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            2. 減震技術丨周云教授:消能減震技術研究與應用進展
              2021-05-07 09:03:27
              0   引言


              傳統結構抗震設計是通過增加結構自身強度、剛度等來抵御地震與風振作用,是一種被動消極的抗震對策。自美籍華裔學者姚治平(Yao J.T.P.)[1]首次將結構振動控制技術引入土木工程以來,國內外學者[2-8]對結構被動控制、主動控制、半主動控制等開展了大量研究,取得豐碩的研究和應用成果。20世紀70年代末,我國學者[9-10]開始對結構消能體系進行研究,并建成數棟設有消能支撐的鋼筋混凝土廠房結構。20世紀80年代,周福霖院士等[11-12]提出在結構中裝設方框消能支撐進行消能減震,并完成5榀消能支撐結構模型試驗。我國機械工業部設計研究院和西北建筑設計院對矩形內框和菱形內框耗能器支撐系統進行了低周往復荷載試驗研究[13]。消能減震技術在我國真正蓬勃發展和應用始于1998年啟動的首都圈防震減災示范區建設,北京飯店、北京火車站、中國革命歷史博物館和北京展覽館等一批標志性建筑加固均采用消能減震技術[14]。2008年汶川地震后,大量災后建筑亟需抗震修復、加固及拆除重建,消能減震技術因其概念簡單、減震機理明確、減震效果顯著、應用范圍廣等優點獲得廣泛應用。2013年四川蘆山縣地震中,采用隔震技術的蘆山縣人民醫院門診綜合樓在地震中安然無恙,歷經強震考驗,為政府和社會各界樹立了信心[15]。2013年,國家行業標準《建筑消能減震技術規程》(JGJ 297—2013)[16]頒布實施,作為國內外第一部系統的消能減震行業技術標準,標志著我國消能減震技術達到國際領先水平,規程的頒布實施為我國消能減震結構設計和施工提供了技術支撐和指導依據,也為消能減震技術在我國的工程應用推廣奠定了堅實的基礎。隨著社會民眾對建筑抗震安全需求的日益增加,消能減震技術在國內抗震領域的應用已越來越多,目前已逐步成為結構抗震的主流技術之一,有關消能減震技術的研究也引起學界和工程界的廣泛關注。
              近四十年來,我國學者對建筑消能減震技術進行了全面而深入的研究,在消能減震裝置開發、性能試驗、分析模型、結構設計理論、工程應用等方面取得一系列豐碩成果,并逐步向標準化、規范化、產業化方向發展。本文對我國消能減震技術研究與應用成果進行總結,包括消能器的研究與開發、消能減震結構創新體系、消能減震設計方法、消能減震標準化、國內典型消能減震工程應用等,并指出我國消能減震技術存在的若干關鍵問題及未來需重點研究的方向,為下一步消能減震技術研究和發展提供參考。

              1   消能器的研究與開發


              消能減震效果主要取決于消能器的類型與性能,國外開展消能器研究與應用已有多年歷史,國內針對消能器的自主研發雖然起步較晚,但發展迅速,取得豐碩的成果。目前主流的消能器產品包括黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、金屬阻尼器、摩擦阻尼器、復合型阻尼器、屈曲約束支撐等。
              為促進消能器的開發、改進和推廣,周云[17]提出消能器開發新理念與性能目標。消能器的性能目標應滿足:1)構造簡單,傳力直接;2)耗能機理明確,元件功能清晰;3)能夠準確定量描述;4)性能穩定,魯棒性好;5)具有較高安全儲備;6)耐久性好,能長期穩定的工作;7)工作適應性好;8)耗能效率高。

              1.1

              黏滯阻尼器
              黏滯阻尼器最早應用于軍事和航空領域,之后逐漸引入到結構工程[4,18]。其在結構工程領域三十多年的發展主要可分為三個階段:以膠泥為填充材料的第一代黏滯阻尼器;采用各種閥門控制并使用蓄能器的第二代黏滯阻尼器;最新發展形成的以小孔射流方式控制的第三代黏滯阻尼器。小孔射流技術是在20世紀80年代發明并開始大量使用[18-19]。該技術使黏滯阻尼器能夠安全穩定地工作,目前已得到國際工程界的廣泛認同,帶來了黏滯阻尼器的新革命。第三代黏滯阻尼器主要由油缸、活塞、阻尼孔、黏滯流體阻尼材料和活塞桿等部分組成,如圖1所示?;钊嫌刑厥鈽嬙煨】鬃鳛樽枘峥?,缸筒內裝滿硅油等黏滯流體材料。當黏滯阻尼器工作時,隨著活塞相對缸筒往復運動,黏滯流體從高壓腔體經過阻尼孔或間隙流往低壓腔體,在黏滯流體往復流經阻尼孔或間隙的過程中產生射流,因克服摩擦和碰撞等而耗散能量。
                   
