低温建筑技术 ２０１４年第３期（总第１８９期） 被动消能减震技术的工程应用分析 于敬海 ，姜旋 （１．天津大学建筑设计研究院． 天津３０００７３；２．天津大学建筑工程学院。 天津３０００７２） 【摘要】 简述了工程结构减震的种类、途径及其原理，对被动减震控制做了详细介绍，结合实际工程中最 常用的三类基本的减震装置，说明工程结构减震被动控制的实现途径及其预期的效果，并分析了具体实现途径的 力学理论基础。给出了减震结构的简化计算方法及其条件，给出参照公式。总结各类减震装置的特点，为减震的 未来重点研究方向提供一些思路。 【关键词】 消能减震；被动控制；阻尼器；减震设计 【中图分类号】ＴＵ３５２．１ 【文献标识码】 Ｂ 【文章编号】 １００１—６８６４（２０１４）０３—００４６～０３ １ 被动式消能减震的研究现状及成果 ２．１ 速度相关型 近二、三十年以来人们对建筑物的抗振动能力的 速度相关型消能器指粘滞性消能器和粘弹性消 提高做了巨大的努力，并取得了显著的成果，特别是 能器等 ，消能器的性能主要用恢复力模型表示，应 对于结构的减震隔震技术，让人们跳出了传统增强 通过试验确定，并需要根据结构预期位移控制等因素 梁、柱、墙提高抗振动的能力的观念，结合结构的动力 合理选用。 理论，巧妙地避免或减少了地震、风力的破坏。基础 粘滞阻尼器是速度相关型阻尼器的典型代表，以 隔震，各种利用阻尼器吸能，耗能系统，高层建筑屋顶 其为例，分析减震速度型阻尼器设计思路。其组成见 上的质量共振阻尼系统和主动控制减震体系都已经 图１，一般有缸筒（粘性介质容器）、活塞（将地震位移 成为减轻地震、风振响应的必备措施之一。特别是对 转化为流体的流动）、阻尼通道（提供粘性介质流动空 于难于预料的地震，破坏机理还不十分清楚的多维振 间）、阻尼介质（具有粘滞属性的流体）和导杆（将结构 动，这些结构的保护系统就显得更加重要。 位移作为阻尼力的诱因传递至活塞）等部分组成，一 在实际工程中利用非常普遍的被动式消能减震 般粘滞阻尼器的布置原则是在阻尼器两端具有较大 技术的实现途径呈现多样化，利用附加于主体结构上 的相对位移的楼层设置；对于有扭转的结构，尚应根 的有某些具有特殊属性（如粘性、延性、刚度、质量）的 据地震作用下结构扭转的情况不对称设置抗扭转的 材料通过不同的形式（可以是安放在结构物内能产生 阻尼器。其布置根据其作用特性，可以选择水平支 相对位移处的阻尼器，也可以是由结构物的某些非承 撑、斜支撑等有利于其发挥作用的方式。 重构件如支撑、剪力墙等设计成的耗能构件）制成的 减震原件在发生震害，尤其是大震时先于主体结构耗 散能量，并提供必要的刚度和阻尼，实现将可能的主 体结构破坏转移到易于更换的减震原件上，达到经济 环 安全的目的。 ２ 消能减震装置分类及力学特性 由于消能减震装置是利用不同材料的不同属性 图１ 双耳环粘滞流体阻尼器外形 制成的减震原件，对于消能减震，其类型甚多，主要分 为速度相关型、位移相关型和其他类型。位移要求愈 常规粘滞流体阻尼器输出力与活塞相对运动速 高，附加阻尼愈大，消能部件的参数、材料、分布、稳定 度之间的关系通过流体力学原理，粘滞阻尼器的力学 新等要求也愈高。 模型简化为下面的公式： ［４］ 王雷，李洋，店灵果．某汽轮发电机组框架式基础动力特性研 究ｆ Ｊ］．工程建设与设汁，２００８，（４）：４２—４６． ［收稿日期］２０１３—１１—１１ ［５］ 庙灵果，李晓文，谢艳丽，等．汽轮发Ｉ乜机组框架式基础结构振 ［作者简介］ 萤莉（１９７９一），女，辽宁凌源人，＿ｌＪ：学硕士，工 动特性试验研究及分析［Ｊ］．建筑结构学报，２００８，（增刊）：２０ 程师，从事建筑纳构加固及改造方面的研究。 —２６． 于敬海等：被动消能减震技术的工程应用分析 ４７ Ｆ＝Ｃ・Ｖ （１） 式中，Ｆ为阻尼器输出阻尼力，ｋＮ；Ｃ为阻尼系 数，ｋＮ／（ｍ／ｓ） ；Ｖ为阻尼器活塞与缸筒的相对运动速 度，ｍ／ｓ，速度 根据激励频率厂和位移Ａ幅值，计算 得出： Ｖ＝２７ｒＡｆ 式中， 为阻尼指数，根据完成工程设计要求选定 确定，非线性阻尼指数范围一般为０．