消能减震装置及其在工程中的应用

消能减震装置及其在工程中的应用

【摘要】针对传统结构抗震思路，详细介绍了结构的消能减震是结构抗震的新思路，以及目前常用的消能减震装置及其适用对象，阐述了工程结构中的应用并列举大量实例。分析表明，消能减震结构具有优良的抗震性能，具有广阔的应用前景。

【关键词】结构抗震；消能减震；耗能装置

1 引言

我国是一个多地震国家，地震灾害给我们带来巨大的伤害和损失，如唐山大地震、汶川大地震等。传统的抗震设计是利用结构本身的抗震性能抵御地震作用，以达到抗震的目的，是一种消极被动的抗震方法，不具备自我调节与自我控制的能力，因此在地震作用下，结构很可能不满足安全性的要求，而产生严重破坏。国内外开展了消能减震技术的研究，即在结构上安装消能装置，以减小结构的动力反应。本文就消能减震结构的思想及其在工程中的应用进行了研究。

2 消能减震结构的概念

消能减震结构的基本思想就是在结构中设置一些一般情况下不承担垂直接荷载作用的耗能部件，当结构受到水平荷载作用时，这些部件分担部分荷载，并通过部件内部的零部件之间的相互运动耗散外荷载作用的动能，减小结构对其作用的效应。

消能减震的力学原理就是在结构会产生相对运动的部位增设一些阻尼器之类的消能装置，当结构受到地震作用时，这些阻尼器在结构相对运动的强迫作用下，产生抵抗结构相对运动的阻力运动，这些阻尼力在运动过程中做功，通常以导致阻尼器发热而耗散掉部分结构相对运动的能量，从而减小结构的地震响应，即减小结构的损坏或保证结构的正常使用功能。

3 消能减震产品的种类

3.1金属屈服阻尼器

金属屈服阻尼器是用软钢或其它软金属材料做成的各种形式的阻尼器，机理是将结构振动的部分能量通过金属的屈服滞回耗能耗散掉，从而达到减小结构反应的目的，具有滞回特性稳定、耗能能力大、低周疲劳性能好、长期性能可靠、对环境和温度的适应性强等优点。

3.2摩擦阻尼器

摩擦阻尼器是由受有预紧力的金属或其它固体元件构成，这些元件之间能够相互滑动并且产生摩擦力。减震机理是通过摩擦耗能耗散结构的振动能量，耗能明显，可提供较大的阻尼，且造价低廉、取材容易、构造简单。

3.3铅挤压阻尼器

铅挤压阻尼器由外筒、可动轴和铅组成，当发生塑性变形时，铅的晶格被拉长并错动，一部分能量被转化为热能，而另一部分能量为促进再结晶而耗散使金属返回非变状态。当结构变位使外壁筒与可动轴产生相对位移时，铅发生塑性流动，起到耗能阻尼的作用。结晶易在常温下进行，所耗时间很短且无疲劳现象，具有稳定的耗能能力。

3.4黏弹性阻尼器

黏弹性阻尼器由黏弹性材料和约束钢板组成。它由2个T形约束钢板夹1块矩形钢板组成，T形约束钢板与中间钢板之间有一层黏弹性阻尼材料(常用有机硅或其它高分子材料)。在反复轴向力作用下，约束T形钢板与中间钢板产生相对运动，使黏弹性材料产生往复剪切滞回变形，以吸收和耗散能量，能有效地抑制结构的地震反应，增大结构的阻尼和刚度，改善结构的抗震性能。

3.5粘滞阻尼器

粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和黏性液体组成。活塞在缸体内作往复运行，活塞上开有适量小孔，筒内盛满硅油或其它黏性流体。当活塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞上的小孔内通过，对活塞和缸体的相对运动产生阻尼，从而消耗活塞与筒体间相对运动的一部分能量，可以大幅度地减小结构反应。

3.6其它类型

除以上类型阻尼器外，还有利用结构构件或非承重构件直接作为消能杆件的消能减震方式。如交叉支撑、斜撑支撑、K型支撑、双框支撑或消能圆框支撑、开缝消能墙、人工塑性角等。

4 消能减震结构在工程中的应用

消能减震技术具有广阔的应用范围，既适用于新建工程，也适用于已有建筑物的抗震加固；既适用于普通的建筑结构，也适用于抗震生命线工程。

4.1 消能减震装置在国外的应用

美国是开展结构控制体系研究较早的国家之一，早年竣工的纽约世界贸易中心大厦就安装有弹性阻尼器，西雅图哥伦比亚大厦层、匹兹堡钢铁大厦层等许多工程都采用了该项技术。位于加利福尼亚州的一幢层饭店为柔弱底层结构，采用流体阻尼器进行抗震加固后，使其在保持原有风格的基础上，达到了规范要求。近年来，消能减震装置在日本、加拿大、墨西哥以及部分欧共体国家也都被广泛应用。

4.2 我国应用消能减震装置的现状

从20 世纪90 年代以来，我国学者和工程技术人员也致力于该技术的研究与工程实用。前述提到的各种类型消能器，国内很多技术人员都进行了自主开发，并获得了知识产权，并在不少的工程中己经应用了消能减震技术。特别是最近几年，消能减震技术得到了更为广泛的应用。世界上跨度最大的斜拉桥——苏通大桥使用了世界上首次加设附加限位的特大型阻尼器；郑州会展中心应用粘滞阻尼器作为TMD楼板减振系统；北京奥林匹克中心演播塔同时用了四组变阻尼粘滞流阻尼器为TMD系统提供阻尼；南京长江三桥引桥上已经设置了54个阻尼器；吉林省龙岩松花江7孔连续梁桥上安置了16个1800kN 的锁定装置；我国著名的悬索大桥- 江阴大桥上也将安置4个特大型阻尼器；山东兖州电厂设备基础设置了阻尼器减振系统等工程相继完成；西安石油宾馆采用了东南大学和常州减震器厂联合研制的黏弹性阻尼器。在我国，越来越多的桥梁、中高层建筑、大型场馆中应用到了消能减震装置。

5 消能减震结构面临的问题及发展趋势

某些采用消能减震控制技术的工程已受到了地震的检验，取得了令人满意的效果。但是消能减震技术在成为常规的抗震技术方法之前，尚有许多问题亟待解

决：1)综合考虑各种因素的影响(温度、湿度、开裂)，对已有消能减震装置的可靠性、耐久性进行深入研究，如退化、腐蚀、设计寿命等。2)研究消能减震装置系统的材料性能，确保遇到大震时，装置进入弹塑性状态，吸收地震输入能量，具有较高的耗能特性。3)开发新型、高效、适应性强的消能减震装置，为大范围推广该技术奠定基础。4) 进行各种消能装置的比较、优化分析，给出具体的计算模型，尽快使其标准化、系列化，便于设计中推广应用。5) 加强对消能减震器的设置问题及减震效果的定量分析。6) 消能减震器与结构或支撑连接构造及安装、施工、维修等的研究。

参考文献：

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2.庄永廉宋美洁消能减震结构的发展现状及展望，山西建筑，2009年8月；

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