結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)1、結(jié)構(gòu)消能減震的基本概念 地震發(fā)生時地面震動引起結(jié)構(gòu)物的震動反應(yīng)，地面地震能量向結(jié)構(gòu)物輸入。結(jié)構(gòu)物接收了大量的地震能量，必然要進行能量轉(zhuǎn)換或消耗才能最后終止震動反應(yīng)。消能減震技術(shù)是將結(jié)構(gòu)的某些構(gòu)件設(shè)計成消能構(gòu)件，或在結(jié)構(gòu)的某些部位裝設(shè)消能裝置。在風(fēng)或小震作用時，這些消能構(gòu)件或消能裝置具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)具有足夠的側(cè)向剛度以滿足正常使用要求；當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)或大震作用時，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，消能構(gòu)件或消能裝置率先進入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振能量，使主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)，且迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振反應(yīng)（位移、速度、加速度等），保護主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在強地震或大風(fēng)中免遭破壞或倒塌，達到減震抗震的目的。 消能部件（消能構(gòu)件或消能裝置及其連接件）按照不同“構(gòu)件型式”分為消能支撐、消能剪力墻、消能支承或懸吊構(gòu)件、消能節(jié)點、消能連接等。 消能部件中的消能器（又稱阻尼器）分為速度相關(guān)型如黏滯流體阻尼器、黏彈性阻尼器、黏滯阻尼墻、黏彈性阻尼墻；位移相關(guān)型如金屬屈服型阻尼器、摩擦阻尼器等，和其它類型如調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）、調(diào)頻液體阻尼器（TLD）等。 采用消能減震技術(shù)的結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系相比，具有大震安全性、經(jīng)濟性和技術(shù)合理性。 技術(shù)指標(biāo)：建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計方案，應(yīng)根據(jù)建筑抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地條件、建筑結(jié)構(gòu)方案和建筑使用要求，與采用抗震設(shè)計的設(shè)計方案進行技術(shù)、經(jīng)濟可行性的對比分析后確定。采用消能減震技術(shù)結(jié)構(gòu)體系的計算分析應(yīng)依據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50011 進行，設(shè)計安裝做法應(yīng)遵循國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集建筑結(jié)構(gòu)消能減震(振)設(shè)計09SG610-2，其產(chǎn)品應(yīng)符合建筑消能阻尼器JG/T209 的規(guī)定。 適用范圍：消能減震技術(shù)主要應(yīng)用于高層建筑，高聳塔架，大跨度橋梁，柔性管道、管線(生命線工程)，既有建筑的抗震(或抗風(fēng))性能的改善等。 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系，容許結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件(柱、粱、節(jié)點等)在地震中出現(xiàn)損壞結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件地震中的損壞過程，就是地震能量的“消能”過程。結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的嚴(yán)重破壞或倒塌，就是地震能量轉(zhuǎn)換或消耗的最終完成。結(jié)構(gòu)消能減震體系，就是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件(如支撐、剪力墻、連接件等)設(shè)計成消能桿件，或在結(jié)構(gòu)的某部位(層間空間、節(jié)點、聯(lián)結(jié)縫等)裝設(shè)消能裝置。在風(fēng)或小地震時，這些消能構(gòu)件或消能裝置具有足夠的初紿剛度，處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)物仍具有足夠的側(cè)向剛度以滿足使用要求。當(dāng)出現(xiàn)中、強地震時，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大消能構(gòu)件或消能裝置率先進人非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸人結(jié)構(gòu)的地震能量，使主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)，并且迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)(位移、速度、加速度等)，從而保護主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在強地震中免遭破壞，確保主體結(jié)構(gòu)在強地震中的安全。 消能減震結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系相對比，具有下述優(yōu)越性：安全性：傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系實質(zhì)上是把結(jié)構(gòu)本身及主要承重構(gòu)件(柱、梁、節(jié)點等)作為“消能”構(gòu)件。按照傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法容許結(jié)構(gòu)本身及構(gòu)件在地震中出現(xiàn)不同程度的損壞。由于地震烈度的隨機變化性和結(jié)構(gòu)實際抗震能力設(shè)計計算的誤差，結(jié)構(gòu)在地震中的損壞程度難以控制；特別是出現(xiàn)超烈度強地震時，結(jié)構(gòu)難以確保安全。 消能減震結(jié)構(gòu)體系由于特別設(shè)置非承重的消能構(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)在強地震中的安全。 