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摘要：地震災(zāi)害對建筑物的影響極大，如何使建筑物滿足抗震設(shè)計要求，提高建筑物的抗震能力，是建筑結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的專家、學(xué)者不斷探索的問題。本文就消能減震技術(shù)在建筑抗震加固中的應(yīng)用，進行了理論上的分析和探討。...

消能減震技術(shù)在建筑抗震加固中的應(yīng)用探討

楊林曙

西安長安大學(xué)工程設(shè)計研究院設(shè)計研究院有限公司，710064

1.前言

    近年來，世界各地大地震頻發(fā)，大地震給災(zāi)區(qū)帶來了極大的人員和經(jīng)濟損失，震后大量建筑物在評估后需要按照新的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進行加固。傳統(tǒng)的加固措施將使得施工周期增長、施工面大, 同時也會對原結(jié)構(gòu)造成部分損傷，已不能適用。隨著國內(nèi)外專家、學(xué)者對消能減震技術(shù)的研究和認(rèn)識不斷加深，對消能減震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑抗震加固方面應(yīng)用得到推廣。我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010中對阻尼器消能減震技術(shù)設(shè)計也有明確規(guī)定。

2.消能減震技術(shù)概述

    2.1 消能減震技術(shù)的概念

    消能減震技術(shù)是指在結(jié)構(gòu)中某些部位設(shè)置耗能元件(非結(jié)構(gòu)構(gòu)件),耗能元件在結(jié)構(gòu)振動變形時發(fā)生滯回變形耗散能量,從而減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗散的能量,減小結(jié)構(gòu)的振動變形,保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的舒適度或在地震荷載下不破壞或破壞程度在允許范圍內(nèi),達到減振的目的。

    2.2 消能減震阻尼器的類型

    阻尼器是安置在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上、可以提供運動阻力的耗能裝置。阻尼器在土木工程中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在耗能減震方面.以增加結(jié)構(gòu)阻尼為主的消能減震控制技術(shù)，是一種有效、安全、經(jīng)濟且較為成熟的工程減震技術(shù)。通常設(shè)置耗能元件（阻尼器）的位置有層間、相鄰建筑結(jié)構(gòu)之間,主附結(jié)構(gòu)之間、節(jié)點、上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間等位置。

    目前常用的各種阻尼器根據(jù)其提供的阻尼力和結(jié)構(gòu)反應(yīng)的關(guān)系可分為:速度型阻尼器和位移型阻尼器。速度型阻尼器的阻尼力和消能部件兩端的相對速度有關(guān),即與結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)有關(guān),包括粘滯阻尼器和粘彈性阻尼器。位移型阻尼器的阻尼力和消能部件兩端的相對位移有關(guān),即與結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)有關(guān),包括摩擦阻尼器和金屬阻尼器。速度型阻尼器在風(fēng)振、不同強度地震下均具備耗能能力,而位移型阻尼器需在大震下才能發(fā)揮耗能能力。

    （1）粘滯阻尼器：粘滯阻尼器是利用豁稠液體的粘性來耗散振動能量，目前已應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)和改造加固結(jié)構(gòu)中。粘滯阻尼器可以分為兩類,一類是通過置于開口容器中黏性液體的變形來實現(xiàn)耗能目的,如圓柱筒阻尼器、阻尼墻；另一類是強迫密封容器內(nèi)的液體通過小的阻尼孔而耗能,如Taylor液體阻尼器,Jarret液體阻尼器。日本Sumitomo建設(shè)公司開發(fā)的粘滯阻尼墻，經(jīng)試驗證實能有效增大結(jié)構(gòu)阻尼,減小鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

    （2）粘彈性阻尼器：粘彈性阻尼器是利用粘彈性材料的剪切變形耗能。粘彈性阻尼器由粘彈性材料和約束鋼板構(gòu)成。典型的粘彈性阻尼器是由三塊鋼板夾兩層粘彈性材料組成,鋼板和粘彈性材料通過硫化過程結(jié)合成整體。當(dāng)阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)中時,外層的兩塊鋼板和中心鋼板之間產(chǎn)生相對位移,使得粘彈性材料產(chǎn)生往復(fù)的剪切變形,從而耗散能量。粘彈性阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用較早，1969年，紐約世貿(mào)大樓兩個塔樓各安裝10000個彈性阻尼器以減少風(fēng)作用下的振動。1993年，對位于美國圣何塞城市的13層的Santa Clara County大樓(鋼結(jié)構(gòu)) 用粘彈性阻尼器進行了抗震修復(fù)。

