建筑消能減震加固技術介紹

薛彥濤

引言

全國既有建筑總量613億平方米，其中：城市房屋占1/3；需要改造40億平方米，還有大量的工業建筑。由于歷史、使用、規范變更、區域抗震設防變化等原因，建筑需進行抗震加固。采用消能減震技術加固是在現有建筑中安裝適當數量的消能器，當建筑遭遇地震作用時，消能器通過結構變形消耗建筑結構的振動能量，將部分建筑結構的動能轉為熱能消散掉，大大減少建筑結構本身的位移或變形，使原本不能滿足承載能力和變形能力抗震目標的房屋達到預期的抗震目標，從而實現房屋的抗震加固目的。從1990年八五科技攻關開始進行消能減震研究工作，1998年完成北京火車站等3個重要工程的消能減震加固。至今，全國已有大量建筑，尤其是中小學校舍、醫院的抗震加固采用了消能減震技術。

為進一步規范消能減震加固技術在現有建筑（除古建筑外，建成并投入使用2年以上的建筑）中的應用，經過長期的研究和實踐積累，2014年中國建筑科學研究院會同同濟大學、清華大學、北京市建筑設計研究院等單位開始編制《建筑消能減加固技術規程》，2019年 4月1日頒布實施，適用于抗震設防烈度為6度、7度、8度、9度地區的現有建筑采用消能減震技術進行抗震加固的設計、施工、驗收、維護及消能減震產品檢測。本文將基于此規程從加固目標、消能器、計算與設計、施工與驗收等方面對建筑消能減震加固技術進行簡要的介紹，以期更多人了解這種技術并促進這種技術的發展和其在工程中的實際應用。

加固目標

消能減震加固和傳統加固一樣需要在抗震鑒定的基礎上開展。設防目標除了 “小震不壞、中震可修、大震不倒”的基本要求外，根據近年來房屋抗震設計更加精細化的發展趨勢，特別提出采用性能化設計，以滿足特殊建筑更優化的加固方案要求和更高的抗震設防目標；性能化設計使房屋加固從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過渡，這種目標可以是針對房屋承重結構的，也可以是針對建筑內重要設備或者非承重構件的，從宏觀震害角度可以分為完好無損壞、輕微損壞、中等破壞（一般加固即恢復使用）和不嚴重破壞（經過大修加固后可恢復使用）四個等級。針對不同的預期目標設計不同的加固方案，在充分的論證后選擇最佳加固方案。在《建筑消能減加固技術規程》的基本規定中針對從高到低的四級預期性能目標，給出了“三水準”（多遇地震、設防地震、罕遇地震）作用下建筑的宏觀損壞程度、層間變形位移角和承載力要求的具體指標，為按照性能化目標進行建筑加固提供了依據。

消能器

消能器是消能減震加固中的關鍵裝置，它和相關的支撐或者連接構件組成消能部件，安裝到現有建筑中，實現抗震加固的目的。消能器通過內部材料或構件的摩擦、來回往復的變形（彈性、塑性或黏性）來耗散或吸收地震能量。其中金屬消能器是由各種不同金屬材料元件或構件制成，利用金屬元件或構件屈服時產生的彈塑性滯回變形來耗散地震能量，由于這種變形是不可恢復的，所以設計意圖是只有在發生罕遇地震的情況下才發揮作用。摩擦消能器是由鋼元件或構件、摩擦片和預壓螺栓等組成，利用兩個或兩個以上元件或構件間發生相對位移時產生的摩擦做功而耗散地震能量；黏滯消能器是由缸體、活塞、黏滯材料等部分組成，利用黏滯材料運動時產生黏滯阻尼來耗散能量；而黏彈消能器是由黏彈性材料和鋼板或圓形、方形或矩形鋼筒等組成，利用黏彈性材料的剪切變形來耗散能量的減震裝置。摩擦消能器、黏滯消能器和黏彈消能器在風或者小地震作用下就應該進入工作狀態。另外屈曲約束支撐由核心單元、外約束單元等組成，是一種利用核心單元產生彈塑性滯回變形耗散能量的減震裝置，由于這種支撐可以和鋼筋混凝土框架共同工作，適用于超過規范要求高度的框架結構加固（圖1）。

根據工作原理劃分，黏滯消能器和黏彈消能器屬速度相關型消能器，其耗能減震能力與地震中房屋振動的速度有關；摩擦消能器和各類金屬消能器（包含屈曲約束支撐）屬位移相關型消能器，其耗能減震能力與地震中房屋振動的位移有關。