據(jù)我國對消能臧震結(jié)構(gòu)的振動臺試驗(冼巧玲、周福霖、俞公驊，1995)及國外學(xué)者完成的振動臺試驗(Pull，1988；Kelly，1990；soong，1992)可知，消能減震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相對比，其地震反應(yīng)減少40%60%。 另外，消能構(gòu)件(或裝置)屬“非結(jié)構(gòu)構(gòu)件”，即非承重構(gòu)件，其功能僅是在結(jié)構(gòu)變形過程中發(fā)揮消能作用，而不承擔(dān)結(jié)構(gòu)的承載作用，即它對結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性不構(gòu)成任何影響或威脅。所以，消能減震結(jié)構(gòu)體系是一種非常安全可靠的結(jié)構(gòu)減震體系。經(jīng)濟性：傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)采用“硬抗”地震的途徑，通過加強結(jié)構(gòu)、加大構(gòu)件斷面、加多配筋等途徑中提高抗震性能，因而，抗震結(jié)構(gòu)的造價大大提高。 消能減震結(jié)構(gòu)是通過“柔性消能”的途徑以減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，因而，可以減少剪力墻的設(shè)置，減小構(gòu)造斷面，減少配筋，而其耐震安全度反而提高。據(jù)國內(nèi)外工程應(yīng)用總結(jié)資料。采用消能減震結(jié)構(gòu)體系比采用傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系，可節(jié)約結(jié)構(gòu)造價510%。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)省建造價10%60%。技術(shù)合理性：傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系是通過加強結(jié)構(gòu)，提高側(cè)向剛度以滿足抗震要求的：但結(jié)構(gòu)越加強剛度越大，地震作用(荷載)也越大只能再加強結(jié)構(gòu)。如此惡性借環(huán)，其結(jié)果，除了安全性、經(jīng)濟性問題外，對于采用高強、輕質(zhì)材料(強度高、斷面小、剛度小)的高層建筑、超高層建筑、夫跨度結(jié)構(gòu)及橋梁等的技術(shù)發(fā)展，造成嚴(yán)重的制約。 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、跨度越大，消能減震效果越顯著。因而，消能減震技術(shù)必將成為采用高強輕質(zhì)材料的高柔結(jié)構(gòu)(超高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)及橋梁等)的合理新途徑。 由于消能減震結(jié)構(gòu)體系有上述優(yōu)越性，已被廣泛、成功地應(yīng)用于“柔性”工程結(jié)構(gòu)物的減震(或抗風(fēng))。一般來說，層數(shù)越多、高度越高、跨度越大、變形越大，消能減震效果越明顯。所以多被應(yīng)用于下述結(jié)構(gòu)： 高層建筑，超高層建筑；高柔結(jié)構(gòu)，高聳塔架；大跨度橋梁；柔性管道、管線(生命線工程)；舊有高柔建筑或結(jié)構(gòu)物的抗震(或抗風(fēng))性能的改善提高。 結(jié)構(gòu)消能減震體系由主體結(jié)構(gòu)和消能構(gòu)件(或裝置)組成，可按消能構(gòu)件的不同“構(gòu)件型式”和消能裝置的不同“消能型式”分類，詳見下圖所示。2、消能構(gòu)件的不同構(gòu)造形式 結(jié)構(gòu)消能減震體系中的消能構(gòu)件(或裝置)，按照其構(gòu)造形式可以做成： 圖2 消能支撐 消能構(gòu)件的不同構(gòu)造形式消能支撐：消能支撐可“代替一般的結(jié)構(gòu)支撐，在抗震(或抗風(fēng))中發(fā)揮支撐的水平剛度和消能減震作用。消能支撐可以做成方框支撐、圓框支撐、交叉桿支撐、斜桿支撐、K形支撐、雙K形支撐等。消能剪力墻：消能剪力墻可代替一般結(jié)構(gòu)的剪力墻，在抗震(或抗風(fēng))中發(fā)揮剪力墻的水平剛度和消能減震作用。消能剪力墻可做成豎縫剪力墻、橫縫剪力墻、斜縫剪力墻、周邊縫剪力墻、整體剪力墻、分離式剪力墻等。 消能節(jié)點：在結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點或粱節(jié)點處裝設(shè)消能裝置。當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向位移，在節(jié)點處產(chǎn)牛角度變化、轉(zhuǎn)動式錯動時消能裝置即發(fā)揮消能減震作用。 消能聯(lián)結(jié)：在結(jié)構(gòu)的縫隙處或結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的聯(lián)結(jié)處設(shè)置消能裝置。當(dāng)結(jié)構(gòu)在縫隙或聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生相對變形時，消能裝置即發(fā)揮消能減震作用。消能支撐或懸吊構(gòu)件：對于某些線結(jié)構(gòu)(如管道、線路等)，設(shè)置各種支撐或懸吊消能裝置。當(dāng)線結(jié)構(gòu)發(fā)生震動時，支承或懸吊件即發(fā)揮消能減震作用。3、消能裝置的不同消能形式 消能構(gòu)件中裝設(shè)有消能裝置；消能裝置的功能是，當(dāng)構(gòu)件(或節(jié)點)發(fā)生相對位移或轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生較大的阻尼從而發(fā)揮消能減震作用。為了達到最佳消能效果，要求消能裝置提供最大的阻尼，即當(dāng)構(gòu)件(或節(jié)點)在力(或彎矩)作用下發(fā)生位移(或轉(zhuǎn)動)時，所做的功最大。 為了使消能裝置具有較大的消能能力可以采用多種消能形式，一般有下述幾種：摩擦消能：如摩擦消能支撐，摩擦節(jié)點(圖2-6-16)；鋼件(梁、板、棒)非彈性消能裝置(圖2-6-17)；材料塑性變形消能：如擠壓鉛阻尼器(圖2-6-18)；材料粘彈性消能裝置(圖2-6-19)；液體阻尼消能：如液體阻尼泵；混合式：幾種消能形式混臺應(yīng)用； 2-6-16 摩擦消能裝置 圖2-6-17消能阻尼裝置 圖2-6-18鉛擠壓阻尼器 圖2-6-19 粘彈性材料阻尼裝置結(jié)構(gòu)消能減震的實質(zhì)是：在結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置消能構(gòu)件(或消能裝置)，它們能為結(jié)構(gòu)提供較大的阻尼，在地震時大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的震動能量，有效衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。