消能減震技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

尚世力

（吉林大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519000）

關(guān)鍵字：消能減震；發(fā)展；應(yīng)用；建筑結(jié)構(gòu)

地震是一種自然現(xiàn)象，地球每天都在發(fā)生地震，一些震級比較微小地震和發(fā)生在深海的地震，通常不會引起我們的關(guān)注，因?yàn)檫@類地震不會造成建筑的損傷。而發(fā)生在大陸附近、震級較大的往往會引起我們關(guān)注，這類地震破壞力大，往往會造成大量的人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失。科研人員就如何減輕建筑結(jié)構(gòu)的破壞方面做了大量的科學(xué)研究，提出了許多切實(shí)可行的方法。總結(jié)起來主要從三個角度入手，第一個角度是如何提高結(jié)構(gòu)的自身抵抗能力，使得結(jié)構(gòu)能夠抵抗外部的地震作用，傳統(tǒng)的做法是加大結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，使其自身強(qiáng)壯，這種方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，效果明顯，比較實(shí)用，主要通過加大梁柱、加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施來實(shí)現(xiàn)這一目的，但是這種結(jié)構(gòu)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震是以犧牲自己來抵抗地震，其往往在地震中破壞會比較嚴(yán)重，對于后期的救援和災(zāi)后重建不利。第二個角度是在結(jié)構(gòu)中安裝耗能裝置，通過耗能裝置來吸收大部分的地震能量，達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)的目的，這種方法在建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)比較廣泛。第三個角度是阻止地震能量向結(jié)構(gòu)傳播，從減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，通常的做法是在建筑和結(jié)構(gòu)之間加一個隔震墊，這種方法很有效地減少地震能量向結(jié)構(gòu)中傳播，大大地減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，應(yīng)用比較廣泛，但是隔震建筑對上部結(jié)構(gòu)的高度比較敏感，因此廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中和一些多高層建筑中。通過在結(jié)構(gòu)中安裝消能器的方法稱為消能結(jié)構(gòu)或者減震結(jié)構(gòu)，通過在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間安裝隔震墊的結(jié)構(gòu)稱為隔震結(jié)構(gòu)。兩種方式同時使用的結(jié)構(gòu)稱為消能減震結(jié)構(gòu)。

1 消能結(jié)構(gòu)體系及其應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)中安裝阻尼器形成消能減震結(jié)構(gòu)，通過消能器的耗能達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的，目前廣泛使用的消能器有屈曲約束支撐 （BRB） 、黏滯阻尼器、摩擦阻尼器、金屬剪切阻尼器、黏滯阻尼墻等。常用的消能器主要是屈曲約束支撐和黏滯阻尼器。

1.1 屈曲約束支撐

屈曲約束支撐 （Buckling restrained brace） 主要由三部分構(gòu)成[1]：芯材、外套筒和他們之間的填充材料，其中新材和填充材料之間要涂刷一層無黏結(jié)材料或者形成空氣層（gap），如圖1所示。屈曲約束支撐在工作的時候是芯材與主體結(jié)構(gòu)相連，外界的作用力施加給芯材，套筒和填充材料共同工作保證芯材不發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此屈曲約束支撐在工作時候是發(fā)生軸向變形，通過芯材的軸向變形來吸收地震能量，從而減輕地震對主體結(jié)構(gòu)的破壞。要使屈曲約束支撐更好地發(fā)揮性能，就要求屈曲約束支撐的破壞早于主體結(jié)構(gòu)破壞，屈曲約束支撐作為結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線，通常屈曲約束支撐布置在層間位移比較大的部位。屈曲約束支撐不僅可以耗能，也能兼做結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用，因此在結(jié)構(gòu)中使用屈曲約束支撐能夠改變結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)構(gòu)在正常使用時，屈曲約束支撐處于彈性狀態(tài)，能夠承擔(dān)一部分作用力。屈曲約束支撐應(yīng)用比較廣泛，多高層以及超高結(jié)構(gòu)都有應(yīng)用，不僅能用于鋼結(jié)構(gòu)，也能用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。人民日報(bào)社大樓是一個全鋼結(jié)構(gòu)[2]，該結(jié)構(gòu)的核心筒不規(guī)則，在使用常規(guī)方案遇到困難的情況下，考慮使用屈曲約束支撐，很好地解決了這一問題，該項(xiàng)目共采用曲約束支撐890根，是芯材為LY225的屈曲約束支撐在單 幢建筑上規(guī)模最大的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]中的教學(xué)樓是一個屈曲約束支撐-混凝土結(jié)構(gòu)，該項(xiàng)目如果使用純框架，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度將無法滿足要求，在結(jié)構(gòu)增加屈曲約束支撐之后很好地解決了這一問題。

