消能建筑技術在結構改造加固中的應用

楊勁松 張凡辰 王宇鑫

摘 要：早期進行的抗震加固大多是借助鋼筋網片噴射混凝土、粘鋼法等提升結構構件強度以處理抗震問題。但在具體應用期間，這一依靠提升剛性結構的抗震方法并未考慮到減震消能本身的作用，使得地震出現后無法減慢震波所出現的位移。盡管傳統性抗震結構在進行物理加固后所具有的抗震性能得到提升，但是，如果碰到更強烈的地震，就會因為建筑較大而使得結構構件出現震裂，讓建筑整體受到破壞。

關鍵詞：消能建筑技術;結構改造;加固;應用

1 傳統抗震技術

直到今天，人類也很難提前預測地震，這種危害極大的自然災害。每次大地震的發生，都會給人類帶來經濟損失或者巨大傷亡事故。20世紀70年代，人們逐漸關注建筑結構的抗震性能，提出了從概念出發的抗震設計理念。在嚴重災害面前，人們開始意識到抗震設計與結構內力計算設計、結構構造設計一樣必要。利用結構自身的抗側剛度來抵抗地震作用產生的變形，是傳統抗震手段。但是地震在開始的時間、發生的地點和作用強度等方面具有很大的隨機性，建筑的地震反應與結構的動力特性、結構所在的場地以及地震波的頻譜特性等均有聯系，這直接導致為了安全，不斷加大柱子、剪力墻等截面和鋼筋用量，造成一定的材料浪費。雖然人們對地震進行長時間大量的研究，但迄今為止仍不能精確地預報地震的發生，對地震仍然缺乏足夠的認識。按照一般的建筑結構抗震設計方法，對地震能量和特性以及使結構產生的效應的估計是不精確的。

2 消能減震技術的基本原理

國內對阻尼器的研究起步較晚，系統的研究正在逐漸展開。20世紀90年代初，同濟大學等大學及科研院所的學者們開始對粘滯流體阻尼器進行探索。其中東南大學率先系統全面地研究粘滯阻尼器，于1999年初步完成了兩類經典的阻尼器，即單出桿粘滯阻尼器和雙出桿粘滯阻尼器，后來又研制出多種型號的粘滯流體阻尼器，并通過對比試驗研究和進一步改進，獲得國家專利。消能減震技術是指把結構主體的某些部位設置阻尼器，通過阻尼器發生相對運動產生的相對變形或相對加速度提供附加阻尼，來耗散部分輸入建筑的地震能量，達到減震抗震的目的。消能桿件是由結構中的支撐、剪力墻、連接件等構件設計成的，消能裝置是在結構的某些部位（層間、空間、節點、連接縫等）直接安裝。在小風作用下或遭遇多遇地震（小震）時，消能桿件（或消能裝置）和原建筑結構共同作用，其結構本身仍處于彈性工作狀態，結構變形、位移等滿足規范規定的正常使用狀態要求;在強風作用下或遭遇大震（設防地震、罕遇地震）時，結構側向位移增大，使得消能桿件或消能減震裝置產生較大的阻尼，耗散較多地震和風振產生的能量，使結構動力作用快速衰減，從而避免建筑結構達到彈塑狀態，使結構某些部位發生不可逆轉的變形或破壞。

3 消能裝置的各個種類、性能、恢復力模型

建筑結構消能減震器有粘滯消能器、粘彈性消能器、金屬屈服型消能器和摩擦型消能器等幾種;消能減震裝置有摩擦型阻尼器、金屬屈服阻尼器、粘彈性阻尼器。

3.1 摩擦型阻尼器

摩擦型阻尼器就是借助元件之間出現的滑動而實現耗能，消能器的特征就是橫連板、豎連桿一同構成四連桿，摩擦型阻尼器借助X形支撐發揮出消能作用，且其支撐可無需考慮到支撐臨界力所帶來的影響。支撐構件一直都保持拉壓的變形量間相等，壓桿屈服作用對支撐的耗能效果不會帶來影響。

