建筑消能、減震技術特點對比及應用探討

景凱宇，成 芳

（赤峰學院 建筑與機械工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

1 前言

對于減小地震對建筑物的影響，通常以抗震設計方法為主.我國采用的是“兩階段”設計方法，在多遇地震作用下，結構按彈性行為進行設計，依靠自身剛度和強度抵抗地震反應；在罕遇地震作用下，結構按彈塑性階段進行設計，依靠結構塑性變形與自身延性抵抗地震作用.此設計方法是以保證人員安全為基準進行設計的，在大多數情況下能滿足實際需求.但是，對于一些特殊建筑如：保證人員安全與緊急救援的生命線工程、高精度技術加工設備和核工業設備，這種設計理念是不滿足要求的.

另外，隨著居住要求的提高，裝修成本逐年提高，部分建筑的內部裝修費用已經超過了結構的土建投入，在此基礎上如果仍然按“兩階段”設計方法進行設計，建筑物的震后修復成本是驚人的.因此，不能單純從建筑自身抗震方面解決抗震問題，對于特殊建筑需要從地震波向建筑傳播階段就開始考慮抗震問題，減小結構的地震反應，才能滿足以上亟待解決的問題.

消能、減震主要研究如何從源頭減小地震反應，通過隔離、抵消等方法降低地震對建筑物的破壞作用，從而保證建筑內設備、人員等的安全.消能減震設備一般情況下會提高建筑成本，而我國由于建國初期經濟基礎薄弱，從上世紀80年代才開始關注消能、減震技術，發展時間較短，隨著近些年基礎設施的迅速發展，我國在此方面也有了長足的發展.本文參考國內外相關文獻，將消能減震大體分為三種途徑：1.隔震系統；2.消能系統；3.TMD系統，并將其加以對比.

2 各種消能、減震技術特點的對比

2.1 隔震減震

隔震措施的原理是在房屋基礎、底部或下部結構與上部結構之間設置由橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成的具有整體復位功能的隔震層，用以延長整個結構體系的自振周期，減少輸入上部結構的水平地震作用，達到預期防震要求.這其中的作用效果由兩方面組成，一方面是隔震層具有較大的阻尼，從而使地震作用的衰減大于無隔震建筑；另一方面，隔震層具有很小的側移剛度，在傳遞振動的過程中大大延長結構物的基本周期，使結構加速反應進一步降低.

隔震裝置主要由隔震器和阻尼器兩部分組成.常見的隔震器有：（1）疊層橡膠支座，它是由多層橡膠和多層鋼板或其他材料交替疊置結合而成的一種豎向承載力高、水平剛度小、水平側移容許值較大的裝置；（2）滑動支座，它是在上部結構與基礎之間設置一層滑移構造層，在小震或風荷載作用時，靜摩擦力使結構固結于基礎上，大震時，結構水平滑動，減小地震作用，并以其摩擦阻尼耗散地震能量；（3）滾動支座，是利用高強合金制成的滾珠（或滾軸）涂以防銹或防滑涂層后置于上部結構與基礎之間，地震作用下以滾珠或滾軸的滾動來達到隔震的目的.阻尼器是通過局部的阻尼消耗傳遞到建筑物上的振動能量的裝置，常見的阻尼器有：（1）金屬屈服阻尼器；（2）粘滯阻尼器，由汽缸及其內部的液壓硅油組成，利用活塞頭左右的壓力差，使硅油通過小孔和活塞與缸體的空隙，從而產生阻尼力；（3）粘彈性阻尼器，它主要由粘彈性材料和約束鋼板組成，連接的鋼板再與結構構件相連.

隔震裝置有一定的局限性的，對于堅硬場地的減震效果比較理想，而對于軟弱場地效果相對較差，而且對于豎向振動隔震措施通常沒有減震效果，對于長周期水平振動還存在共振的危險性.另一方面，由于隔震結構是預先安裝在建筑物相應部位的，其阻尼與側移剛度是基本固定的，對于不同的地震波，其隔震效果也就有所不同.由結構動力學知識可知，只有隔震構件阻尼在臨界阻尼附近下，建筑物的振動才能有較好的衰減效果這也使其應用受到了一定的限制.在工程應用當中，如何合理選擇或優化摩擦系數和復位剛度，如何保持摩擦系數長期不變是提高隔震效果和性能可靠度的難點.

2.2 消能減震

消能減震的原理是通過在房屋結構的某些部位設置的消能（阻尼）裝置（或元件），通過消能（阻尼）裝置產生的彈塑性滯回變形來耗散或吸收地震輸入結構中的能量，以減少主體結構的地震反應，從而避免結構產生破壞或倒塌.

常見的消能裝置有：（1）消能阻尼器，當建筑物發生相對相對位移時，裝置會產生較大阻尼，從而發揮消能作用；（2）消能支撐，是預先安裝在結構局部的一些支撐結構，在結構發生形變或位移時，先于結構主體發生屈服或產生摩擦阻尼，以達到保護主體結構的目的.