              圖片圖1 第三代黏滯阻尼器構造圖

              我國學者對黏滯阻尼器性能開展了相關理論和試驗研究,包括黏滯流體材料改進與活塞頭或缸筒等構造改進[20-26]。為進一步提升黏滯阻尼器性能,周云[27]研制開發了一種新型黏滯-彈性阻尼器,如圖2所示,試驗研究表明,新型阻尼器耗能穩定,性能良好。為改善黏滯阻尼器低速工作時的性能,黃政[28]提出阻尼疊加型黏滯阻尼器,如圖3所示。小孔射流、異型孔、阻尼疊加型阻尼器的對比試驗研究表明,阻尼疊加型黏滯阻尼器在低速工作下能很好滿足設計要求,且具有良好的抗疲勞性能。
               圖片

              圖2 新型黏滯-彈性阻尼器


              圖片
              圖3 阻尼疊加型黏滯阻尼器對比試驗

              1.2

              黏彈性阻尼器

              黏彈性阻尼器最早由美國3M公司設計與制作,1969年被應用于紐約世貿大廈以控制結構風振,標志著黏彈性阻尼器開始應用于土木工程領域[29]。隨后,國內外學者對黏彈性阻尼器開展了大量試驗研究[5,30-34]。黏彈性阻尼器主要由黏彈性材料和鋼板組成,黏彈性體夾在兩塊鋼板之間,通過高溫硫化成一體。黏彈性阻尼器產生剪切變形時,黏彈性材料中聚合物分子鏈組成網絡之間產生壓縮、錯動、松弛以及混合物間產生內摩擦,部分能量以位能形式存儲起來,另一部分能量則被耗散或轉化為熱能。

              早期黏彈性阻尼器表現出明顯的頻率與溫度相關性,循環加載下性能退化嚴重。為改善黏彈性阻尼器的力學性能,周云等[35-37]聯合日本住友橡膠工業公司研發了高阻尼黏彈性阻尼器,如圖4(a)所示。相比傳統黏彈性阻尼器,高阻尼黏彈性阻尼器的疲勞性能得到明顯提升,其疲勞性能曲線如圖4(b)所示。為推動黏彈性阻尼器的國產化,周云等[38-39]聯合柳州東方橡膠制品有限公司研制了一種高阻尼橡膠阻尼器,具有滯回曲線飽滿、疲勞性能穩定、極限變形能力強等優點。
              圖片
                   (a)高阻尼黏彈性阻尼器     (b)疲勞性能曲線
              圖4 高阻尼黏彈性阻尼器

