结构减震与耗能技术

李娜娜

中图分类号：TU74

1背景及意义

我国是一个地震频发的国家并且呈现强度大、震源浅、活动频度高、分布广的特点[1]。由于其随机性和突发性，地震难以准确预测，往往造成灾难的性后果，仅进入21世纪以来我国因地震引起的人员伤亡已达数十万，被列为二十一世纪世界十大自然灾害之一。

传统的土木工程结构抗震设计方法主要是依靠结构本身的性能（强度、刚度和延性）来抵御地震作用，以满足结构的抗震需求[2]。当建筑物所在地发生地震时，地面震动会引起结构的自震响应，结构自身主要或非主要构件通过产生一定量的变形来转换和消耗地震输入的能量。这种“刚性耗能”的方法以结构自身的损伤为代价耗能，即是通过结构构件的破坏达到耗能减震的目的，不具备自我调节功能，结构很可能在地震破坏中倒塌，造成巨大的损失。此外，为了使结构达到预定的抗震目标，需进行大量的抗震构造措施或者增大结构构件的截面，不但会造成结构自重和刚度过大使得地震作用增大，而且还会造成大量的材料消耗和增加施工的难度[3]。

1972年美籍华人姚冶平[4]首次将结构控制技术引入土木工程。结构控制是指在结构某个部位设置一些控制装置，当结构振动时，被动或主动地施加一组控制力或改变结构的动力特性，减小结构振动反应，以满足结构安全性和舒适性的要求。

结构工程中减震控制装置按照其控制方式不同分为主动控制、半主动控制、被动控制及混合控制。其中以被动控制中的叠层橡胶隔震垫、防屈曲耗能支撑和粘滞阻尼器应用较为广泛。

2叠层橡胶隔震垫

建筑基础隔震技术是在建筑上部结构与基础（或下部结构）之间设置改变结构体系振动特性的隔震系统，使建筑物上部结构与地基“隔开”，“隔断”地震能量向上部结构的有效传递路径，实际上是通过隔震层的水平向大变形运动以消耗掉大部分地震能量，减轻上部结构所受到的惯性地震作用，有效降低地震引起的结构加速度反应、减小层间剪力及相应的剪切变形。其工作模式如图-1所示。

于是上部结构在地震过程中就会发生接近平移的运动，大大减小了地震输入到建筑物的能量。如使用了基础隔震体系的日本东京一幢22.8 m高的钢筋混凝土楼，在1987年12月17日千叶近海发生的6.7级地震中，实测地面加速度为43.8 cm/s2，而楼顶的最大加速度仅为11.9 cm/s2[5]。可见隔震层的设置对减小上部结构位移、控制结构的扭转、提高结构的安全储备是十分有利的。工程中常见普通叠层橡胶垫、铅芯橡胶垫和高阻尼橡胶垫。当安置后两种隔震垫后不需另外附加阻尼器便可以产生良好的耗能效果并且便于施工。

3防屈曲耗能支撑

高层和超高层结构中为减小结构的顶部位移，通常会在结构某一层设置加强层。结构的刚度和质量在这一层会发生明显突变，地震作用显著增大，这与抗震设计所倡导的刚度质量连续均匀分布是不相符的。普通支撑仅能增加结构的刚度，在地震往复作用下，有可能产生支撑受压屈服使结构整体刚度减小位移增加[6]。防屈曲耗能支撑是对普通支撑的一种改进，由于其结构构造不同于普通支撑因此其受压状态下的变形和屈服情况亦不相同，如图-3与图-4所示。

图-3 普通支撑受压发生平面外 图-4 防屈曲支撑受压未发生屈曲

防屈曲耗能支撑的工作原理为：在地震作用下结构会产生层间错动位移，此时防屈曲支撑中的软钢部分会进行往复的拉伸和压缩运动，因此可以耗散很大一部分输入到结构内部的地震能量，同时外围的钢套管和套管内灌注的混凝土或砂浆提供给芯材弯曲限制，避免芯材受压时屈曲为结构提供稳定的刚度。其主要组成部件如图-5所示。

图-5 防屈曲支撑结构组成

3粘滞阻尼器

粘滞阻尼器是一种输出力大、耗能性能良好、无静态刚度的速度相关型耗能减振装置。粘滞阻尼器的结构及其工作原理[7]，如图-6所示。地震作用时阻尼器活塞杆受到外界激励产生往复移动的运动趋势此时阻尼器内左右连通腔体内会产生一定的压差迫使其粘度很大的阻尼介质通过细长的阻尼孔流入相对压强较小的腔体内。由于阻尼介质的粘度很大，当其通过阻尼孔时阻尼介质的流体内部发生了相对运动，因此产生了粘滞液体分子间的相互摩擦，将地震动输入的能量转化为热能耗散到空气中。

图-6 粘滞阻尼器结构及其工作原理

粘滞阻尼器属于建筑结构中的非承重构件，当其在地震作用时的耗能过程是最大程度的保护主体结构的过程，因此可以增加建筑结构的安全储备。阻尼器本身无静态刚度，因此对结构的自振频率没有影响不会增加地震作用时的结构响应，达到了理想的工程效果，同时在结构加固工程中效果也十分显著[8]。

4 结论

结构控制技术为结构设计人员提供了一种新的方式来解决地震作用时结构产生的效应，从实际工程情况到实验理论研究都证明了结构控制技术的可行性、经济性和施工方便性等特点，拥有着广泛的应用前景。相信将来结构控制技术一定会与结构抗震设计过程结合的更为密切，使得建筑结构在保证安全的前提下大大减小工程造价。

参考文献

窦立军.建筑结构抗震[M].北京：机械工业出版社，2007：1-3

刘珍. 基础隔震结构体系地震反应研究[D]. 济南: 山东大学， 2008.

黄镇. 非线性粘滞阻尼器理论与试验研究[D]. 东南大学， 2007.

Yao. Concept Of Structure Control[J]. Journal Of The Structure Division， 1972，98:1567-1574.

李慧，杜永峰等. 叠层橡胶垫基础隔震技术的研究[J].甘肃工业大学学报1999.

郝贵强，杜永山，齐建伟. 防屈曲支撑（BRB）在抗震加固工程中的应用[J]. 建筑结构，2010，40：131-134

王富源. 基于多孔介质的粘滞阻尼器设计与试验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学， 2012.

陈永祁， 杜义欣. 液体粘滞阻尼器在结构工程中的最新进展[J]. 工程抗震与加固改造， 2006，28(3):65-72.