消能减震技术

12.2　消能减震技术

消能减震是指在房屋结构中安装消能器(阻尼器)，通过消能器消耗地震输入的能量，减少房屋的地震反应，也是一种消耗地震能量的“软”抗震技术。消能器属非结构构件，即非承重构件，其功能仅是在结构变形过程中发挥消能作用，对结构的承载力和安全性不构成任何影响或威胁。所以，消能减震结构是一种非常安全可靠的结构减震体系。

西安建筑科技大学于2000年进行了消能支撑框架结构试验，采用如图12-7所示的铅芯消能器，图12-8所示为3层框架模型结构整体屈服破坏照片。试验结果表明，消能支撑框架结构比纯框架结构具有较高的延性和较好的耗能能力。

图12－7　铅芯消能器照片

图12－8　消能框架模型结构整体屈服破坏照片

美国加州大学Berkeley分校Stephen Mahin教授团队进行了屈曲约束支撑框架试验研究，其装置如图12-9所示。从图12-10可见，屈曲约束支撑滞回曲线饱满，表明其耗能能力强。图12-11所示为屈曲约束支撑的构成，一般由低屈服点的芯材，涂上无黏结涂层，套上外部强度很大的普通钢管，中间空隙由水泥砂浆来填充，允许芯材拉、压屈服变形以达到耗能目的。图12-12所示为采用螺栓连接把屈曲约束支撑安装到新建钢结构工程中的具体情况。

图12－9　屈曲约束支撑框架试验装置

图12－10　屈曲约束支撑滞回曲线

图12－11　屈曲约束支撑的组成

图12－12　在建钢结构设置屈曲约束支撑来减震控震

目前的西北第一高楼，是位于西安市高新开发区高新一路的招商银行大厦，高218m，见图12-13所示。在其顶部采用了带滑动钢轨的TMD减震器，如图12-14所示。北京市在20世纪90年代开始的大型公共建筑抗震加固改造工程中采用了消能减震技术，图12-15所示为北京火车站窗台内侧安装的既能竖向耗能、又能水平滑移产生黏滞阻尼的组合消能器。

图12－13　西北第一高楼

图12－14　调谐质量块阻尼TMD减震器

图12－15　北京火车站窗内使用的消能减震装置

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中对消能减震的基本要求是：通过消能器的设置来控制预期的结构变形，从而使主体结构构件在罕遇地震下不发生严重破坏。消能减震设计需解决的主要问题是：消能器和消能部件的选型，消能部件在结构中的分布和数量，消能器附加给结构的阻尼比估算，消能减震体系在罕遇地震下的位移计算，以及消能部件与主体结构的连接构造和附加的作用，等等。

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中把消能器类型主要划分为位移相关型、速度相关型和其他类型。金属屈服型和摩擦型属于位移相关型，当其位移达到预定的启动限时才能发挥消能作用。黏滞型和黏弹性型阻尼器属于速度相关型。图12-16所示为软钢阻尼器，图12-17所示为软钢阻尼器在房屋结构中的应用。

图12－16　软钢阻尼器

图12－17　软钢阻尼器在房屋结构中的应用

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中明确指出消能减震设计计算的基本内容是：预估结构的位移，并与未采用消能减震结构的位移相比，求出所需的附加阻尼；选择消能部件的数量、布置和所能提供的阻尼大小；设计相应的消能部件，然后对消能减震体系进行整体分析，确认其是否满足位移控制要求。

消能减震结构的计算方法，与消能部件的类型、数量、布置及所提供的阻尼大小相关。