              1.3

              鉛黏彈性阻尼器
              為解決黏彈性阻尼器具有明顯的頻率相關性、國產黏彈性材料阻尼低等問題,周云基于“多種耗能機制共同耗能”的新型耗能裝置設計思想[17],研發了系列復合型鉛黏彈性阻尼器,主要有鉛橡膠阻尼器[40-41]、組合式鉛橡膠復合阻尼器[42]、鉛黏彈性阻尼器[43],鉛黏彈性阻尼器如圖5(a)所示。為使鉛黏彈性阻尼器有更大的初始剛度與更好的耗能能力,對其進行改進,增加了鉛芯直徑,并采用四層黏彈性層的構造,形成復合型鉛黏彈性阻尼器[44],如圖5(b)所示。為進一步提高耗能能力,簡化制作工藝,促進鉛黏彈性阻尼器的產品化、標準化生產,提出一種多鉛芯黏彈性阻尼器[45-47],如圖5(c)所示。多鉛芯黏彈性阻尼器由剪切鋼板、約束鋼板、鉛芯、黏彈性材料、薄鋼板、上下連接端板和鉛芯封蓋組成,具有良好的耗能能力,其典型滯回曲線如圖5(d)所示。
              圖片 圖5 復合型鉛黏彈性阻尼器
              汶川地震震害表明,框架及底框結構出現了許多柱頭和梁柱節點進入明顯塑性狀態而導致結構破壞或倒塌的現象。為提高框架結構梁柱節點的抗震性能,周云[48]提出了一種用于節點加固的扇形鉛黏彈性阻尼器,如圖6(a)所示。地震作用下框架結構側移變形使得梁柱節點區產生相對轉動位移,帶動扇形鉛黏彈性阻尼器的鉛芯產生剪切或擠壓變形和黏彈性材料產生剪切變形,耗散地震能量,減小框架結構的側移及層間位移角,有效保護梁柱節點[49-50]。扇形鉛黏彈性阻尼器可直接安裝在結構框架柱與梁之間,無需使用額外連接支撐,且體積小,不影響空間使用,既可用于加強新建建筑的梁柱節點抗震性能[51],又可用于既有建筑的節點加固[52],如圖6(b)所示。此外,近年來隨著裝配式建筑的快速發展,扇形鉛黏彈性阻尼器為改善裝配式結構節點整體性和抗震性能提供了新選擇[53-55]。
              圖片
              圖6 扇形鉛黏彈性阻尼器
              為解決現有聯肢剪力墻結構中連梁作為第一道抗震防線在震后存在的修復或更換困難、成本高和耗時長等問題,周云[56]基于“工程結構構件可更換甚至自恢復”設計思想,提出將剪力墻連梁跨中截斷設置鉛黏彈性連梁阻尼器,如圖7(a)所示,以實現剪力墻結構震后無需修復或稍許修復即可恢復使用功能。鉛黏彈性連梁阻尼器具有穩定的性能和良好的耗能能力,其典型滯回曲線如圖7(b)所示。
              圖片
                圖7 鉛黏彈性連梁阻尼器

              1.4

              金屬阻尼器
              金屬阻尼器是利用金屬元件屈服時產生的彈塑性滯回變形來耗散能量。金屬材料往往具有良好的滯回特性和低周疲勞性能,且受外界環境和溫度變化的影響較小,國內外學者研制與開發了不同類型的金屬阻尼器[6]。軟鋼阻尼器是應用最為廣泛的金屬阻尼器。由于軟鋼進入塑性后有良好的塑性變形能力和滯回耗能性能,低屈服點鋼有較低的屈服點與較好的延性。利用這些特性,可根據需要設計成不同形式的金屬阻尼器。目前,國內外學者已先后提出了剪切鋼板阻尼器、X形加勁軟鋼阻尼器、三角形加勁軟鋼阻尼器、開孔式加勁軟鋼阻尼器等阻尼器[57-60]。其中,開孔式加勁軟鋼阻尼器如圖8所示,由于其具有良好的消能減震效果,已被廣泛應用于實際工程中[61]。
              圖片
              圖8 開孔式加勁軟鋼阻尼器
              圓環阻尼器利用軟鋼的滯回變形進行耗能,最早由2根平行的鋼棒卷成圓形組成。周云[62]對使用低碳鋼制成的圓環阻尼器進行試驗研究,結果表明其具有穩定的工作性能和滯回性能,可安裝在X形或K形支撐上。為改善圓環阻尼器存在的初始剛度較低、承載能力較差、耗能能力有限等問題,先后提出雙環阻尼器[63]、加勁圓環阻尼器[64]和鋼屈服-摩擦圓環阻尼器[65],如圖9所示。周云[66]利用鋼板性能穩定,滯回性能好的特點,設計提出橢圓型鋼板阻尼器,如圖10所示。此后,國內學者[67]進一步開展研究工作,但該阻尼器仍存在初始剛度小、屈服位移較大等問題。
              圖片
              圖9 圓環阻尼器
              圖片
              圖10 橢圓型鋼板阻尼器
              相比軟鋼,鉛具有較高的柔性和延展性,有較強的變形跟蹤能力,特別是具有動態再結晶特性[68],因此鉛成為制作消能減震裝置的優選材料之一。鉛阻尼器主要有擠壓型鉛阻尼器[69]、剪切型鉛阻尼器[70]、彎剪型鉛阻尼器[71]等。U型鉛阻尼器力學性能穩定、變形能力強,早期日本將其與隔震支座混合用于隔震結構中[72]。
              周云基于“多種耗能機制共同耗能”與“局部削弱相當于其他部分加強”的設計思想[17,73],結合鉛和鋼材的優點,提出鋼管鉛阻尼器,如圖11(a)所示。鋼管中部采用拋物線形式進行削弱,使得變形和耗能集中在中部,避免鋼管鉛阻尼器由于端部連接破壞而過早退出工作。鋼管鉛阻尼器具有各向同性、小位移屈服耗能、屈服后剛度小、耗能能力強等優點[74-79],其典型滯回曲線如圖11(b)所示。
              圖片
              圖11 鋼管鉛阻尼器

