阻尼耗能装置及其在抗震加固中的应用综述

钱宝年 宣卫红 宋永生 陈露露

(金陵科技学院，江苏 南京 210000)

阻尼耗能装置及其在抗震加固中的应用综述

钱宝年 宣卫红 宋永生 陈露露

(金陵科技学院，江苏 南京 210000)

传统抗震加固方法存在着诸多问题，为了改进传统的抗震加固的做法，研究了以阻尼器应用为标志的消能减震技术，通过在建筑物的某些部位增加阻尼器，消耗由于震动而产生的破坏建筑稳定的能量。论述了目前较为常见的阻尼器的工作机理，特点及其应用。

抗震加固，消能减震，阻尼器，建筑结构

0 引言

地震是目前人类尚难以完全抗御的主要灾害之一，对人类的生命和社会财富造成了巨大的危害[1]。而我国大量的城镇房屋已不满足新规范的抗震设防要求，故从人们正常生活、生产的角度来看，需要对建筑进行抗震加固。现如今粗放式的传统抗震加固方法存在着质量离散性大、能耗高、污染重和施工周期长等问题，难以适应建筑结构工业化和绿色环保的行业发展需求。新型阻尼耗能装置的研究与应用显得尤为重要。

1 抗震加固技术的应用与发展

1.1耗能装置在我国的发展历程

我国的抗震加固技术的发展[2-5]从1966年到1976年为试点阶段，到1978年逐步进入抗震加固技术的起步阶段。1988年—1992年内抗震加固与维修的结合又掀起了新的抗震加固高潮。1998年—2000年间，国家加大对抗震加固的投资，其中重要建筑的抗震加固共完成了357个项目，面积有600多万平方米。

1.2传统的抗震加固方法

1)针对混凝土结构的加固方法。

a.增大截面法：在原有的混凝土构件基础上浇筑新的混凝土以增大其截面面积。

b.外包钢加固法：是在被加固构件四周包以角钢，其分干式和湿式两种形式。干式外包法，指角钢直接包于构件四周。湿式外包法，是指在角钢和被加固构件之间用乳胶水泥砂浆注入其缝隙。

c.改变受力体系加固法：即增设混凝土抗震墙、钢支撑等新抗侧力体系。

2)针对砌体结构的加固方法[5]。

a.面层或板墙加固：采用钢筋网砂，水泥砂浆和现浇混凝土墙板对墙体进行加固,在墙体的一侧或两侧采用水泥砂浆面层、钢筋网砂浆面层和现浇钢筋混凝土板墙加固。

b.包角或镶边加固：对门窗洞、柱子、墙角边进行包角或镶边。

c.圈梁构造柱加固：增加构造柱，外圈梁常用现浇钢筋混凝土，内圈梁常用钢拉杆或加锚杆代替。

1.3消能减震技术加固优势

消能减震技术改“抗”为“消”，为抗震加固开辟了一条新的道路。其主要优势有：

1)对原建筑的基本功能使用几乎没有影响，而且施工作业较为方便；

2)既能很好的保留建筑设计的原貌，又能显著增加其抗震协调性能；

3)结构经过合理的抗震加固后耗能效果显著，且符合相应的抗震规范要求；

4)对比于传统的抗震加固既加快了施工进度又减少了经济耗费。

2 新型阻尼器的类型及其工作机理

阻尼器根据是否有外部能量的输入分为被动式和主动式阻尼器，主动式阻尼装置是利用外部能源,在结构受激励振动过程中，对结构施加控制力，从而迅速减振。与被动式阻尼装置相比，主动式阻尼装置效率更高，但其实施、运行及维护成本也更高。本文主要介绍被动式阻尼器，被动式阻尼装置可分为两类：第一类被动式阻尼装置是使用次级质量(刚体或液体)的辅助阻尼系统，其包括调谐质量阻尼器、调频液体阻尼器等；第二类被动式阻尼装置通过在装置内安装特定材料来耗散地震能量，其基于阻尼器耗能参数相关原则可分为速度相关性、位移相关性、速度位移相关性阻尼器。速度相关型耗能器利用与速度有关的粘滞性抵抗作用，位移相关性阻尼器耗能特性主要与耗能器两端的相对位移有关，位移速度相关型阻尼器其耗能特性与耗能器两端的速度位移都相关。

2.1第一类被动式阻尼器

2.1.1调谐质量阻尼器(TMD)

调谐质量阻尼器系统[6]是由质量块、弹簧、阻尼器组成的振动系统，见图1。其工作原理是：原结构由于加入了TMD系统，其动力特性发生了变化，当原结构在外荷载作用下产生振动时，TMD系统随之振动，并产生控制力反作用于结构上，从而减少结构的动力反应。TMD系统能有效的衰减结构的动力反应，并且经济、安全。TMD在建筑结构中的实际应用多集中于超高层结构风振控制[7]。如电视塔结构风振控制[8]、大跨度桥梁[9]和大跨度楼板结构竖向振动控制等[10]。

2.1.2调频液体阻尼器(TLD)

