消能减震（振）技术工程应用研究综述

消能减震（振）技术工程应用研究综述

张皓祺

重庆交通大学 重庆市 400000

摘  要：本篇文章从抗震背景出发，一方面介绍了，消能减振技术的原理；另一方面介绍了防屈曲支撑、钢板剪力墙、粘滞阻尼器和磁流变阻尼器等常用消能减振设备的原理、构造和工程应用。最后，由此提出了本人关于本次讲座的感悟和思考。感悟为：消能减振技术的重点是减震；对一项技术的研发应包括理论、试验和有限元三部分的内容；科研能力的培养需要更多的实践；

关键词：消能减振技术；消能减振设备；原理；减震；实践

0  引言

随着我国经济的快速发展，我国的基建工程已经从东部的沿海城市到达了西部山区地带，并且不论是民用建筑还是商用建筑都更具创新性和复杂性，由此也引申出了一个工程难题——抗震。对于西部山区而言，大多处于地震带附近，并且有不少地区属于地震高发区域，这将给桥梁、隧道等结构的设计、施工以及运维带来巨大的影响。除此之外，由于对创新性的追求，必然导致结构的设计更为复杂，这将使得结构在地震作用下的响应也更具复杂性。由此，对于一些更具复杂性和创新性的建筑物，我们应该提出更高要求的抗震设计标准，采用更完善的抗震设计理论，使用更具抗震性能的结构装置，从而保证结构在地震作用下的安全性、适用性和耐久性。结构振动控制方法一直是土木工程防灾减灾的主要研究方向和课题，因此研究振动控制技术是目前抗震设计的一个主流方向，而消能减振技术作为振动控制技术的佼佼者，更是我们应该研究的重点内容。

1  消能减振技术

目前，常见的抗震途径主要包括抗震、隔震和减震三种方式，其中，振动控制技术主要采用的是隔震和减震的原理。振动控制技术通过主要是通过对结构施加控制装置，再由控制装置和结构共同承受振动，以协调和减轻结构的振动反应，使得结构在外界干扰下的各项控制指标在允许范围内。由此，提出了消能减振技术，该技术通过把结构的某些非承重构件设计成消能杆件，或在结构的某些部位安装消能装置，使得在小震时，结构处于弹性状态，大震时，消能构件和消能装置通过阻尼消耗输入结构的能量，使得主体结构避免出现明显的非弹性状态[1]。

2  阻尼器概况

常见的阻尼器主要分为位移型、速度型两种，其中，防屈曲支撑、防屈曲钢板剪力墙和摩擦阻尼器属于位移型阻尼器，粘滞阻尼器、粘弹性阻尼墙和磁力变阻尼器属于速度型阻尼器。除此之外，还有一些特殊的阻尼器，如调谐质量阻尼器、主被动复合质量阻尼器等。

除了防屈曲支撑和钢板剪力墙外，还有粘滞阻尼器、磁流变阻尼器和调谐质量阻尼器等多种阻尼器，其中粘滞阻尼器通过活塞与缸筒的相对运动使得粘滞液体以一定速度通过活塞上的预留孔产生阻尼力；磁流变阻尼器通过磁流变液的流变效应，使得磁流变液通过活塞的节流孔产生阻尼力；调谐质量阻尼器通过调谐的原理将结构振动的能量吸收到TMD系统内部，再通过阻尼元件消耗相应的振动能量。

3  常见的消能减震技术

3．1  防屈曲支撑[2]

防屈曲支撑具备有很多优点，是一种具备良好耗能性能的消能减振技术。其一，防屈曲支撑可有效解决传统支撑在受压后容易屈曲的问题。其二，普通支撑在受压后极易发生屈曲失稳的问题在防屈曲支撑上得到了较大改善。其三，防屈曲支撑能充分发挥钢材高强度高塑性的特点。其四，防屈曲支撑在受压屈曲后具有良好的滞回耗能能力。

