探究消能减震技术在结构抗震加固改造中的应用

探究消能减震技术在结构抗震加固改造中的应用

弓磊 石锐

建研（北京）结构工程有限公司 100013

摘要：随着社会的发展，我国的建筑结构的抗震也有了创新。消能减震技术是一种结构被动控制技术，近年来被大量的应用于已有建筑物的抗震加固上，与传统的加固技术相比主要优势有:(1)施工现场无湿作业，基本不影响原建筑的正常使用功能;(2)能在保持原建筑外貌不变的前提下，实现提高抗震能力和改善使用功能的协调;(3)消能效果明显，结构经过合理的设计，可以满足各种设防烈度下的抗震要求;(4)可以有效的节约经费和缩短工期。据国内外工程应用总结资料，消能减震体系可比传统抗震加固方法节约造价10%～50%。

关键词：消能减震技术；结构抗震加固改造；应用

引言

所谓消能减震技术，其属于结构被动控制的一种，其具备以下几点优势。首先，作业现场“无湿化”，几乎不会对建筑使用功能造成影响。其次，消能效果尤为显著，基于设计合理的情况下能够满足绝大多数的抗震要求。可以在确保建筑外貌不发生变化的基础上，增强建筑物的抗震能力。

1消能减震装置的主要类型及其原理

第一，速度相关型。这一类型的消能减震装置常见的有黏滞以及黏弹性阻尼器这两种。对于黏弹性阻尼器而言，其具有很强的被动减震控制效果，主要是借助黏弹性材料自身带有的滞回耗能特点，为结构提供额外的阻尼与刚度，从而降低建筑结构发出的动力反应，以此实现减震。至于黏滞阻尼器则是依据流体运动，主要原理依据是流体在穿过节流孔时会生成一定的黏滞阻力，也属于一种刚度型阻尼器。第二，位移相关型。摩擦与金属阻尼器则是这一类型消能减震装置的代表。特别是针对地震传输给建筑结构的能量，通过金属材料发生的塑性形变能够最有效将能量削弱，基于地震作用的影响下，金属阻尼器会比建筑梁柱的功能结构构件更早地实现塑性，因为其具备出色的滞回性能，因此能够将地震能量的发部分耗散掉，以此发挥出消能减震的作用。而对于摩擦阻尼器而言，则是记住消能装置内部各固体间发生的相对滑动将地震能量耗散。因此其滞回圈与矩形十分相似，所以其库仑特性以及耗能性十分明显，具有十分广阔的应用空间。第三，其他类型。例如:MＲ流体阻尼器、调谐质量阻尼器以及电流变流体阻尼器等等。

2消能减震技术在结构抗震加固改造中的应用

2.1消能减震

消能减震是在结构的适当部位附加耗能减震装置，小震时减震装置如消能杆件或阻尼器处于弹性状态，建筑物具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求；在强烈地震作用时，随着结构受力和变形的增大，让消能杆件和阻尼器首先进入非弹性变形状态，产生较大的阻力，耗散输入结构的地震能量并迅速衰减结构地震反应。这样，极强地震能量的主要部分可不借助主体结构的塑性变形来耗散，而由控制装置耗散，从而使主体结构避免进入明显的非弹性状态而免遭破坏。另外，控制装置不仅能有效地耗散地震能量，而且可改变结构的动力特性和抗侧力性能，减少由于结构自振频率与输入地震波的卓越频率相近引起共振的趋势，从而达到减少建筑地震反应的目的。消能元件作为非承重构件，其损伤过程也是对主体结构的保护过程。该技术属于一种兼顾抗侧刚度提高和抗侧能力增大的被动控制技术，在大震时表现尤为突出。消能减震技术主要是通过设置一定数量的阻尼器来实现，目前常用的是速度相关型阻尼器和位移相关型阻尼器。速度相关型阻尼器，其耗能能力与结构的速度反应相关，这类阻尼器主要包括黏滞阻尼器和黏弹性阻尼器两类。位移相关型阻尼器主要是当结构进入较大变形时，阻尼器进入弹塑性阶段或克服初始摩擦力进行耗能，常见的有屈曲约束支撑阻尼器、金属剪切型阻尼器和铅摩擦阻尼器等。根据阻尼器的布置来确定结构附加阻尼比是加固的关键，消能部件的附加阻尼比可以根据《建筑抗震设计规范》（GB50011）相关公式确定。

