性狀態后具有良好的滯回性能，并在彈塑性滯回變形過程中，能夠吸收大量能量，同時具有耗能性能優越、構造簡單、制作方便、造價低廉、易于更換等優點，在實際工程中得到了廣泛的應用。金屬阻尼器主要包括軟鋼阻尼器和加勁鋼板阻尼器、剪切鋼板阻尼器、全鋼防屈服支撐、鉛擠壓阻尼器等。

軟鋼阻尼器主要是利用鋼材的彈塑性來吸收能量，設置在基礎和上部結構之間，配合隔震墊使用。加勁鋼板阻尼器耗能裝置主要由多塊平行的鋼板組成，工作原理是利用平面彎曲時產生較大的應力和大變形，令其產生較大的塑性變形，通過鋼板的側向屈服來進行耗能，優點在于相同厚度處的鋼板同時屈服，使材料的塑性性能得到充分的發揮，極大程度提高了其耗能能力。

剪切鋼板阻尼器主要由上下端板、中間型鋼組成，當地震來臨時，上下端板通過彎曲變形來吸收能量，中間型鋼通過剪切塑性變形來消耗能量，耗能機理：阻尼器上下端板通過中間支撐固定在結構內部，通過中間鋼板的變形來消耗地震剪切力，由于鋼板的剛度較大，當小震或者風震來臨時，阻尼器能夠提供較大的初始剛度，減少結構的初始變形；當遭遇大震時，結構通過中間鋼板的塑性變形來消耗地震能量，降低結構的地震反應，可以設置在結構之中，成為結構的一部分。

鉛擠壓阻尼器由于其良好的耗能性能、構造簡單、不易損壞、長期耗能能力穩定的優勢，得到了廣泛的應用。鉛相對于其他金屬材料，柔韌性好，具有高延展性和良好的塑性變形能力，并且可以在變形、應變硬化后進行再結晶恢復，耗能能力較強，滯回曲線飽滿。

2 黏滯性阻尼器

液體黏滯性阻尼器主要由密封缸體、活塞、活塞桿以及黏性阻尼介質組成，當活塞與缸體發生相對位移時，缸內的壓力迫使黏性介質通過活塞孔流出，阻尼器兩端的振動通過黏性介質轉換為熱量，從而達到耗能目的。

黏滯性阻尼器具有寬頻范圍內運動位移不受建筑結構反應的約束，產生的阻尼力與位移異相(即存在近似的π/2相位差)等優點，在新建工程以及既有或震損建筑修復中得到廣泛使用。運用黏滯阻尼器改善建筑結構的抗震性，具有很多優點：可提高結構阻尼比，增大結構的耗能性；阻尼器受激勵頻率影響小，適應性強；阻尼器易安裝、更換，施工方便。

影響黏滯性阻尼器性能的因素有：阻尼介質、安裝形式以及溫度等因素，研究表明：黏滯性阻尼器中的阻尼器不會影響結構的自振周期，因此阻尼器設計可以不考慮阻尼器的因素，可以有效簡化設計[3]。

3 調諧質量阻尼器(TMD)

TMD最早是由Frahm發明的一種吸振器，是一個附加在主體結構上的由質量塊振子、彈簧以及阻尼器組成，振子通過彈簧與阻尼器相連，TMD整體安裝在結構頂層，當主體結構受到外部激烈而產生振動時，子結構隨之一起振動，吸振器質量塊運動方向與主結構相異，通過彈簧作用一個與主結構質量慣性相對抗的力，將主體結構的地震力轉移到TMD上。TMD主要是利用共振原理，對主體結構的振型(主要是第一振型)動力響應進行控制。阻尼具有拓寬振動控制頻率范圍的作用，從而可以有效抑制更寬頻帶的振動。

TMD作為一種通過俘獲結構的頻率來進行工作的耗能減震裝置，理論與技術發展比較成熟，性能可靠，可以明顯增強結構的抗震性能，減震效果明顯，施工操作簡單。

TMD的主要影響因素有：質量比(TMD質量與結構整體質量之比)、頻率、阻尼比。因此很多相關理論都致力于研究TMD參數的優化。DenHartog[4]通過無阻尼單自由度結構與TMD之間的位移傳遞函數來對TMD的參數進行優化。TMD需要選擇一個合理的阻尼，阻尼過大會降低TMD的運動幅值，抑制結構的控制效果，合適的阻尼比，可以使TMD在較寬的頻率范圍內生效，較好地抑制主體結構的振動。

4 非線性能量阱(Nonlinear Energy Sink，NES)減震器

非線性能量阱(NES)是近年來新興發展的一種新型減震裝置，由于其簡單易用、魯棒性強及減震所需時間短等優點，許多學者對其進行了研究。

NES是利用共振原理，當主體結構達到NES頻域范圍之內時，利用強非線性剛度，將地震的一部分能量傳遞給振子，通過振子的振動來進行耗能。NES相對于主體結構質量小，布置位置靈活，對主體結構的振動起到很大的控制作用，同時由于NES具有非線性，拓寬了減震器的頻率。

振動控制減震裝置廣泛應用于航天、機械等行業之中，傳統的線性減震器只能對單一的固有頻率附近具有良好的減震效果，隨著非線性減震器研究的深入，非線性減震器由于其頻率在一定寬度之內，理論上可以在一個較寬的頻帶之內取得良好的減震效果。針對NES振動控制原理及其力學性能，國內外研究學者進行了深入研究，Robe Rson提出了利用非線性振子來吸收地震能量，保護主體結構，控制結構的地震響應[5]；Vakakis等人將這類類似于立方體剛度，用于振動控制的非線性減震器命名為“非線性能量阱(NES)”[6]；張也弛等人對NES參數進行研究和優化[7]；孔憲仁等人研究了在簡諧荷載作用下NES的力學性能及減震效果[8]。

5 結語

從目前各國耗能減震裝置研究現狀來看，金屬阻尼器、黏滯性阻尼器和TMD已經廣泛應用到實際結構當中，對這三種減震器力學性能以及安裝形式等進行了深入研究，并表現出良好的減震性能；現階段對NES減震器的力學性能還不夠深入，將NES應用到實際結構中的研究處于初步階段，對NES剛度、質量比等參數以及NES在實際結構中的應用還有待進一步研究。