Ｉ一０．５，线性阻 尼指数为１．０，与采用的粘滞介质有关。 通过振动时粘性介质与固体摩擦、分子内摩擦将 传人的能量转化为热能耗散于周围环境中达到消耗 振动能量的目的，是不同形式的粘性阻尼器（粘滞阻 尼器、粘弹性阻尼器）产生阻尼的原因。 ２．２位移相关型 位移相关型消能器指金属屈服消能器和摩擦消 能器等…，金属屈服型和摩擦型属于位移相关型，当 位移达到预定的启动限才能发挥消能作用，对于金属 屈服消能器，在地震或风振作用下，金属发生塑性屈 服滞回变形时耗散结构中的能量而达到消震的目的； 摩擦型则是通过在某些部位设置稳定的摩擦材料或 者增大摩阻力，当达到规定位移限值时，通过摩擦耗 散能量。 由于金属材料耗能能力体现在受压屈服、受拉屈 服、受剪弯曲屈服、摩擦耗能等，从不同角度利用其耗 能特性则可以制造各种不同的消能器。如Ｋ形板软 钢阻尼器、屈曲约束耗能支撑、摩擦型阻尼器等。 Ｋ形板软钢阻尼器是一种新型金属屈服型阻尼 器，利用滞回性能和耐疲劳性能较好的软钢材料，耗 能机理是Ｋ形消能板受剪发生平面外弯曲屈服耗散 振动能量。按照Ｋ形板的不同组合方式，主要分为两 类ＫＨＤ和ＫＸＤ，见图２。 在工程应用中，Ｋ形板软钢阻尼器有多种连接方 式，其中最主要的是与支撑连接和与柱连接，在结构 设计时将消能器与连接件作为整体等效为具有一定 阻尼比、刚度的构件进行计算，其参数根据结构力学 理论得出。其特性是屈服前增加结构刚度，降低结构 层间变形，减少或消除结构偏心导致的扭转不利影 响，屈服后增加结构滞回耗能能力，有效降低地震或 风振作用下结构的层间变形及层间剪力；具备双向耗 能能力，在主耗能方向具有良好的耗能能力的同时， 在垂直于主耗能方向的水平方向也具有耗能能力；具 有一定的竖向承载力（非竖向承载构件）和水平向承 载力，屈服后不影响结构的竖向承载力。 屈曲约束耗能支撑（ＢＲＢ）是利用金属材料拉压 屈服耗能的消能器，通过在普通支撑外围合理设置约 束机构，限制其受压屈服而不限制其轴向变形，最终 图２ ＫＨＤ和ＫＸＤ 实现受拉受压全截面屈服而支撑不屈服的目的。作 用机理在小震作用下增加和调节结构的刚度，中震和 大震下发生屈服而不屈曲，利用低屈服点芯材轴向受 压、受拉屈服耗散地震能量（提供阻尼），减小相邻构 件受力。 屈曲约束支撑的主要设计参数有，屈服承载力和 极限承载力，其中 Ｆ ＝Ｒ、，Ａｆ， （２） 式中，Ｆ 为屈曲约束支撑屈服承载力；Ｒ 为芯材 调整系数；Ａ为屈曲约束支撑芯材截面面积 为芯材 屈服强度。 极限承载力：Ｆ。 ＝ｔｏＦ （３） 式中，Ｆ 为屈服约束支撑极限承载力； 为芯材强 化调整系数；Ｆ 为屈服约束支撑屈服承载力。 支撑的布置应该能够最大限度地发挥其耗能作 用，同时不影响建筑功能与布置，并满足结构整体受 力需要。可采用单斜撑、人字形或 形支撑布置，也可 采用偏心支撑的布置方式，当采用偏心支撑布置的时 候，设计中应保证支撑先于框架梁屈服。 ２．３ 其他类型 按照以上的分类原则，不属于以上两类而且在实 际工程中使用相对较少的归为其他类型，。该类消能 器主要利用的并非材料特性，而是某构件的力学特 性，如质量块的惯性、组合构件的自振频率等。其消能 原理是附加于主结构上的某子结构的自振频率接近 于主结构某一阶自振频率，当被控主结构受到外界荷 载激励作用下振动时，消能系统产生一个与被控主结 构振动方向相反的惯性力作用在被控主结构上，从而 使被控主结构的振动反应衰减并受到控制，如调频质 ４８ 低温建筑技术 ２０１４年第３期（总第１８９期） 量阻尼器（ＴＭＤ）。 其思路源自单自由度体系受追振动动力学方程 ｍｘ＋ 十ｋｘ＝Ｆ （４） ３ 消能减震设计方法 消能减震结构采用“二阶段”的设计方法：第一阶 段，在小震或风载作用下，主体结构及耗能减震装置 处于弹性状态，可以提供足够的附加刚度使耗能减震 体系满足第一和第二水准要求；第二阶段，在强烈地 震下，耗能装置通过往复滞回变形消耗输入结构体系 的能量，使主体结构避免进入明显的非弹性状态从而 实现第三水准的要求。 