              1.5

              屈曲約束支撐
              屈曲約束支撐(Buckling Restrained Brace,簡稱BRB)最早由日本新日鐵公司提出[80],此后逐步在日本、美國、中國等國家和地區得到推廣與應用,是目前工程中應用較多的阻尼器。BRB通常由核心單元(內芯)與外約束構件組成。目前,各國學者已研制出不同核心單元截面形式的BRB[81-82],如圖12所示。國內周云、歐進萍、李國強等學者也對不同截面形式BRB進行了研究[8,83-87]。
              圖片
              圖12 不同核心單元截面形式的BRB
              傳統BRB端部易產生應力集中破壞,針對這一問題,周云提出“核心單元局部削弱相當于其他部位加強的新型BRB設計理念[73],如圖13所示。基于該設計理念,研究并提出了開孔式鋼管BRB、開槽式鋼管BRB、外包混凝土式BRB[88-96],如圖14所示。針對傳統板式BRB中存在的構造復雜與破壞位置隨機問題,提出了開孔鋼板裝配式BRB和開孔雙核心鋼板裝配式BRB[97-102],如圖15所示。
              圖片
              圖13 核心單元局部削弱——BRB開孔或開槽示意
              圖片
              圖14 三重圓/方鋼管BRB與外包混凝土式BRB
              圖片
              圖15 開孔鋼板裝配式BRB和開孔雙核心鋼板裝配式BRB

              1.6

              阻尼填充墻
              鋼筋混凝土框架填充墻結構是建筑工程中廣泛應用的結構形式之一。針對框架填充墻結構的震害特點,周云參照黏彈性阻尼器的耗能機理,對填充墻進行了改進,提出阻尼填充墻[103],其構造如圖16所示。阻尼填充墻是在普通填充墻構造的基礎上,將墻體劃分為3個或多個砌體單元,砌體單元之間以及砌體單元與框架梁之間設置阻尼層,形成類似黏彈性阻尼器的阻尼層與鋼板相隔布置的構造。砌體單元的一側與框架柱固定連接(上下相鄰的砌體單元異側固定),而另一側與框架柱間設置縫形成柔性連接,并采用柔性材料進行填充。地震作用下,阻尼填充墻上下相鄰的砌體單元隨框架柱產生相對運動,使得阻尼層產生剪切滯回變形而耗散地震能量,保護墻體的同時改善了框架填充墻結構的抗震性能。
              圖片
              圖16 阻尼填充墻示意
              為研究阻尼填充墻的抗震性能,周云等從阻尼填充墻阻尼層[104]、阻尼填充墻單元[105]、帶阻尼填充墻的鋼筋混凝土框架[106-107]三個層面進行了試驗研究,揭示了阻尼填充墻平面內方向的工作機理,提出了簡化力學模型[108],對帶阻尼填充墻整體框架結構進行抗震性能分析[109-110]。目前,正開展阻尼填充墻平面外受力性能及機理的分析與試驗研究[111-112]。
              為適應我國建筑工業化的發展趨勢,周云提出裝配式減震墻板,如圖17所示,對其進行減震墻板框架單元與減震墻板框架結構的試驗研究[113-114]。此外還將阻尼填充墻應用到既有建筑的加固,提出阻尼填充墻加固震損框架的方法[115-116],即先對震損框架進行局部修復,再采用阻尼填充墻或減震墻板加固。
              圖片
              圖17 裝配式減震墻板示意

              2   消能減震結構創新體系


              將性能良好的消能器巧妙地應用于建筑結構中以解決各類工程實踐難題是工程師的職責所在,因此,基于各類新型消能器構建消能減震結構創新體系至關重要。

              2.1

              高位轉換耗能減震體系
              對于高位轉換高層建筑,由于轉換層上、下樓層豎向構件不連續,結構豎向剛度發生明顯變化,轉換層上、下樓層的構件內力容易發生突變,對抗震極為不利[117-119]。針對高位轉換結構存在的諸多問題,周云[120]提出“從改變結構特性的角度出發解決高位轉換結構存在的抗震問題”的思路,將消能減震引入高位轉換結構中,從而形成高位轉換耗能減震結構體系,如圖18所示。高位轉換耗能減震結構體系是在高位轉換結構的轉換層下部樓層中加入消能裝置,為結構提供附加阻尼與附加剛度,耗散地震與風振輸入結構的能量。研究表明,將消能減震技術應用于高位轉換結構中并形成高位轉換耗能減震結構新體系是可行的[121-124]。     
              圖片
                 圖18 高位轉換耗能減震體系示意

