消能减震技术应用现状及未来发展方向研究

消能减震技术应用现状及未来发展方向研究
摘要：本文主要对建筑结构的消能减震技术现状和未来发展方向进行了介绍，
阐述了消能减震技术原理、消能器的类型及消能结构的特点，最后，提出了目前
消能减震研究过程中应当注意解决的一些问题。

关键词：消能减震；消能器；建筑结构
结构的消能减震技术是在结构物某些部位（如支撑、节点、剪力墙、连接缝
或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主体结构间等）设置消能装置[1]，这些消能
装置有足够的初始刚度，结构在风荷载或小地震作用下，它们处于弹性状态，结
构物具有足够的侧向刚度以满足使用要求。

如果出现中、强地震，随着结构物的
侧向变形增大，消能装置首先进入非弹性工作状态，产生较大的阻尼，能够大量
消耗输入到结构中的地震能量，使主体结构避免出现明显的非弹性状态，从而避
免主体结构及构件在中、强地震作用下的严重破坏。

建筑物的设计和建造手段经历了一个从刚性设计、柔性设计、延性设计到采
用结构控制手段的演变过程[4]。

跟传统抗震设计手段相比，阻尼消能减震等结构
控制技术为结构抗震设计提供了一种崭新、有效、经济、简单、可靠的方法。

1 结构消能减震原理
建筑结构的消能减震原理可以通过能量平衡或结构的振动分析来阐述。

地震
能量传递到结构上时，通过设置消能部件来增大主体结构的阻尼，使得大部分的
能量在主体结构进入非弹性工作之前就被消能部件耗散掉，这样就能保证主体结
构不再受到大的损伤或破坏。

已有的试验证明，消能减震装置可以消耗地震总输
入能力的90%以上[3]。

2 消能减震装置的类型及消能结构的特点
消能器的类型有很多，《抗震规范》中把消能减震装置主要分为位移相关型、速度相关型和其他类型[2]。

实际应用于工程中的消能器则主要有：摩擦消能器、
钢弹塑性消能器、铅消能器和粘弹性消能器[1]。

大量的研究和应用[4]表明，在建筑物的适当位置合理设置消能部件后，结构
在地震作用下具有如下特点：
1）可同时减小结构的水平和竖向地震作用；
2）当结构具有足够的附加阻尼时，可满足罕遇地震下预期的结构位移控制； 3）由于消能装置不改变结构的基本构成，因此消能结构的抗震构造与普通结
构相比并没有降低，相反，由于消能器相当于在结构上增加了一道放线，其抗震
安全性有着明显地提高；
4）消能结构还不受结构类型和高度限制，适用范围较广。

3 消能减震技术应用现状
从20 世纪70年代建立减震控制的概念以来，消能减震技术连同隔震、被动
与主动控制等一系列技术都开始逐步有了理论研究和试验研究。

20世纪80 年代，建造了第一幢采用某种控制技术的建筑物，并成功经受了地震的考验，把该技术
从理论分析研究实际应用于工程之中具有里程碑式的意义。

此后，越来越多的工
程项目采用这项技术，而这项技术本身也在不断地被修正和完善，逐步走向成熟
阶段。

相应的设计规范、技术规程、项目指导书等也得以推广。

发展到现在，消
能减震技术已较为成熟，和常规的抗震设计方法相比[8]，采用消能减震技术的设
计方法能更好地保护主体结构，具有更明显的减震效果、广泛的适用范围和巨大
的经济效益[11]。

除了对常规房屋建筑进行消能装置的设置之外，偏心结构的消能减震技术分
析也已经有所涉及。

程光煜、叶列平[6]等人就对四种结构模型进行了模拟分析，
这四种结构分别是偏心结构、普通支撑结构、UBB结构和粘性阻尼支撑结构，施
以10种不同的地震记录作用，得到前10阶的自振频率。

最后得到的结论是粘性
阻尼支撑在各条地震波的激励下都能表现出良好的工作状态，层间位移转角十分
均匀，且多数情况下均明显小于其他三种结构。

并且，在支撑内力分析的结果比
较上也可以看出，普通支撑和UBB消能支撑的支撑内力都达到了6000kN以上，
并都伴随有失稳现象，而粘性阻尼支撑的内力不到3000kN。

裴星洙[10]等人对消能减震结构中的损伤集中分布也有所研究。

他们尝试削
弱结构中的某些层为削弱层，并将消能部件集中分布在薄弱层（文中称为消能层）消耗地震输入结构的能量，从而减少消能减震结构在使用过程中的检查维护及地
震后的维修更换工作量。

最后发现在罕遇地震作用下，底层作为薄弱层时消耗能
量的比例最大，达到了总输入能的64.06%，其余各层从下往上一次递减，到第九
层时消耗能量为输入总能量的47.66%。

因此，将底层作为薄弱层有利于损伤能量
集中，这是由于底层层间位移较大。

除此之外，还有消能减震技术在加固改造结构中的应用[9]、在高层建筑中的
应用[7]等等。

4 消能减震技术未来发展方向
上述涉及的都是消能减震技术在防震减灾上的优势方面，但是我国对于消能
减震技术的应用还并未到达尽善尽美的地步，还有一系列问题和难点需要进一步
研究[3][5]：
1）综合考虑各种因素（温度、湿度、裂缝开展程度等）的影响；
2）开发更经济实用的高性能消能部件；
3）开发简便且符合设计习惯的消能减震设计软件；
4）深入研究消能系统的材料问题；
5）消能减震技术具体施工方法的制定和质量检测标准的规范
6）与建筑功能的协调和维护问题；
7）消能减震体系及效果的进一步研究；
8）综合考虑建筑体型、结构体系、建筑材料、装置性能与类型等的优化匹配设计方法的研究；
9）消能减震体系的实用设计方法和设计标准的研究；
10）加强能量分析方法在结构减震控制结构体系中应用的研究。

总而言之，消能减震技术的发展已经成为一种趋势，随着减震理论和技术的
进一步完善，减震概念设计会和抗震概念设计一样，逐渐为人们所接受。

在未来，会有更多的学者和研究人员致力于解决上述问题，将消能减震技术加以推广和应用。

参考文献
[1]熊丹安，杨志毅，肖贵泽.建筑抗震设计简明教程[M].广州：华南理工大学
出版社，2006：46-57，171-175.
[2]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].
[3]叶锋.消能减震技术发展现状综述[J].山西建筑，2010，36（33）：63-64. [4]林新阳，周福霖.消能减震的基本原理和实际应用[J].世界地震工程，2002，18（3）：48-51.
[5]张文芳，靳金平，崔路苗.工程结构消能减震控制的研究与应用[J].工程抗震
与加固改造，2005，27：70-75.
[6]程光煜，叶列平，朱兴刚.偏心结构消能减震技术的分析研究[J].工程抗震与加固改造，2006，28（2）：78-83.
[7]张青.高层建筑消能减震分析与设计[J].城市建筑，2016，18：60-62.
[8]侯立群，董事尔，高玉云等.隔震和消能减震与常规抗震的对比分析[J]. 工
程抗震与加固改造，2011，33（2）：50-56.
[9]杨书灵.消能减震技术在实际工程中的应用[J].林产工业，2016，43（8）：
59-60.
[10]裴星洙，赵光伟，李鹏等.消能减震结构的损伤集中分布研究[J].工程力学，2007，24：123-128.
[11]郭培成，祖庆芝.浅谈消能减震的发展及应用[J].四川建筑，2015，35（5）：129-132.。