防屈曲支撑主要应用于日本和美国等地震频发的国家，我国也在很早以前引入了防屈曲支撑这一优良构件。其中比较出名的防屈曲支撑应用实例有日本的静冈县新厅大厦、美国的加利福尼亚希尔德布兰特大厅和中国的台中国泰世华国际大楼等建筑。而且日本的静冈县新厅大厦采用了144根防屈曲支撑，这也说明了防屈曲支撑的抗震性能十分优秀。

防屈曲支撑从横向上看有核心、约束和滑动机制三个单元组成。核心单元主要由高强钢板组成，其是构件的主要承重构件。约束单元通常采用矩形或圆形的钢管填充混凝土，其主要作用是防止核心单元发生传统支撑结构的受压屈曲。滑动机制单元主要采用无粘结材料。其主要是保证核心单元和约束单元在受拉压时在滑动界面有形似的力学特性，避免核心单元与约束单元在运动时产生较大摩擦力，使得轴压大量增加。

3．2  钢板剪力墙[3]

剪力墙除了承受水平荷载的作用外，还要承受大量的竖向荷载，因此在超高层建筑中为了满足规范要求，普通钢筋混凝土剪力墙不得不增加墙体的厚度，而通过设置钢板，将解决这一问题，并且由于采用了钢板，使得墙体变薄，增加了建筑的抗震性能。

内置钢板混凝土组合剪力墙构造主要是在高强混凝土剪力墙的内部设置了钢板。内置钢板混凝土组合剪力墙主要具备两个优点，其一是可以有效减少该结构的截面尺寸和材料用量，降低建造的地震响应；其二是该种结构的侧向刚度很大，可有效提升建造的抗震性能。内置钢板混凝土组合剪力墙主要具备钢量小、抗火性好和稳定性好的优点。由于其应用前景好，目前已在上海中心、北京国贸中心等多项工程中采用。

外包钢板混凝土组合剪力墙主要是将钢板设置在混凝土剪力墙的外侧，并用加劲肋等次要构件连接，以保证结构的整体受力、协同工作。其主要优点体现在四方面，其一，在罕遇地震下外包钢板混凝土组合剪力墙具备更好的延性和耗能能力；其二，在采用高强钢材和高性能混凝土时，能实现“高轴压、高延性、薄墙体”；其三，由于外包钢板混凝土组合剪力墙构造简单，在实际施工时无需过度关心，可加快施工；其四，外包钢板混凝土组合剪力墙具备良好的预制化和装配化前景，可实现工业化生产，是智能建造的不二人选。由于外包钢板混凝土组合剪力墙研究较晚，故该类桥型应用较少。

3．3  粘滞阻尼器[4]

粘滞阻尼器主要包括活塞、粘性液体、油缸及节流孔等构件。活塞中一般设置有一定数量的小孔，以实现液体从一侧流向另一侧。油缸中的粘性液体通常采用硅油。一般蠕变变形下，粘滞阻尼器几乎不产生阻尼，只有在地震作用下，由于运动速度得增加，将使得阻尼极具增加。粘滞阻尼器主要具备三个优点，其一，粘滞阻尼器由于体积较小一般不增加结构刚度，因此结构的基准周期不受粘滞阻尼器的影响；其二，粘滞阻尼器的滞回曲线所包含范围广，由此可知其耗能能力强；其三，在最大位移时阻尼为零，位移为零时，阻尼最大，这将减小结构的受力响应。目前粘滞阻尼器主要应用于悬索桥结构，以降低纵向地震位移。

参考文献（Reference）：

[1] 叶正强,李爱群,徐幼麟. 工程结构粘滞流体阻尼器减振新技术及其应用[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2002,(03):466-473.

[2] 姜洋. 防屈曲支撑的设计及抗震性能研究[J]. 福建建材, 2021, 247(11):11-12+46.

[3] 陈鹏,陈勇. 钢板剪力墙研究及工程应用[J]. 混凝土, 2019, 358(08):134-138.

[4] 宋松科,李军歌,熊伦,刘伟. 空间缆悬索桥纵向粘滞阻尼器减震研究[J]. 四川建筑, 2021, 201(05):77-80+82.