采用底部剪力法或振型分解反应谱法计算消能 减震结构时，需要通过强行解耦，然后计算消能减震 结构的自振频率、振型和阻尼比。此时，消能部件本身 在地震下变形所吸收的能量与设置消能器后结构总 地震变性能的比值来表征。 消能减震结构的总刚度取为结构的刚度和消能 部件刚度之和，消能减震结构的阻尼比按下列公式近 似计算： ｓ ＝占 。＋ ． （５） ： ４咖 （６） ７ｒ 式中， ，、ｓ ｉ分别为消能减震结构的Ｊ．振型阻尼 比、原结构的 振型阻尼比和消能器附加的 振型阻尼 比； 、 、Ｍｊ为消能减震结构第Ｊ．自振周期、振型和广 义质量；Ｃ 为消能器产生的结构附加阻尼矩阵。 国内外的一些研究表明，当消能部件较均匀布置 且阻尼比不大于０．２时，强行解耦与精确解的误差，大 多数可控制在５％以内。 消能部件附加给结构的有效阻尼比和有效刚度， 根据消能原件布置的不同，计算的方法也有所不同， 可以按照规范计算得到。 根据基于能量平衡的建筑结构抗震设计理论，位 移相关型和速度非线性相关型消能器在水平地震作 用下往复循环一周所消耗的能量是一个重要的参数， 可按下式估算： ＝Ａ』 （７） 式中，Ａ，为第 个消能器的恢复力滞回环在相对水 平位移△“ 时的面积。 消能器的有效刚度可取消能器的恢复力滞回环 在相对水平位移△ｕ 时的割线刚度。消能部件附加给 结构的有效阻尼比超过２５％时，宜按２５％计算。 工程设计的流程，首先按照规范，根据建筑结构 的性能目标要求，对主体结构进行初步设计，如果不 满足性能目标要求，则按照基于能量与位移的抗震设 计方法布置消能减震装置，检查主体结构能否实现性 能目标的要求，通过往复优化设计，达到建筑要求。 ４结语 减震隔震体系的应用克服了传统的“硬对硬”的 抗震设计方法，而是从消能的角度为抗震设计提供了 一种更加简单、经济、效果显著的抗震方法，不但更节 省材料，而且提高了建筑安全度，适用于不同烈度不 同抗震要求的结构物。总之，以材料或构件的力学特 性为出发点，制作便于安装、经济合理高效的消能减 震构件是现在消能减震理论发展的重要组成部分。 另一方面，虽然在近年来减震隔震体系取得了长 足的进步，但是减震隔震的消能理论仍处在研究阶 段，同时在实际工程应用中又缺少必要的统计数据， 在抗震效果方面很难精确地给出定量分析，在具体的 工程应用中还面临诸如以下等问题： （１） 安装耗能阻尼器会影响结构构件的力的传 递路径，如何影响结构构件在大震作用下的破坏形态 的研究。 （２） 很多消能器使用寿命都达到了５０年以上， 时效性和可靠性也应该是消能减震结构设计要如何 考虑，综合考虑各种因素的影响（湿度、温度、开裂 等），对已有耗能减震装置的可靠性的影响。 （３） 对于不同的结构体系，进行各种耗能装置 的比较、优化分析，如何给出具体的计算模型，定制程 式化的设计程序，从而减震装置的参数能够在结构设 计中更加标准化、规范化。 参考文献 ［１］ＧＢ５００１１—２０１０，建筑抗震设计规范［ｓ］． ［２］ 邹向阳，王晓天，刘丽华．结构振动控制发展概况综述［Ｊ］．长 春工程学院学报，２００１，（９）． ［３］李嵩峰，张慧媛，薛茹．耗能减震技术的研究与进展［Ｊ］．焦作 大学学报，２００１，（６）． ［４］刘季，周云．结构抗震控制的研究与应用状况（上）［Ｊ］．哈尔 滨建筑大学学报，１９９５，（８）：１—８． ［５］ 魏陆顺，周福霖，刘光文．组合基础隔震在建筑工程中的应用 ［Ｊ］．地震工程与工程振动，２００７，（４）． ［６］周云，徐彤，俞公弊，李希平．耗能减震技术研究及应用的新 进展［Ｊ］．地震工程与工程振动，１９９９，１９（２）：１２２—１３１． ［７］ 高莹，黄忠海，耗能减震结构基于能量和位移的抗震设计方 法研究［Ｊ］．广东土木与建筑，２０１ ｌ，（８）． 【收稿日期］２０１３—１２—０４ ［作者简介］于敬海（１９６５一），男，山东聊城人，：Ｉ：学博士，研究员， 一级注册结构工程师，研究方向：复杂结构抗震技术 研究，建筑加固新技术。