圖1 某幼兒院采用屈曲約束支撐抗震加固

消能器應具有良好的耐久性和環境適應性，在工程使用前應通過相關質量檢測。目前，建筑用消能器尚未形成標準化產品，各生產廠家多以工程要求定制產品，其性能穩定性和質量存在很大不確定性，因此，消能器應進行嚴格的檢驗。首先，生產廠商應嚴格出廠檢驗要求，對黏滯消能器、黏彈消能器和摩擦消能器應進行必要的力學性能檢驗，出具產品合格證。其次，在工程安裝前應進行抽檢，檢驗由具有資質的第三方試驗室完成。檢驗數量根據消能檢測后能否使用有所不同，黏滯消能器、黏彈消能器和摩擦消能器檢驗后仍可使用，抽檢數量20%，對重要工程，設計人員可增加消能器的抽檢數量。除本規程外，消能器型式檢驗內容和檢驗要求應符合現行行業標準《建筑消能阻尼器》JG/T 209和《建筑消能減震技術規程》JGJ 297中相關規定要求。

消能減震技術在結構加固中的應用始于20世紀90年代末，還沒有超過現有規范規定的建筑加固后續使用年限，消能器的實際使用年限還未得到驗證，只能通過推算的方法預測消能器的使用年限。金屬類消能器由于金屬材料的穩定性比較明確，只要做好防腐蝕處理，滿足加固后續使用年限是沒有問題的。黏滯消能器中采用了高分子材料，存在一定耐久性問題，主要是密封件的老化，目前多數生產廠家保證的使用年限是30年。

計算與設計

采用消能減震技術進行加固時，應進行多遇地震下的強度驗算和彈性變形計算，同時進行罕遇地震下的彈塑性變形計算。89版建筑抗震設計規范首次提出了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標，設計中，小震不壞體現在結構的強度驗算和控制彈性

變形，結構承載力滿足地震作用效應要求，結構變形滿足結構構件和非結構構件不開裂的要求。罕遇地震作用下，通過結構構造措施和彈塑性變形驗算，將結構變形控制在極限變形范圍內，滿足大震不倒的要求。彈塑計算軟件日趨成熟，使得結構在罕遇地震下的變形驗算成為可能，因此，本規范規定采用消能減震技術加固的結構應進行罕遇地震下的彈塑性計算。

彈塑性計算要求工作人員對計算軟件的功能有切實的了解，計算模型的選取應符合本規程及有關標準的規定，設計時對所有計算結果進行判別，確認其合理有效后方可在設計中應用。例如汶川地震中，大量樓梯出現拉斷破壞，說明樓梯在結構中起了斜撐作用，計算時，應針對具體結構的不同，考慮其作用，區別對待。框架結構樓梯斜撐作用明顯，計算模型應計入樓梯單元；抗震墻結構或樓梯周圈有抗震墻時，可忽略樓梯的作用；其他情況需設計人員根據經驗判斷。

具體的抗震加固方案應根據房屋抗震鑒定的結果，綜合分析現有建筑的現狀和加固目標，區別對待，提出合理方案。如果鑒定結果是建筑剛度較小，地震下變形較大，宜采用既能提高結構剛度又能耗能減震的金屬或摩擦消能器；如果房屋結構不規則，地震時容易發生扭轉和由于相鄰樓層剛度突變發生薄弱層破壞，則可以選用屈曲約束支撐進行局部加固。由于作用在結構上的地震作用，通過樓板傳遞到消能部件上，所以如果房屋樓板整體性不夠，比如采用預制樓板，則應在樓面鋪40～50mm的混凝土現澆層或采取加強樓面整體性的措施。

以多層和高層鋼筋混凝土房屋為例進行消能減震加固，具體可根據所列情況選用位移相關型消能器（含屈曲約束支撐，以下同）、速度相關型消能器等（圖2）。

1.房屋剛度不足、明顯不均勻或有明顯扭轉效應時，可采用位移相關型消能器加固。

2.結構構件的承載力不足或抗震構造措施不滿足要求且房屋剛度足夠時，框架結構可增設速度相關型消能器加固。其他類型的結構可采用位移相關型消能器或速度相關型消能器。

圖2 某商場頂層影劇院改造消能減震加固采用軟鋼消能器和摩擦消能器加固

圖3 消能子結構范圍

3.剛度和承載力均不滿足時，可采用位移型消能器加固。

4.單跨框架，宜設置屈曲約束支撐加固，并在必要時加強樓蓋和屋蓋的整體性。

消能部件通常沿結構兩個主軸方向設置，宜設置在結構相對變形或速度較大的部位，其數量和分布應通過綜合分析合理確定。另外消能子結構是與消能部件相關聯，并保障消能器發揮作用的結構單元，當消能器僅用于對結構薄弱層加強時，消能子結構范圍可取對應加強樓層及其下一層，且向下范圍可不超過嵌固層頂，其他情況消能子結構范圍應從消能器所在樓層向下一直延伸到嵌固層頂部，如圖3所示。