    （3）金屬阻尼器:金屬阻尼器是利用金屬的非彈性變形耗能.目前常用的阻尼器有軟鋼阻尼器、鉛阻尼器和形狀記憶合金阻尼器。

    （4）摩擦阻尼器：摩擦阻尼器是利用兩塊固體之間相對滑動產(chǎn)生的摩擦來耗散能量。日本研發(fā)了單軸摩擦阻尼筒(Sumitomo摩擦阻尼器)。Sumitomo摩擦阻尼器工作時,銅合金摩擦墊沿圓柱形鋼套筒的內(nèi)壁滑動,所需法向力通常由內(nèi)外契形塊之間的彈簧作用來提供。

    2.3  消能減震技術(shù)的優(yōu)越性

    (1)安全性: 消能減震結(jié)構(gòu)體系設(shè)置了非承重的消能構(gòu)件(消能支撐、消能剪力墻等)或消能裝置,它們具有極大的消能能力,在強地震中能率先消耗結(jié)構(gòu)的地震能量,迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),并保護主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件免遭損壞,確保結(jié)構(gòu)和建筑內(nèi)的重要設(shè)備、儀器的安全。

    (2)經(jīng)濟性: 消能減震結(jié)構(gòu)通過“柔性消能”的途徑以減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),在減少剪力墻的設(shè)置、構(gòu)造斷面、配筋的同時,還能大大提高抗震安全度。若用于舊有建筑結(jié)構(gòu)的耐震性能改造加固,消能減震加固方法比傳統(tǒng)抗震加固方法,節(jié)省造價10%-60%。

    (3)技術(shù)合理性: 消能減震結(jié)構(gòu)則是通過設(shè)置消能構(gòu)件或裝置,使結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)變形時大量迅速消耗地震能量,保護主體結(jié)構(gòu)在強地震中的安全。結(jié)構(gòu)越高、越柔,跨度越大,消能減震效果越顯著。

    (4)震后易于修復(fù)或更換,使建筑結(jié)構(gòu)物迅速恢復(fù)使用。

3.建筑物抗震加固中消能減震技術(shù)的應(yīng)用

    3.1消能減震的加固方法

    消能減震技術(shù)因其減震效果明顯,構(gòu)造簡單,安全經(jīng)濟,適用范圍廣,維護方便等特點越來越受到國內(nèi)外工程專家的重視。消能減震技術(shù)除了適用新建工程,也適用于已有建筑物的抗震加固、改造。

    消能減震的加固方法是在原結(jié)構(gòu)上附加消能裝置達到吸收地震能量的目的, 從而減少結(jié)構(gòu)的地震作用, 不需對原建筑結(jié)構(gòu)進行大面積的補強。雖然消能減震方法進行結(jié)構(gòu)加固的施工和安裝都非常方便，但如何合理地在各層配置這些耗能減震裝置, 以求達到最佳的性價比仍然是值得考慮的問題。

    3.2 基于性能和需求的消能減震設(shè)計方法

    3.2.1 設(shè)計方法概述：

    基于性能和需求優(yōu)化配置消能支撐的消能減震設(shè)計方法, 即構(gòu)建混合消能支撐系統(tǒng)(VD-BRB系統(tǒng)),在房屋底層配置防屈曲耗能支撐,在其余層配置粘滯阻尼器。

    3.2.2 利用消能減震技術(shù)進行抗震加固設(shè)計流程

    設(shè)計過程中，首先按照現(xiàn)行規(guī)范抗震設(shè)計方法進行結(jié)構(gòu)驗算，確定結(jié)構(gòu)承載力、變形性能等是否符合規(guī)范要求，判斷采用消能減震加固技術(shù)是否可行；如若可行，初步確定阻尼器的數(shù)量和布置方式，通過不斷試算優(yōu)化阻尼器布置，保障結(jié)構(gòu)達到預(yù)先確定的性能目標(biāo); 此后，設(shè)計阻尼器并計算消能減震結(jié)構(gòu)附加阻尼比，將阻尼比代入原結(jié)構(gòu)驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力，個別構(gòu)件承載力不滿足規(guī)范要求時應(yīng)進行加固。整個設(shè)計過程只包含阻尼器一組變量，因此較容易實現(xiàn)。

    3.2.3 基于性能和需求的消能減震方法進行加固的優(yōu)勢

    對建筑采用基于性能和需求的消能減震方法進行加固, 有良好的效果和獨特的優(yōu)勢, 主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)這種方法有利于地震能量在第一時間進行耗散, 并且有利于能量向下部基礎(chǔ)傳播。( 2)采用消能減震支撐, 有利于改善結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震性能, 使得加固效果的評析更加清晰。(3)混合消能減震支撐系統(tǒng)(VD-BRB系統(tǒng))有相對較高的性價比。(4)分析顯示通過這種方法配置的阻尼器更加合理, 在小、中、大震下阻尼器的性能都發(fā)揮很好。(5)采用消能減震支撐的加固措施, 減少了結(jié)構(gòu)加固的工程量, 對原建筑結(jié)構(gòu)影響較小。(6)采用改進的基于性能和需求的消能減震方法進行加固設(shè)計相對便捷。

參考文獻：

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)

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