消能减震技术的发展及其应用

尚世力

（吉林大学珠海学院，广东 珠海 519000）

关键字：消能减震；发展；应用；建筑结构

地震是一种自然现象，地球每天都在发生地震，一些震级比较微小地震和发生在深海的地震，通常不会引起我们的关注，因为这类地震不会造成建筑的损伤。而发生在大陆附近、震级较大的往往会引起我们关注，这类地震破坏力大，往往会造成大量的人员伤亡和巨大经济损失。科研人员就如何减轻建筑结构的破坏方面做了大量的科学研究，提出了许多切实可行的方法。总结起来主要从三个角度入手，第一个角度是如何提高结构的自身抵抗能力，使得结构能够抵抗外部的地震作用，传统的做法是加大结构的强度和刚度，使其自身强壮，这种方法实现起来比较简单，效果明显，比较实用，主要通过加大梁柱、加强节点的构造措施来实现这一目的，但是这种结构在进行结构抗震是以牺牲自己来抵抗地震，其往往在地震中破坏会比较严重，对于后期的救援和灾后重建不利。第二个角度是在结构中安装耗能装置，通过耗能装置来吸收大部分的地震能量，达到保护结构的目的，这种方法在建筑结构应比较广泛。第三个角度是阻止地震能量向结构传播，从减少结构的地震反应，通常的做法是在建筑和结构之间加一个隔震垫，这种方法很有效地减少地震能量向结构中传播，大大地减少结构的地震反应，应用比较广泛，但是隔震建筑对上部结构的高度比较敏感，因此广泛应用于桥梁结构中和一些多高层建筑中。通过在结构中安装消能器的方法称为消能结构或者减震结构，通过在上部结构和基础之间安装隔震垫的结构称为隔震结构。两种方式同时使用的结构称为消能减震结构。

1 消能结构体系及其应用

在结构中安装阻尼器形成消能减震结构，通过消能器的耗能达到保护主体结构的目的，目前广泛使用的消能器有屈曲约束支撑 （BRB） 、黏滞阻尼器、摩擦阻尼器、金属剪切阻尼器、黏滞阻尼墙等。常用的消能器主要是屈曲约束支撑和黏滞阻尼器。

1.1 屈曲约束支撑

屈曲约束支撑 （Buckling restrained brace） 主要由三部分构成[1]：芯材、外套筒和他们之间的填充材料，其中新材和填充材料之间要涂刷一层无黏结材料或者形成空气层（gap），如图1所示。屈曲约束支撑在工作的时候是芯材与主体结构相连，外界的作用力施加给芯材，套筒和填充材料共同工作保证芯材不发生失稳破坏，因此屈曲约束支撑在工作时候是发生轴向变形，通过芯材的轴向变形来吸收地震能量，从而减轻地震对主体结构的破坏。要使屈曲约束支撑更好地发挥性能，就要求屈曲约束支撑的破坏早于主体结构破坏，屈曲约束支撑作为结构的第一道抗震防线，通常屈曲约束支撑布置在层间位移比较大的部位。屈曲约束支撑不仅可以耗能，也能兼做结构构件使用，因此在结构中使用屈曲约束支撑能够改变结构的刚度，结构在正常使用时，屈曲约束支撑处于弹性状态，能够承担一部分作用力。屈曲约束支撑应用比较广泛，多高层以及超高结构都有应用，不仅能用于钢结构，也能用于钢筋混凝土结构。人民日报社大楼是一个全钢结构[2]，该结构的核心筒不规则，在使用常规方案遇到困难的情况下，考虑使用屈曲约束支撑，很好地解决了这一问题，该项目共采用曲约束支撑890根，是芯材为LY225的屈曲约束支撑在单 幢建筑上规模最大的应用。文献[3]中的教学楼是一个屈曲约束支撑-混凝土结构，该项目如果使用纯框架，结构的抗侧刚度将无法满足要求，在结构增加屈曲约束支撑之后很好地解决了这一问题。

图1 屈曲约束支撑原理图

1.2 黏滞阻尼器

黏滞阻尼器最早应用于军事领域，将其应用于结构的振动控制始于20世纪80年代，随着科研水平的进步，黏滞阻尼器也不断地在改进，目前在实际工程中的应用比较成熟。黏滞阻尼器在工作时利用粘滞流体通过节流孔时会产生粘滞阻尼力的原理而制成的，黏滞阻尼器在结构只是改变结构的阻尼而不改变结构的刚度，粘滞阻尼有缸式、筒式和黏滞阻尼墙，应用比较多的是缸式的黏滞阻尼器 （见图2）。通常黏滞阻尼器的组成分为：缸体、阻尼材料、阻尼孔、活塞和导杆，图3是一种双出杆型黏滞阻尼器[4]。

图2 缸式黏滞阻尼器

图3 双出杆型黏滞阻尼器

黏滞阻尼器主要用于结构的振动控制，在结构增加黏滞阻尼器不会改变结构的刚度，并且黏滞阻尼器耗能性能优良，广泛应用于结构的抗震和抗风控制中。由于黏滞阻尼器不改变结构的刚度，只起到改善结构的阻尼作用，能够大大减轻结构的振动反应，提高结构的舒适性，在一些高层建筑和大跨度建筑中常常使用黏滞阻尼器。北京新机场采用的是混合隔震技术[5]，在隔震层附设黏滞阻尼器来限值隔震层位移，该项目使用了144套黏滞阻尼器，最大阻尼为1 250 kN，极限位移为±800 mm。

2 调谐减震技术

调谐减震技术的工作原理不同于消能减震理论，调谐减震技术主要是在主体结构上附加一个减震子结构，通过调节子结构的参数来实现对主体结构的振动控制。调谐减震器主要有调谐质量阻尼器 （TMD） 、调谐液体阻尼器 （TLD） 、摆式质量阻尼器等。

2.1 调谐质量阻尼器 （TMD）

调谐质量阻尼器 （TMD） 是附加在结构上的一种减震子结构，TMD由弹簧或者吊索、质量块和阻尼器组成，通过控制TMD相关参数，使得其固有频率接近主体结构的自振频率或者激励频率，但结构收到振动时，子结构与主体结构发生协振，从而使得子结构吸收主体结构的振动能量，达到减轻主体结构振动的目的[6]。目前TMD主要用于超高层结构的抗风振动控制，台北的101大厦，上海环球金融中心等均采用调谐质量阻尼器来达到减振目的。

2.2 调谐液体阻尼器 （TLD）

调谐液体阻尼器 （TLD） 是一种新型的减振装置，通过在主体结构固定一个装有液体的水箱来减轻主体结构的振动，当主体结构收到外界振动时，通过液体的晃动和液体与水箱之间的黏结耗能从而达到减轻主体结构的振动[8]。这种阻尼器通常用于超高层结构的抗风振动，对于超高层结构来说，消防安全也是非常重要，使用调谐液体阻尼器一方面能够减轻结构的振动，其次，这种调谐液体阻尼器也可兼作消防水箱，另外，调谐液体阻尼器安装简单、经济、维护成本低等特点，因此越来越多的超高层减震采用调谐液体阻尼器来控制结构振动。广州电视塔 （小蛮腰） 就采用了协调液体阻尼器来减轻结构的振动。

3 结语

随着越来越多的学者对结构的抗震、抗风进行研究，给出许多减轻结构振动的解决方案。阻尼器的性能也不断地在改善，减震效果在不断地提高，消能减震器越来越多的运用到实际工程中，大大地改善了结构的抗震、抗风性能，取得了巨大的经济效益和社会效益。