              2.2

              耗能減震層高層結構體系

              隨著高層建筑功能的需要,高層結構體型越來越復雜,采用現有結構體系進行地震與風振控制的難度越來越高。近年來,國內外許多學者將耗能減震構件引入到高層結構加強層中,以提高結構的抗震性能。O'Neill[125]首次驗證了阻尼器設置在加強層實體梁與框架柱連接部件中的減震效果,Smith等[126]提出利用核心筒彎曲變形和外框架剪切變形之間較大的豎向變形差來提升黏滯阻尼器的耗能能力,即Damped Outrigger工程實踐的概念,并成功應用于菲律賓Shangri-La雙塔等工程中[127],隨后國內學者也開展了相關的研究工作[128-130]。

              周云[121,131]提出帶耗能減震層高層結構體系,該結構體系是將耗能減震技術引入到高層結構加強層中,將加強層伸臂桁架和環帶桁架中的普通支撐用耗能支撐(消能器+支撐)代替,形成耗能減震層,如圖19所示。帶加強層與耗能減震層的超高層結構對比分析結果表明,耗能減震層能更有效地控制結構反應,減小結構內力突變[132-133],同時證明了耗能減震層對于超高層結構抗風與抗震的有效性和可行性[134]。耗能減震層的概念逐步得到工程界的認同,已有多項工程采用了這一理念。
              圖片
              圖19 耗能減震層高層結構體系

              2.3

              防碰撞耗能減震結構體系

              目前,隨著建筑功能需求的提升,不規則結構越來越多。不規則結構的設計,通常利用防震縫分成多個部分,但帶來的問題則是增加了相鄰結構間碰撞的可能性[135-136]。大量研究表明,對于防震縫分開的結構,由于動力特性的差異,最小防震縫的寬度往往難以保證其不發生碰撞[137-141]。針對此問題,周云[121]將消能技術應用到相鄰結構中,提出了防碰撞耗能減震結構體系,即通過在相鄰結構之間設置消能減震裝置,利用相鄰結構間的相對變形耗能,減小相鄰結構間的反應,避免碰撞。在此基礎上,周云[142]進一步提出減震縫的概念,即通過在防震縫中設置三維阻尼器,使防震縫變成減震縫,不僅能夠防止相鄰建筑間的碰撞,還能多維控制相鄰結構外部荷載作用下的反應?;跍p震縫的思想,設計提出可安裝于防震縫間的黏彈性球阻尼器與套疊鋼環阻尼器[142]。其中,黏彈性球阻尼器及其安裝示意如圖20所示。

              圖片
                   圖20 黏彈性球阻尼器

              2.4

              裝配式耗能腋撐框架減震體系

              在框架結構中,節點是結構傳力的樞紐,起著傳遞和分配內力、保證整體性的作用。在地震作用下,節點核心區易產生剪切脆性破壞。節點一旦破壞,會使結構處于極為不利的受力狀態,甚至導致整個結構的倒塌。從歷年地震震害中可以看出,鋼筋混凝土框架結構大多是由于框架梁柱節點的破壞而導致結構失效或倒塌。這一弊端在裝配式框架結構中尤為明顯,為保證裝配式結構節點的抗震性能,周云提出一種裝配式耗能腋撐框架減震體系[143-144],如圖21所示。其通過在框架柱與梁端部附近安裝耗能支撐或阻尼器,改善框架梁柱節點的受力性能,減輕節點的損傷,使結構滿足“強節點弱構件”的延性設計要求。由于耗能腋撐自身可作為第一道抗震防線,耗散地震輸入的能量,故裝配式耗能腋撐框架減震體系可以有效減輕結構構件的損傷[145-146]。