2.2以结构被动控制为基础的加固防震技术

在建筑结构的顶部设置阻尼器是以结构被动控制为基础的加固防震技术的基本原理，也被称为调谐质量，降低建筑物结构低阶振型的地震能量或减小顶层的最大位移。这种技术在目前的结构改造加固方面有非常广阔的前景，此技术可以在没有下层加固的情况下对建筑结构进行直接加层，用隔震橡胶支座在新建立的部分与原结构进行连接，从而实现减小之前建筑物结构在地震发生时的作用，以达到抗震减灾的目的。将大吨位的风阻尼器设置在新建的高层建筑顶部，可以在很大程度上减小地震时建筑物晃动的幅度，同时也可以将地震对建筑物结构顶部的冲击力量有效吸收，从而结构的抗震性能得到显著的改善。

2.3改变结构受力体系

这是一种“减小构件荷载效应”的间接加固方法，主要是改变结构受力体系，调整结构传力途径，改善结构的整体性能和受力状态。如通过在建筑原有围护墙及分隔墙位置增设一定数量的抗震墙或在框架柱两侧设置翼墙，使原来的柔性框架结构改变为框架-抗震墙结构或壁式框架结构；也可采用在原有框架中新加支撑，使原柔性框架结构改变为框架-支撑结构。该方法降低原有框架分担的地震作用，从而在减少加固原框架梁、柱工作量的同时，提高结构整体抗震能力，达到抗震设防要求。本方法关键是要解决好新增墙体或支撑与原有框架的连接问题，应确保新增抗侧力构件与原有框架能共同工作。该方法具有不影响建筑使用功能、保持建筑原有风貌、工程量小、施工简单、理论成熟的特点，因而得到广泛的应用。如在中国国家博物馆老馆的加固改造结构设计中，为保持历史建筑风貌，沿结构纵向将原框架柱两侧的原有粘土砖围护墙换成钢筋混凝土翼墙，使之成为壁式框架，沿横向在两端分隔墙位置将原来砌体墙换成抗震墙，使原来的柔性框架结构转变为框架-抗震墙结构，提高了整体结构的抗震能力。通过对全国政协礼堂部分框架之间和北京火车站候车大厅四角增设钢筋混凝土抗震墙，提高结构抗震能力。此外，对于少数既有单向框架，可通过加强梁端钢筋的锚固改变为双向框架体系，同时增强楼盖的整体性和增设抗震墙、抗震支撑等，提高另一方向的抗震能力。对于不符合抗震鉴定要求的单跨框架结构，可在不大于框架-抗震墙结构的抗震墙最大间距内增设抗震墙、翼墙、抗震支撑等抗侧力构件或将对应轴线的单跨改为多跨的方法予以加固。

2.4分析计算消能减震结构

在对阻尼器结构进行设置的过程中，无论是其结构的动力反应还是其动力特性均会发生一定变化，要是面对小震，阻尼器会快速处在工作状态，在结构主体还未能进到弹塑性状态时，阻尼器就已经进到弹性状态了，因此其呈现出较强的非线性。当面临大震时，主体会步入弹塑性阶段，而阻尼器也会处在非线性状态下，所以在分析减震结构时最好使用时程分析法。现下说使用的SAP2000程序却没有使用“蛮力方法”对减震结构进行非线性分析，主要是采用的一种全新的非线性方法———快速非线性分析。因为这一分析方法具有很快计算速度，主要是假定在结构中具有数量一定的非线性单元，借助弹性结构系和与质量与刚度的Ｒitz向量，缩减对非线性系统的求解规模。

结语

在现阶段的技术条件下对建筑物的结构进行加固可以有效减少地震对人们带来的人身和财产安全隐患。加固技术在抗震结构中的应用有很多种，需要根据实际情况进行合理的选择，在最大程度上实现地震灾害的减小，同时保障财产与生命安全。

参考文献

［1］翁大根，张瑞甫，张世明，吕西林．基于性能和需求的消能减震设计方法在震后框架结构加固中的应用［J］．建筑结构学报，2010(S2):66～75

［2］曹炳政，朱春明．消能减震技术在某既有综合楼抗震加固中的应用研究［J］．四川建筑科学研究，2009，(4):149～152