调频液体阻尼器系统[11](TLD)是利用装置容器中液体的运动来吸收和消耗结构所产生的振动能量，从而达到耗能减振的目的，见图2。TLD最初的研究应用领域是太空飞行器和海洋轮船。目前利用TLD进行风荷载减振方面已经获得了很大成就，然而TLD对结构地震反应的控制效果并不理想。

2.2速度相关型阻尼器

2.2.1粘滞阻尼器

粘滞液体阻尼器[13]是无初始刚度和受一定的温度影响的耗能装置，它利用液体粘性提供的阻尼来耗散振动能量，能量的耗散主要依靠粘滞液体的流动。其常见类型的有缸式粘滞阻尼器和粘滞阻尼墙等(见图3，图4)。粘滞耗能器早期在军事、机械工程中用于减轻冲击或振动，近年来在结构抗震和抗风领域也开始应用这种耗能器。

2.2.2粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器一般是由粘弹性材料和约束钢板组成的减震耗能装置，约束钢板和粘弹性材料通过硫化方法成为一个整体，在反复轴向力作用下通过,约束钢板之间相对运动使得粘弹性材料发生剪切变形以此来耗散能量，见图5。

2.3位移相关型阻尼器

2.3.1金属阻尼器

金属阻尼器主要是由各种不同的金属材料制成，当结构因振动变形时，金属阻尼器通过塑形屈服变形来消耗振动产生的能量，从而减轻建筑的振动响应，见图6。金属阻尼器常见的类型有铅阻尼器和软钢阻尼器。金属阻尼器相比于其他耗能装置更便于在建筑结构中安装和更换，多与其他隔震装置配合使用，其多用于建筑与桥梁的隔震减振，如铅芯橡胶隔震垫[14]等。

2.3.2屈曲约束支撑(BRB)

屈曲约束支撑的中心是芯材，芯材被置于一个管套内，管套内灌注有混凝土或砂浆，芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层，外围管套的存在使得芯材在受拉和受压时都能达到屈服状态，故消除了传统支撑框架的支撑受压屈曲问题，因此在高烈度地震下有更强和更稳定的能量耗散能力，见图7。屈曲约束支撑作为典型的消能元件，在建筑结构消能减震设计中已经得到广泛应用，例如:北京火车站加固改造工程[15]，北京饭店抗震加固工程[16]等。

2.3.3摩擦阻尼器

摩擦阻尼器在主要结构构件屈服前的预定荷载下发生摩擦滑移，依靠往复摩擦来耗散地震能量，摩擦力大小可通过调节预紧力大小来确定。设计时通常小震下起支撑作用，大震下发挥消能作用。当结构与外力共振时，其发生摩擦滑移，刚度降低，从而可以避开共振频率。目前研究开发的摩擦阻尼器有普通摩擦阻尼器、Pall摩擦阻尼器、摩擦剪切铰阻尼器、多级摩擦阻尼器以及摩擦复合耗能器[17]等。

2.4位移速度相关型阻尼器

最常见的位移速度相关型阻尼器是铅粘弹性阻尼器，它是一种复合型阻尼器，是同时利用铅的剪切或挤压塑性变形和粘弹性材料的剪切变形来耗能，故在小变形时也具有良好的耗能能力。它由约束钢板、薄钢板、粘弹性材料层通过高温硫化成整体，并将铅芯灌入预留孔制作而成，见图8，图9。目前已研制出多种铅粘弹性阻尼器，其中包括：钢铅粘弹性阻尼、铅橡胶阻尼器、组合式铅橡胶阻尼器等[18]。在潮汕星河大厦、东山锦轩和江苏某中心建筑等工程中都有粘弹性阻尼器应用的实例。

3 消能减震技术的不足及展望

现有常见的耗能减震装置都存在一定的局限性，传统的耗能减震装置安装使用价格昂贵，并且在强震后往往存在较大的残余变形，需要更换和维修，造成大量的人力和物力损失。此外，耗能减震技术在实际建筑中的应用需要广泛推广，需要尽快建立相应的规范来指导其应用的规范化和制度化，还需要研发更加节能、高效、安全、耐久性好、可行性强、残余应力变形小的新型阻尼装置。

4 结语

传统的抗震加固思路存在着质量离散性大、能耗高和污染重等问题，其抗震机理主要是增大原结构的刚度来抵抗地震作用。而以新型阻尼器的应用为代表的消能减震技术可以克服传统抗震思路的缺陷，改“抗”为“消”，是一项应用前景广泛、值得推广的新技术。

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Dampingenergydissipationdeviceanditsapplicationinseismicreinforcement

QianBaonianXuanWeihongSongYongshengChenLulu

(JinlingInstituteofTechnology,Nanjing210000,China)

In order to improve the traditional seismic strengthening method, we have studied the energy dissipation and shock absorption technology based on the application of damper. By adding the damper in some parts of the building, consumethe energy that destroys the building due to vibration. This paper discusses the working mechanism, characteristics and application of the more common dampers.

seismic reinforcement, energy dissipation, damper, building structure

1009-6825(2017)30-0050-03

2017-08-14

钱宝年(1995- )，男，在读本科生； 宣卫红(1964- )，女，教授； 宋永生(1985- )，男，讲师 陈露露(1996- )，女，在读本科生

TU352.1

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