消能措施的優點是構造簡單，性能穩定，價格低廉，易于推廣應用，不但可以用于新建筑物的抗震防護，還能用于已有建筑物提高其抗震能力.

但其應用也有一定的局限性，對于脆性變形較小的結構，由于其破壞前的變形相對較小，而消能結構的阻尼是與位移或速度相關的，結果導致其消能減震作用得不到充分發揮.在實際應用過程中，消能構建的屈服強度的設計也是難點，雖然屈服極限可調，但一旦確定就不能更改.如果選擇的太高，在中小地震中將起不到阻尼耗能的作用；如果選的過低在大地震作用下變形將明顯增大，耗能能力相應減弱.對于螺栓組成的阻尼器，如何使緊固力在使用期內保持不變也是比較困難的.今后應用過程中需要突破的難點使如何使消能構件適應不同地震強度的消能要求.

2.3 TMD系統

TMD系統，又叫調諧質量阻尼器系統 (tuned mass damper，TMD），是在建筑物（主結構）設置一個與結構本身自振周期完全相同的結構（次結構），通常是在頂層設置懸掛的金屬重球，當結構偏離平衡位置時，重球系統會因此產生一個相反的運動趨勢而給建筑物一個等周期的回復力，回復力的存在將減少振動持續的時間和幅度.

此系統結構相對簡單，易于建造但是無形當中大幅增加了結構的自重，安裝TMD系統也要有較大的空間供其進行擺動運動，也就增加了整體的建造成本.為了克服這一不足，新型的TMD系統利用結構本身的屋頂作為TMD質量塊、用基礎隔震中采用的疊層橡膠支座和阻尼器代替TMD中的彈簧阻尼器.這樣就不需要增加額外質量，屋頂的空間也不會被占用，也不需要增加額外的空間了.

TMD的減震效果主要取決于質量比、頻率比和阻尼比，由于后面兩個參數在振動過程中是可變的，因此很難使系統在各個階段都有最佳的減震效果.今后可以著眼于開發新型實用的機構，發展定型產品，研究配套的計算方法和構造措施，擴大其在實際工程中的應用，充分發揮減震效果.而且此系統相對推廣較難，每個TMD系統只能針對具體的建筑，對于降低成本和積累經驗都難度較大.

3 發展前景展望

綜上可見，任何一種隔震消能方式都不是萬能的，需要因地制宜選用適合具體建筑結構的消能減震形式并結合當地的積累的地震數據才能最好的發揮效果.各種隔震消能方式相互取長補短，結合應用能取得較好的效果.例如層間隔震技術，它通過在樓層間設置隔震裝置，一方面減小了隔震裝置上部重要結構的地震響應；另一方面通過合理設計、計算，令上部結構的自振周期與結構整體的自振周期重合使其發揮類似TMD系統中金屬重球的作用，通過上部結構提供的回復力進一步減小地震影響.此種結合不但能獲得良好的隔震消能效果，同時彌補了TMD系統占地面積大的不足起到事半功倍的作用.

在未來的發展中，還應該重視理論與實踐的結合.建議首先應從政策層面著手，提高現有規范的要求使得隔震消能成為一種強制要求，用于抵消由于技術不成熟、建設設計成本大幅提高使業主產生的積極性不高的情緒，推動技術應用，在應用過程中積累經驗完善技術.此外，還要掃清政策障礙.例如在高層隔震體系設計中，隔震層的受拉問題是設計重點.如果想在設計當中避免傾覆力矩使隔震支座受拉，應遵循柱距要大，抗震墻要整，抗震墻盡量居中等要求，而這與抗震規范中要求抗震墻分散布置在四周以控制結構的扭轉效應向沖突.希望未來能將規范做出修改或進一步細化，避免這種技術應用中尷尬情況.其次，在應用的過程中要推進標準化進程，具體體現在：（1）裝置標準化，通過標準化使得工程經驗可以復制、推廣，同時也能降低生產和施工成本，推進技術在實際工程應用；（2）標準化以后，積累的實際經驗和觀察資料可以為今后的技術研發和改進提供數據支持，促進技術完善升級.

有了以上兩步作為基礎，根據應用中的經驗可以進一步提高技術的成熟度.在材料方面，力求尋找更經濟，阻尼可控的適應振動范圍更廣的阻尼的材料，提高技術對于不同震級、不同地震波的消能作用范圍.在技術應用方面，通過觀測和實驗改進技術使其能在實際工程中發揮效果.2008年在日本巖手縣地震中觀測到了豎直加速度有4000伽(GAL)之多，這表明對于某些離震源較近的地震，豎向地震動的破壞能力不能小覷，因此對于地震高發區，豎向隔震也要引起足夠的重視.應根據當地情況進行3D隔震設計，即增加豎向隔震裝置.

4 結語

總體來說，隔震減震技術是隨著經濟發展和超高層建筑物的迅猛發展而突飛猛進的，但在發展過程中還是遇到了一些問題，如能突破這些瓶頸必將有更廣闊的應用空間.另外，由于筆者的收集資料和個人水平有限，難免有疏漏和偏頗之處，希望各位同仁指正.