建筑消能减震-阻尼器

一、消能减震结构的发展与应用：

利用阻尼器来消能减震并不是什么新技术，在航天航空、军工枪炮等行业中早已得到应用。从20世纪70年代后，人们开始逐步地把这些技术专用到建筑、桥梁、铁路等工程中。

在美国，20世纪80年代开始，美国东西两个地震研究中心等单位做了大量试验研究，发表了几十篇有关论文。90年代美国科学基金会和土木工程协会组织了两次大型联合，给出了权威性的试验报告，供工程师参考。

在我国，1997年，沈阳市政府大楼的抗震加固中首次采用了摩擦耗能装置，其后北京饭店、北京火车站和北京展览馆等多座建筑中应用消能减震技术。

在日本，目前已有超过100多栋的建筑物采用消能减震技术。

现代高层建筑日益增多，结构受地震和风振影响十分明显，减小结构所受的地震和风振反应，成为结构设计的一个重要方面。消能减震阻尼器，通过增加结构阻尼，耗散结构的振动能量来达到减小结构所受振动。

（1）“阻尼”是指任何振动系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以此一特性的

量化表征。

（2）《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中：

2.1.1 高层建筑：10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅

建筑和房屋高度大于24米的其他高层民用建筑。

（3）《民用建筑设计通则》GB50352-2005中：

3.1.2建筑高度大于1OOm的民用建筑为超高层建筑。

二、阻尼器耗能减震原理：

耗能减震的原理可以从能量的角度来描述。

传统结构：Ei =Er+Ed+Es

耗能结构：Ei =Er+Ed+Es+Ea

Ei为地震时输入结构的总能量；

Er为结构在地震过程中存储的动能和弹性应变能；

Ed为结构本身阻尼消耗的能量；

Es为结构产生弹塑性变形吸收的能量；

Ea为耗能装置消耗的能量；

（其中Er为能量转换，并不是能量的消耗。）

（1）传统结构中：

构件在利用其自身弹塑性变形消耗地震能量的同时，构件本身将遭到损伤甚至破坏。

（2）在消能减震结构中：

耗能（阻尼）装置在主体结构进入耗能状态前率先进入耗能工作状态，耗散大量输入结构体系的地震、风振能量，则结构本身需消耗的能量很少，主体结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。

三、阻尼器的种类：

阻尼器种类繁多，我国将其分为位移相关型和速度相关型。

(1)位移相关型阻尼器的耗能与其自身变形和相对滑动位移有关，常用的有金属阻尼器和摩擦阻尼器。

(2)速度相关型阻尼器的阻尼特性与加载频率有关，常用的有粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器。

（一）金属耗能阻尼器

一种位移相关型阻尼器，主要用于减小地震响应。利用金属不同形式的弹塑性滞回变形来消耗能量。目前已开发和利用的主要有：钢棒阻尼器、铅阻尼器、形状记忆合金、软钢阻尼器等。

（滞回特性指材料在受外界干扰产生变形时具有企图恢复原有状态的抗力的特性。）

➢加劲阻尼（ADAS）装置（软钢阻尼器）：

加劲阻尼（ADAS）装置是由数块互相平行的X形或三角形钢板通过定位件组装而成的耗能减震装置。安装在人字形支撑顶部，在地震作用下，框架层间相对变形引起装置顶部相对于底部的水平运动，使钢板产生弯曲，利用弹塑性滞回变形耗散地震能量。具有长期可靠并不受环境与温度影响的特点。如图所示

（二）摩擦耗能阻尼器：

摩擦耗能器是一种位移阻尼器，主要用于减小地震响应。通过构件相对位移时产生摩擦做功而耗散能量。目前已有多种不同构造的摩擦耗能器，如Pall型摩擦耗能器、摩擦筒制震器等。

➢ Pall型摩擦耗能装置

加拿大学者A.S.Pall发明。该装置为一正方形连杆机构，与x形支撑相连。一种可滑动而改变形状的机构。而摩擦力取决于板间的挤压力，挤压力可以通过松紧板上的高强螺栓来调节。（摩擦节点板）

该装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动，而在强烈地震作用下，在主体构件尚未发生屈服现象前，（弹塑性形变分界点）装置即产生滑移以摩擦功耗散地震能量，达到消能减震目的。

（三）粘弹性阻尼器(VED)

粘弹性阻尼器是一种速度相关型耗能装置，既可用于减小风振也可减小地震作用。

1 材料：

粘弹性材料又称粘弹性阻尼材料，是一种高分子聚合物，性状介于有粘性液体和弹性体之间体，具有储备能量和耗散能量的特性。

2 构造和性能

构造：

(1)自由阻尼层：是在需要减震的结构构件表面直接粘贴或者喷涂粘弹性材料，这样既能减震又能降噪，同时还具有装饰效果。

原理：将一层一定厚度的粘弹阻尼材料粘贴或喷涂于基板表面上，当基板产生弯曲振动时，阻尼层随基层一起振动，在阻尼层内部产生拉压变形而耗能，从而起到减震降噪的作用。

(2)约束阻尼层：是上一种形式的延伸。

由约束钢板和粘弹性材料组成，约束钢板由两块T型和一块矩形

的钢板及粘弹性材料夹层构造而成。粘弹性材料与钢板的结合表面的处理方法也随着材料成分和特性的不同而采取各种方法。其基本形式如图：

原理：粘弹性材料随约束钢板往复运动，通过粘弹性阻尼材

料的剪切变形来耗散能量。

性能：

采用粘弹性阻尼器可以有效地减小结构的位移反应和加速度反应，同未加阻尼器结构相比，结构的一般位移反应可以减小50％~80％，加速度反应可减小30％~60％。

作为阻尼耗能材料的粘弹性材料，其受到温度、频率等多种因素的影响。

（1）随着环境温度的增加，粘弹性材料的耗能能力会降低。

（2）在地震这种短时间作用下，温度对粘弹性阻尼器中材料的性能并没有明显减弱。

（3）随着外振力频率的增加，粘弹性材料的耗能能力会降低。