              圖片
              圖21 裝配式耗能腋撐框架減震體系

              2.5

              功能自恢復連梁結構體系

              可更換連梁是一種在地震后易于修復或更換的連梁。近年來,國內外學者對可更換連梁進行了大量研究[147-148],可更換連梁的類型主要有金屬耗能型可更換連梁[149-151]、摩擦耗能型可更換連梁[152]、黏彈性耗能型可更換連梁[153-154]、復合型耗能型可更換連梁[155]等??筛鼡Q連梁在一定程度上可實現結構震后功能可恢復,但可更換連梁存在震后更換成本高、安裝周期長,可更換連梁與結構的連接件變形或破壞后難以更換等問題。為解決上述問題,周云[156,56]提出功能自恢復連梁結構體系,即通過在結構最不利的部位設置具有震后自恢復功能的消能裝置,經過合理的設計和構造措施使得主體結構在地震作用下保持彈性或微損傷,且震后消能裝置功能可自動恢復,從而實現建筑結構可持續的全壽命目標。設計了一種與之相適應的鉛黏彈性連梁阻尼器,如圖22所示。地震作用下,設置在連梁跨中的鉛黏彈性連梁阻尼器同時利用鉛芯的剪切和擠壓變形與黏彈性材料的剪切變形耗散地震能量,可更好地保證主體結構的安全[157]。

              圖片
              圖22 功能自恢復連梁結構體系示意

              2.6

              消能樓梯間
              樓梯間是具有重要建筑使用功能的通道,然而地震中樓梯間常發生嚴重的震害,極大阻礙了災害發生后建筑物內人員的逃生。國內外學者對樓梯間抗震性能、機理及其改進措施等開展了大量研究,積累了豐碩的研究成果[158]。
              為解決普通樓梯梯板的支撐效應,周云[159]通過切斷普通樓梯梯板與梯梁的強連接,在斷開處設置消能減震支座(如黏彈性阻尼器),形成消能減震樓梯,減震支座構造如圖23(a)所示。同時,為解決樓梯間中普通填充墻自身剛度過高帶來的震害問題,保護樓梯間的墻體,將樓梯間的普通填充墻改造為阻尼填充墻,周云[159]提出具有“空間阻尼器”減震效果的消能減震樓梯間,其構造如圖23(b)所示。水平地震作用下,由于梯板與梯梁之間設置了減震支座,使梯板與梯梁的剛性連接變為柔性連接,減小了樓梯間的抗側剛度,保護了梯板等樓梯構件,同時減震支座的剪切滯回變形耗散一定的地震能量,減小結構的地震反應。樓梯間框架發生往復變形時,阻尼填充墻相鄰砌體單元間產生相對位移而迫使阻尼層剪切滯回變形,耗散地震能量,保護墻體本身不產生破壞[160-161]。
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              圖23 消能減震樓梯間

              3   消能減震設計方法


              3.1

              消能減震結構基于性能的抗震設計方法
              基于性能的抗震設計方法由Bresler等[162]提出,我國《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2001)[163]中引入了基于性能的抗震設計的相關內容。周云與歐進萍等最早將其推廣應用于結構控制領域及消能減震結構分析[164-166]。隨后,周云等先后提出基于性能的消能減震加固設計理論框架[167]、基于性能的消能減震結構抗風設計方法[168]、基于能量的消能減震結構風振設計方法[169]與基于黏滯阻尼器耗散功率的消能減震結構風振設計方法[170]。

              3.2

              消能減震結構附加阻尼比計算方法
              消能減震設計中,附加阻尼比是關鍵參數,其計算結果準確與否對評估消能部件耗能效率、消能減震方案的可行性等具有決定性影響。近年來,國內外學者先后研究提出了應變能法、能量比法、自由振動衰減法、減震系數法、功率法、隨機減量法等多種附加阻尼比計算方法[171-177]。
              應變能法是我國現行規范采用的計算方法,亦為目前應用最為普通的計算方法。其通過消能器在外荷載作用下耗散的能量與消能減震結構在外荷載作用下的總應變能的比值來表征附加阻尼比。針對應變能法,國內學者[178-179]對設置黏滯阻尼器、BRB等消能器的結構附加阻尼比計算方法與設計方法進行研究,周云等[171,180]提出應變能法時變計算方法。
              能量比法是近年新提出的附加阻尼比計算方法,其通過結構模態耗能與模態阻尼比之比等于消能器總耗能與附加阻尼比之比計算附加阻尼比。目前,已有學者[171,175]對能量比法附加阻尼比計算時刻的選取等問題進行了研究,給出了取值建議。由于能量比法概念簡單,物理意義明確,其將成為未來較好的附加阻尼比計算方法。