為了將四連桿組件的耗能發揮到極致，這一組件的尺寸應適宜。其余摩擦型阻尼器主要還包括了長孔滑移型螺栓節點阻尼器、摩擦剪切鉸阻尼器。以上阻尼器本身的摩擦耗能與庫侖特性都較為良好，且可以參照需求來選取更為適宜的起滑荷載，獲得適當的抗側剛度，在出現小震后，摩擦阻尼不會發揮出作用，消能器可給予建筑附加剛度，在出現大地震后，借助消能器本身的移動來進行耗能，減少建筑所受到的破壞。

3.2 金屬屈服阻尼器

金屬屈服阻尼器借助軟鋼屈服所得到的塑性變形來進行能量耗散的。由于軟鋼在得到屈服后所具有的滯回特性更良好，所以有研究人員研究并分析了三角形、X形鋼板屈服消能器所具有的特性，這一軟鋼板消能器具有更為穩定的滯回特性與較為良好的低周疲勞性能，且對環境具有更強的適應性，長時間穩定性也更為良好。此外，鉛阻尼器也十分普遍，由于鉛熔點較低、密度較大，所以其在出現變形后，可吸收到大多數的能量，且其具有更強的變形可追蹤能力，借助動態性回復與再結晶等有關的過程就能夠恢復至初始狀態下;這一阻尼器通常配備了橡膠墊，類似于摩擦型阻尼器，金屬屈服阻尼器，不但能給予建筑更為充足的剛度，還能給予更多的阻尼。

3.3 粘彈性阻尼器

粘彈性阻尼器就是借助粘彈材料本身的剪切變形來對地震能量進行耗散。在粘彈性阻尼器中，主要包括了約束板、粘彈性材料等，其中間材料是具有粘彈性的一種高分子材料，具有彈簧、流體阻尼等各類特性，且還具有粘性。

在建筑設計與使用中，科學地應用部分粘彈性阻尼器能提升建筑的阻尼系數，如此，建筑本身的震損水平就會大幅下降。粘彈性阻尼器對比其余種類的消能減震裝置而言，具有以下優勢。

3.3.1 出現輕微的結構振動就能馬上發揮出消能作用。因此，處于極小的彈性振動下，也具有十分良好的控制振動作用。

3.3.2 力–位移的滯回曲線趨近于橢圓形，其耗能性能十分良好。在高層鋼結構中，安置粘彈性阻尼器總體的阻尼能夠增大數倍，所以可減少高層鋼建筑受到地震力、風力后所引起的振動。

4 在建筑中隔震加固技術的應用

在建筑結構設計中，隔震措施比較多，其中比較典型的隔震措施有3種：基礎隔震、層間隔震、特殊材料隔震。通常情況下，在特殊材料所建的地基中，特殊材料主要有3種：黏土、砂子和瀝青。

4.1 相對而言，采用基礎隔震所取得的隔震效果更加明顯一些，一般基礎隔震措施會應用于形態規則的建筑之中。基礎隔震設計中，常用的隔震裝置主要有兩種，即鉛心橡膠隔震支座和疊層橡膠隔震支座。

4.2 層間隔震措施就是將抗震和隔震結合到一起。層間隔震的基本原理是在原來的結構上安裝耗能減震裝置，這種裝置是由質量（增層結構、隔熱層或質量塊）和隔震支座所構成。

4.3 特殊材料隔震可以使地震波被削弱，從而使地震作用降到最低。在以往的建筑中，有很多建筑使用的材料是砂子和黏土，用這兩種材料進行基礎層建設，從而降低地震的作用力。如今，建筑能夠使用的隔震材料越來越多，還出現了彈性隔震磚，也就出現了新的隔震技術，通過使用特殊的技術特殊的材料進行基礎層建設會大幅降低地震影響。

5 結語

近年來，我國在消能減震抗震加固技術領域進行了大量的試驗研究，取得了系統的研究成果，并在實踐中積累了豐富的經驗。該技術的最大優點是可以大大減少結構構件的直接加固，只需對與耗能減震構件連接的構件進行加固。鑒于消能減震加固能大大提高建筑物的抗震能力，使既有建筑物在采用消能減震加固后能達到更高的抗震設防目標，消能減震加固非常適合有性能化設計要求的工程。

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