施工與驗收

1.消能部件由消能器和支撐或連接消能器的構件組成。按照現行國家標準《建筑工程施工質量驗收統一標準》GB 50300對分部、分項工程的劃分原則，將消能部件工程劃分為結構加固分部工程的一個子分部工程進行施工質量驗收。

消能部件子分部工程可按不同施工階段劃分相應的分項工程，其中消能部件原材料和成品的進場驗收，是指進入消能部件各分項工程實施現場的主要原材料、標準件、成品件或其他特殊定制成品（如消能器等）的進場驗收。

消能部件中附加鋼結構的制作，可劃分為鋼零件及鋼組件的加工、鋼構件組裝、組裝的焊接連接、緊固件連接、鋼構件預拼裝、鋼構件防腐涂料涂裝等六個分項工程。

消能部件安裝維護，可劃分為消能部件安裝、安裝和焊接連接、緊固件連接、消能部件防腐防火涂料涂裝等四個分項工程。

各階段的施工作業，應根據具體工程設計情況確定其所含的分項工程。

檢驗批是分項工程施工質量管理和驗收的基本單元，可根據與施工方式一致且便于質量控制的原則劃分。消能部件分項工程的檢驗批，可按主體結構檢驗批的劃分方法確定，例如按樓層、施工流水段、變形縫等劃分。

2.消能器進場驗收時應提供產品合格證或產品自檢合格報告；監理（建設單位）對消能器的檢驗內容為：消能器的規格型號、性能參數、制作偏差、外觀、包裝，以及針對本項工程的具有檢測資質的（至少包括CMA檢測資質）第三方產品抽檢報告。

3.消能器進場后應由設計單位、施工單位、監理（建設單位）共同確認并委托具有相應資質及檢驗能力的第三方機構進行抽樣檢驗。

消能器制作是一項專門技術，其采用的材料除鋼材、焊接材料和緊固件外，還有油、橡膠及其他黏滯材料，以及摩擦材料、礦質材料、涂料等。因此，產品在進場時各類材料以及消能器成品應具有質量合格證，并注明成品的規格型號、性能參數、制作偏差等，應符合現行行業標準《建筑消能阻尼器》JG/T209及設計文件的規定。

消能部件維護

為保證消能部件在地震作用下能正常發揮預定功能，確保建筑結構的安全，并為以后工程應用和標準修訂積累經驗，業主或房產管理部門應在建筑結構使用過程中進行維護管理。定期檢查是由物業部門對消能部件本身及其與建筑物連接的狀況進行的正常檢查，其目的是力求盡早發現可能的異常以避免消能部件不能正常使用。消能器達到使用年限后應進行抽樣檢驗，抽樣率不小于3%，當檢驗結果不合格時，應加大一倍數量進行檢驗，如檢驗結果仍不合格時，應進行全數檢驗，并對不合格的消能器進行更換。

當遭遇多遇地震時，結構變形較小，消能器位移也不大，通常不需要進行特別關注，只需增加一次常規檢查即可。結構遭遇設防地震和罕遇地震后，消能器會發生較大變形，檢查時應對消能器、支撐和連接節點進行認真檢查。罕遇地震后還應對消能器進行抽檢，檢驗內容由設計單位確定。

結束語

多年來我國在采用消能減震技術進行抗震加固方面開展了大量的試驗研究，取得了系統的研究成果，并在實踐中積累了豐富經驗。采用消能減震加固方案可極大減少對結構構件的直接加固，只需要對與消能減震部件相連接的構件進行加固，是這種技術最大的優勢。鑒于消能減震加固能大幅提高建筑的抗震能力，使現有建筑采用消能減震加固后達到更高的抗震設防目標，消能減震加固非常適用于有性能化設計需求的工程。

消能減震技術適用范圍較廣，可用于不同結構類型和高度的建筑加固。消能器利用結構變形消耗能量，因此需要結構有一定的變形能力，鋼筋混凝土框架結構、框架抗震墻結構、框架- 筒體結構、混合結構、鋼結構等都具有較強的變形能力。此外，底框結構（底部框架上部砌體結構）中的底部框架、內框架砌體結構、單層及多層工業廠房也可采用消能減震技術加固；裝配式建筑可根據其結構特點選用適合的消能減震技術。實踐證明這種加固技術力學機制明確，在未來的鋼筋混凝土和鋼結構建筑加固中比傳統的加固技術有更廣泛的應用空間，也更為經濟有效。尤其是鋼筋混凝土框架結構，采用消能減震技術進行加固，無論是加固效果、加固工期，還是加固成本，都是較優的選擇。但這種加固方法對設計人員的綜合素質要求較高，尚未形成標準化產品，各生產廠家多以工程要求定制產品，其性能穩定性和質量存在很大不確定性。