              3.3

              消能子結構設計方法
              消能子結構作為消能減震結構的重要構件,其承載力與延性必須得以保證,從而保證阻尼器發揮作用?!督ㄖ軠p震技術規程》(JGJ 297—2013)[16]指出,為使阻尼器按預期耗能,需保證子結構構件不先于阻尼器發生破壞。此外,新疆《建筑消能減震應用技術規程》(XJJ 075—2016)[181]給出四種子結構驗算(或設計)方法,云南《云南省建筑消能減震設計與審查技術導則(試行)》[182]也給出了相應的子結構設計方法。
              雖然《建筑消能減震技術規程》(JGJ 297—2013)對消能子結構設計及驗算給出明確規定,但僅為原則性指導,未給出具體的子結構設計和驗算方法,實際可操性不強。而新疆和云南規程的設計方法則不統一,未全面考慮《建筑消能減震技術規程》(JGJ 297—2013)子結構設計的要求。針對上述問題,周云等提出消能子結構彈性設計方法,即使用彈性分析得到的力完成消能子結構的設計與驗算,并考慮在既定抗震等級下同時提高子結構構件的延性和承載能力[183-184]。

              4   消能減震標準化


              隨著我國消能減震工程應用的不斷推進,消能減震技術標準化、規范化和產業化水平不斷提高,目前已初步形成一套較完整的消能減震技術標準體系。
              2001年,國家標準《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2001)[163]頒布實施,將消能減震內容納入其中,給出了關于消能減震設計的基本要求。該規范的修訂版分別于2010年、2016年頒布,新修訂的《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[185]總結了2008年汶川地震震害經驗,在修訂中擴大了消能減震房屋的適用范圍,調整和補充了房屋消能減震設計的相關要求。
              2007年,建筑工業行業標準《建筑消能阻尼器》(JG/T 209—2007)[186]頒布實施,該標準規定了建筑消能阻尼器(黏彈性阻尼器和黏滯阻尼器)的術語和定義、分類和標記、技術要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸和貯存。該標準的修訂版于2012年頒布,新修訂的《建筑消能阻尼器》(JG/T 209—2012)[187]修改補充了原有2007標準關于“黏彈性阻尼器和黏滯阻尼器”的定義和規定,同時增加了“金屬屈服型消能器和屈曲約束耗能支撐”的內容和要求。
              2009年,國家建筑標準設計圖集《建筑結構消能減震(振)設計》(09SG610-2)[188]頒布實施,主要給出了黏滯消能器、黏彈性消能器、金屬屈服型消能器和摩擦型消能器等四種常用消能器與混凝土結構、鋼結構的連接詳圖及黏滯消能部件的計算示例,可用于指導建筑物的消能減震(振)設計。
              2013年,國家行業標準《建筑消能減震技術規程》(JGJ 297—2013)[16]頒布實施,該規程是國內外第一部系統的消能減震結構設計規程,該規程結合我國國情對消能減震結構的限高、抗震等級、構造措施和支撐(支墩)、連接板、節點板等構件設計與構造相關內容進行了規定和說明,使設計人員更容易操作,并給出了消能部件的安裝和驗收方法,便于施工操作和驗收。其頒布實施規范和促進了消能減震技術在新建和抗震加固結構中的合理、正確應用,為消能減震結構的設計和施工提供技術支撐,同時以此為契機,形成一套實用、有效的建筑設計理念、方法;引導和推進消能減震產品設計、生產、安裝及施工驗收等流程的規范化和標準化發展,為消能減震技術的工程應用推廣奠定堅實的基礎,并由此逐步提高我國房屋建筑的抗震安全性及工程抗震質量;作為國內外第一部系統的消能減震行業技術標準,表明我國消能減震技術在該領域達到國際領先發展水平。該規程的頒布實施將引領我國消能減震技術健康、有序發展,在抗震、消能減震發展中具有里程碑式的意義。
              2018年,工程建設協會標準《建筑消能減震加固技術規程》(T/CECS 547—2018)[189]頒布實施,該規程結合我國國情對消能減震加固結構的計算、設計、構造措施等相關內容進行了規定和說明,使設計人員更容易操作,并給出了消能部件的安裝和驗收方法,便于施工操作和驗收。
              此外,工程建設協會標準《屈曲約束支撐應用技術規程》的征求意見稿已于2014年2月完成,目前正根據征求意見進行修改及完善。新疆、云南等地方也制訂了相應的地方規范與規程[181-182,190]。

