消能减震技术在建筑抗震加固中的应用

摘要:介绍了消能减震技术的概念，消能器的种类及其特点。简单介绍了消能减震技术在国内外实际工程中的应用，指出消能减震技术是目前抗震加固方法中最好的一种方法。

关键词：消能减震，抗震加固，消能器

中图分类号：C35文献标识码： A

前言

近年来，世界各地大地震频发，造成了大量的人员伤亡和巨大经济损失。震后大量建筑物在评估后需要按照新的设防标准进行加固。传统的加固措施工期长，施工面大，同时会对原结构造成一定损伤，已不适用。而国内外专家对消能减震技术研究的不断进步，使得这一技术在建筑结构设计和建筑抗震加固方面的应用得到了推广。我国也于2013年6月了《建筑消能减震技术规程》，为这一技术在建筑工程领域的应用提供了依据。

一、消能减震技术的概念

消能减震技术是指在结构中某些部位设置耗能原件，耗能原件在结构震动变形时发生滞回变形耗散能量,从而减小结构构件耗散的能量，减小结构的震动变形，保证结构在风荷载作用下的舒适度并降低地震作用对结构的破坏。

二、消能器的分类

消能减震结构中附加的耗能原件或装置一般统称为效能器。根据附加效能器耗能机理的不同，可分为速度相关型和位移相关型消能器两大类：

1、速度相关型消能器通常分为粘滞消能器和粘弹性消能器，在地震往复作用下利用其粘滞和粘弹材料的特性来耗散地震能量，消能器耗散的地震能量与消能器变形的速度相关；这类消能器的优点是：消能器从小振幅到大振幅都可以产生阻尼耗能作用，但其阻尼力的大小往往与温度相关。此外，这种消能器的制作要求精密加工，使用过程中需要必要的维护，且一般价格较高。

2、位移相关型消能器通常用塑性变形性能好的材料制成，在地震往复作用下通过其良好的塑性滞回耗能能力来耗散地震能量，消能器耗散的地震能量与消能器变形相关。常用的位移相关型消能器有软钢剪切消能器、金属弯曲消能器、屈曲约束支撑、铅消能器和摩擦型消能器。

三、消能减震技术的应用

消能减震技术具有广阔的应用范围，既适用于新建工程，又适用于已有建筑物的抗震加固、改良；既适用于普通的建筑结构，如住宅、办公楼等，又适用于抗震生命线工程。消能减震技术被提出以来，在北美以及日本地区发展较为迅速，已经有很多实际工程应用。

墨西哥城的Izazaga38号大楼在墨西哥城大地震中受到破坏，采用传统的方法加固以后，在1986年的地震中再次遭到破坏，最后设计人员采用金属屈服阻尼器进行加固。加固后的结构抗侧刚度增加，在地震作用下层间位移减小40%。同时由于在地震作用下金属阻尼器屈服耗能，结构的基底剪力基本保持不变。

纽约世贸中心采用了粘弹性消能器，消能器被安装在楼板支撑桁架下弦杆与外墙柱之间。整个大楼安装了10000个消能器，为大楼提供了约3%的附加阻尼比，使得结构在飓风作用下保持了较好的舒适度，同时增强了结构的抗震能力。

日本一座54层钢结构建筑，结构总高为216米。在经历了2004日本新县中越地震后，采用有阻尼器进行了加固，使其阻尼比从原来的1.3%提高到2.7%。在超高层钢结构中，这是一个较高的结构阻尼比。设置阻尼器后结构最大顶层位移将显著下降，计算分析表明，无阻尼器的结构最大顶层位移为698mm，而安装阻尼器后结构最大顶层位移为545mm，减小了22.2%加固后的结构经历了2011年东日本9.0级大地震，在地震中该结构表现出良好的性能。

近年来，国内也有一系列建筑采用了消能减震技术。

北京通用时代广场工程是国内第一个应用自主研发的屈曲约束支撑结构。该屈曲约束支撑由刚内核芯材与钢筋混凝土约束外壳组成，于2005年完工，一共安装了350个屈曲约束支撑。

潮汕星河大厦，地下一层，地上主楼原设计22层，裙楼四层。主体结构采用框架核心筒结构，外框架为钢管混凝土柱，核心筒为钢筋混凝土剪力墙，建筑占地面积1495.24m2，总建筑面积超过20000m2.在施工过程中，业主要求增加三层，为了是加层后的结构满足抗震设计要求安装了28组铅粘弹性消能器。安装消能器之后，在地震作用下，结构的顶点位移和层间位移角均满足规范要求。

都江堰市北街小学外国语学院艺术中心大楼汶川地震后的加固工程，若采用传统的增大截面法加固，其第一层柱及二到四层的部分柱均需增大截面，导致第一层梁及二三层部分梁需增大截面，四层梁需增大配筋，工程量较大。而实际采用的整体上加消能减震，局部加固受损的构件和节点的加固策略，减少了对原结构的破坏，降低了施工难度。

四川省都江堰中学消能减震加固工程，设防烈度由7度0.10g升至8度0.20g，建筑面积：60000m2；该校框架结构的建筑均全面采用消能减震方式加固，其“工期短、造价低、建筑空间影响小”等优势得到充分体现。2010年6月至8月约六万平方米的校舍在80多天工期内顺利竣工，近5000名师生在2010年9月1日按时开学。该项目为目前全球最大规模集中采用消能减震加固的单项工程。

结束语

综上所述，消能减震技术与传统的抗震加固方法相比有一系列优越性:（1）消能构件具有极大的消能能力,在强地震中能率先消耗结构的地震能量,迅速衰减结构的地震反应,并保护主体结构和构件免遭损坏,确保结构和建筑内的重要设备、仪器的安全。

(2)消能减震结构通过“柔性消能”的途径以减少结构地震反应,在减少剪力墙的设置、构造断面、配筋的同时,还能大大提高抗震安全度，并且其造价比传统的抗震加固方法节省10%~60%

(3)震后易于修复或更换,使建筑结构物迅速恢复使用

基于以上的优越性，采用消能减震技术是目前最好的选择，它可以在提高结构抗震安全性的前提下大大减少加固的工作量，从而得到较好的经济效益和很好的社会效益。

参考文献

[1] GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ 297-2013.建筑消能减震技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2013

[3]杨林曙.消能减震技术在建筑抗震加固中的应用探讨[J].陕西建筑, 2013.2

[4]潘鹏，叶列平，钱佳茹，邓开来，何瑶. 建筑结构消能减震设计与案例[M],2014.1