圖1 屈曲約束支撐原理圖

1.2 黏滯阻尼器

黏滯阻尼器最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的振動控制始于20世紀(jì)80年代，隨著科研水平的進(jìn)步，黏滯阻尼器也不斷地在改進(jìn)，目前在實(shí)際工程中的應(yīng)用比較成熟。黏滯阻尼器在工作時利用粘滯流體通過節(jié)流孔時會產(chǎn)生粘滯阻尼力的原理而制成的，黏滯阻尼器在結(jié)構(gòu)只是改變結(jié)構(gòu)的阻尼而不改變結(jié)構(gòu)的剛度，粘滯阻尼有缸式、筒式和黏滯阻尼墻，應(yīng)用比較多的是缸式的黏滯阻尼器 （見圖2）。通常黏滯阻尼器的組成分為：缸體、阻尼材料、阻尼孔、活塞和導(dǎo)桿，圖3是一種雙出桿型黏滯阻尼器[4]。

圖2 缸式黏滯阻尼器

圖3 雙出桿型黏滯阻尼器

黏滯阻尼器主要用于結(jié)構(gòu)的振動控制，在結(jié)構(gòu)增加黏滯阻尼器不會改變結(jié)構(gòu)的剛度，并且黏滯阻尼器耗能性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的抗震和抗風(fēng)控制中。由于黏滯阻尼器不改變結(jié)構(gòu)的剛度，只起到改善結(jié)構(gòu)的阻尼作用，能夠大大減輕結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的舒適性，在一些高層建筑和大跨度建筑中常常使用黏滯阻尼器。北京新機(jī)場采用的是混合隔震技術(shù)[5]，在隔震層附設(shè)黏滯阻尼器來限值隔震層位移，該項(xiàng)目使用了144套黏滯阻尼器，最大阻尼為1 250 kN，極限位移為±800 mm。

2 調(diào)諧減震技術(shù)

調(diào)諧減震技術(shù)的工作原理不同于消能減震理論，調(diào)諧減震技術(shù)主要是在主體結(jié)構(gòu)上附加一個減震子結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)子結(jié)構(gòu)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)的振動控制。調(diào)諧減震器主要有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 （TMD） 、調(diào)諧液體阻尼器 （TLD） 、擺式質(zhì)量阻尼器等。

2.1 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 （TMD）

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 （TMD） 是附加在結(jié)構(gòu)上的一種減震子結(jié)構(gòu)，TMD由彈簧或者吊索、質(zhì)量塊和阻尼器組成，通過控制TMD相關(guān)參數(shù)，使得其固有頻率接近主體結(jié)構(gòu)的自振頻率或者激勵頻率，但結(jié)構(gòu)收到振動時，子結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生協(xié)振，從而使得子結(jié)構(gòu)吸收主體結(jié)構(gòu)的振動能量，達(dá)到減輕主體結(jié)構(gòu)振動的目的[6]。目前TMD主要用于超高層結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)振動控制，臺北的101大廈，上海環(huán)球金融中心等均采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器來達(dá)到減振目的。

2.2 調(diào)諧液體阻尼器 （TLD）

調(diào)諧液體阻尼器 （TLD） 是一種新型的減振裝置，通過在主體結(jié)構(gòu)固定一個裝有液體的水箱來減輕主體結(jié)構(gòu)的振動，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)收到外界振動時，通過液體的晃動和液體與水箱之間的黏結(jié)耗能從而達(dá)到減輕主體結(jié)構(gòu)的振動[8]。這種阻尼器通常用于超高層結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)振動，對于超高層結(jié)構(gòu)來說，消防安全也是非常重要，使用調(diào)諧液體阻尼器一方面能夠減輕結(jié)構(gòu)的振動，其次，這種調(diào)諧液體阻尼器也可兼作消防水箱，另外，調(diào)諧液體阻尼器安裝簡單、經(jīng)濟(jì)、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，因此越來越多的超高層減震采用調(diào)諧液體阻尼器來控制結(jié)構(gòu)振動。廣州電視塔 （小蠻腰） 就采用了協(xié)調(diào)液體阻尼器來減輕結(jié)構(gòu)的振動。

3 結(jié)語

隨著越來越多的學(xué)者對結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)進(jìn)行研究，給出許多減輕結(jié)構(gòu)振動的解決方案。阻尼器的性能也不斷地在改善，減震效果在不斷地提高，消能減震器越來越多的運(yùn)用到實(shí)際工程中，大大地改善了結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)性能，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。