              5   國內典型消能減震工程


              隨著消能減震技術的發展,國內大批新建建筑抗震設計采用了消能減震方案。北京盤古大觀廣場[191]、宿遷市建設大廈[192]等建筑采用了黏滯阻尼器。天津國際貿易中心A塔樓[193]在國內首次采用了套索型黏滯阻尼器,如圖24所示。北京新機場采用減震與隔震相結合的振動控制形式,在隔震層布置了100多套新型黏滯阻尼器,如圖25所示。天津國際貿易中心C塔樓[194]、上海世博博物館[195]等建筑采用了軟鋼阻尼器。潮汕星河大廈[196](圖26)、廣州東山錦軒[47](圖27)等建筑采用了鉛黏彈性阻尼器。上海東方體育中心[197]、天津高銀117大廈[198]、北京銀泰中心[199]等建筑采用了屈曲約束支撐。此外,鉛黏彈性連梁阻尼器已在某碧桂園住宅項目上得以成功應用,如圖28所示。
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                圖24 天津國際貿易中心A塔樓(套索型黏滯阻尼器)
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               圖25 北京新機場(隔震層黏滯阻尼器)
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                  圖26 潮汕星河大廈(鉛黏彈阻尼器)
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                 圖27 廣州東山錦軒(鉛黏彈阻尼器)
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                 圖28 某碧桂園住宅項目(鉛黏彈性連梁阻尼器)
              一些震損建筑與既有建筑也采用了消能減震技術進行抗震加固。比如北京飯店[14]、都江堰市北街小學藝術大樓、北京工人體育場、安徽飯店等建筑加固采用了黏滯阻尼器,西安某廣場商用寫字樓加固設計采用40組開孔式軟鋼阻尼器[61],郯城縣醫院、寧波梅墟中心小學綜合樓、天津泰達國際學校國際部等建筑加固采用了屈曲約束支撐。此外,一些工程也開始采用不同類型消能器的混合設計方法,如采用黏滯阻尼器與屈曲約束支撐的混合設計方案[200],該方案在都江堰集能燃氣公司辦公大樓抗震加固與加層改造中也得以應用。

              6   結論與展望


              近四十年來,我國消能減震技術研究得到快速發展,并已在我國許多重要工程中得以成功應用,有效提高了建筑結構“抗震韌性”以及“城市韌性”,取得了較顯著的經濟效益和社會效益。隨著消能減震技術不斷發展,在工程應用中也逐漸暴露出一些新問題,同時新的技術需求與發展方向也有待研究與拓展,主要為:
              (1)消能器研發需進一步規范和創新。
              面對日新月異的工程實際需求,需要不斷研發新型消能器,改進現有消能器,以完善其功能,提高其滯回性能、耐久性、可靠性。同時,還應持續推進各類性能良好消能器的標準化、產業化建設,完善現有產品標準和相關規范,確保產品質量。
              (2)消能器檢測與試驗方法有待完善。
              消能器的檢測與試驗方法要適應阻尼器研發、應用的需求。研發消能減震產品試驗裝置,應充分考慮大噸位、長行程、高速度或低速度、多功能、多維度等因素,以滿足疲勞相關性、速度相關性、溫度相關性、頻率相關性等特性的需要。
              (3)消能器平面外問題有待研究。
              目前消能減震技術研究和消能減震結構設計大多僅基于消能器平面內方向受力與變形,忽略了平面外方向的力學特性與破壞模式,與消能減震結構實際受力與變形情況不符,給實際工程埋下安全隱患。未來應著重研究各類型消能器雙向受力下的力學特性及破壞模式,采取必要措施減小平面外的影響,并建立各類型消能器平面外穩定性設計方法。
              (4)基于韌性的消能減震結構設計方法有待研究建立。
              基于性能的消能減震設計方法可以很好地滿足業主對于結構減震性能的要求,但未能在安全性和經濟性以及綜合效益上取得平衡,需進一步完善。理論上,基于韌性的減震設計方法很好彌補了基于規范和基于性能的消能減震結構設計,目前由于其剛剛起步,還需進一步開展更加深入的研究工作。
              消能減震技術為建筑抗震設計和加固改造提供新思路,具有安全、適用、可靠、節省造價等優點,并越來越受到工程設計人員的關注和青睞。消能減震技術將成為21世紀實現城市抗震韌性、結構抗震韌性的重要手段,具有廣闊的應用空間和發展前景,必將為減輕地震災害做出巨大貢獻。
               
              7   參考文獻


              因參考文獻較多,本篇不再復述,參考文獻可參見《建筑結構》2019年第19期-《消能減震技術研究與應用進展》,作者:周云,商城豪,張超,單位:廣州大學土木工程學院。



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