李正胜
（中国建筑第七工程局有限公司，郑州 450000）
《2030年前碳达峰行动方案》（国发〔2021〕23号）中对“城乡建设碳达峰行动”提出了明确的要求。在城市更新建设中，采用被动控制（减隔震）技术的建筑，在地震发生后少量维修甚至不需维修即可投入使用，进而降低建筑材料的使用，推动建材行业、钢铁行业的碳达峰，促进工业领域绿色低碳发展及城乡建设绿色低碳转型，加快提升建筑能效水平。《建设工程抗震管理条例》（中华人民共和国国务院令第744号）也提到，位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑，应当按照国家有关规定采用隔震、减震等技术，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求，并且鼓励除上述以外的建设工程采用隔震减震等技术[1]。
随着经济的高速发展，建筑体型和功能日趋复杂，业主或甲方对建筑的使用功能及其舒适性要求越来越高，单一的抗震技术在兼顾减震效果和建筑使用功能需求上存在一定的困难。采用混合被动控制（减隔震）技术能极大地提高建筑的抗震性能，在适度提高设计标准的前提下，用很小的经济代价就能达到远高于传统抗震加固技术的目标，符合全社会积极倡导的简约适度、绿色低碳的生活方式。
地震作用是地震导致地面运动而引起建筑结构产生的动力效应，是一种整体性作用。地震的发生具有极大的随机性和不确定性，乃至不可预见性。传统结构的抗震是以结构构件的损坏实现地震能量的耗散[2]。
2.1 抗震结构
传统的抗震立足于“抗”：通过提高混凝土标号、增加墙厚和钢筋数量提升结构自身抗震能力，最终由主体结构自身吸收地震波能量。而消能减震立足于“减”：地震波到达时，由减震装置耗散地震作用减轻地震波对建筑造成的影响，最终由设置的隔震装置和结构主体共同吸收地震波能量。隔震技术立足于“隔”：设置隔震装置使建筑物与地基基础分隔，最终由隔震装置吸收能量。
2.2 减、隔震技术
隔震技术是在建筑的基础和上部结构之间（基础隔震）或下部结构与上部结构之间（层间隔震）设置隔震装置（叠层橡胶支座、滑板支座、摩擦摆支座等）来延长上部结构的自震周期，削弱地震作用下上部结构的地震响应。消能减震技术是在结构中设置消能阻尼器（屈曲约束支撑、黏滞阻尼器、黏弹阻尼器、摩擦阻尼器、剪切或弯曲型金属阻尼器等）装置或机构，阻尼器在地震作用下首先耗能，从而降低主体结构的地震作用，进而减少主体结构构件的损伤（见图1～图3）。
图1 屈曲约束支撑
图2 黏滞消能器
图3 阻尼器布置及构造
2.3 混合被动控制系统
混合被动控制系统无外加能源的控制，其控制力是由控制装置随着结构一起振动变形而被动产生的，是指在结构的适当部位附加两种及以上耗能装置或子结构系统，对结构自身的某些构件做构造上的处理，以改变结构体系的动力特性，将被动控制系统设计成“可牺牲”构件并在地震中集中耗能，震后只对“可牺牲”构件进行更换，从而达到控制主体结构损伤的目的。地震后只需更换损坏的控制系统而建筑的使用功能不会中断，地震后的维修费用也将大大降低[3]。
3.1 设计思路
1）建立模型，通过振动台试验及参数分析，明确无抗震结构时建筑的地震响应。
2）更换不同抗震装置组合在同一结构中进行试验，根据相互影响机理明确不同混合减震技术的适用范围及条件。
3）确定抗震组合装置的型式、规格参数、数量和安装位置等。
4）明确混合被动控制系统的可操作性方法、构造措施、施工措施成套技术。
5）对确定的组合和相关配套技术进行检验。
3.2 设计要点
主要包括：
1）考虑阻尼器在不同水准地震作用下的工作状态。在地震时，黏滞阻尼器的作用是阻尼耗能减小地震作用，减小层间变形；
位移型阻尼器的作用是屈服后刚度和塑性耗能，减小层间变形；
黏弹性阻尼器的作用是阻尼耗能和刚度。
2）考虑阻尼器与主体结构的连接形式（支撑型、墙体型、支墩型）。
3）考虑技术可靠性。各类抗震装置的使用寿命周期以及在组合使用时需进行更换的时间，在组合装置中，某个抗震构件损坏，剩余部分装置能否满足抗震要求。
4）考虑经济性。组合装置中，各类抗震装置的价格直接影响此项技术的使用推广及设计布置，要在充分考虑安全、技术可行、经济合理的前提下进行设计与施工。
结构设计一般是按照X、Y两个方向分别进行设计，应尽可能分散布置，这样可以实现阻尼在结构中的均匀分布，使X方向和Y方向的附加阻尼比接近，可以在结构分析中采用统一的阻尼比。
框架结构以剪切变形为主，下部变形大于上部变形，中跨变形大于边跨变形，消能器一般布置在框架结构下部中跨位置。剪力墙结构以弯曲变形为主，层间剪切变形很小，变形主要集中在连梁处，中部连梁的变形最大，消能器布置在结构中部连梁处效率最高。对于框架剪力墙结构，根据其变形特点，消能器一般布置在与核心筒相连的框架中或者剪力墙的连梁中。如主体结构本身存在相对薄弱的楼层，则应该在薄弱层多设置阻尼器，一方面可减轻结构竖向不规则的程度，另一方面可以更有效地发挥阻尼器的效果。总体来说，隔震层设置消能减震器；
基础隔震结构的上部结构设置消能减震器；
层间隔震结构下部加消能减震器；
层间隔震结构的上部加消能减震器。
5.1 安全性
与传统结构相比，当地震来临时，混合系统隔震装置作为第一道抗震防线，优先抵抗地震作用，再由减震构件作为第二道抗震防线，通过屈服耗能将剩余能量大量消耗掉，可有效减小结构地震反应的20%～40%，保护主体结构，减小地震给结构带来的破坏。这种方式可有效提升结构的抗震性能，同时克服结构“一次设计”带来的弊端，更易实现大震不倒，震后修复快捷简便，充分体现对生命的尊重与呵护。
5.2 经济性
在相同抗震要求下，混合被动控制系统能在整体上降低混凝土量10%、含钢量减少30%，减少梁柱构件截面尺寸，甚至取消部分桩基、梁柱剪力墙等，达到节约主体结构材料成本的目标，同时也优化了空间布置、改善了建筑面积利用率，空间体验感更好，实现了户型可变。有助于塑造高端定位，节省工期，同时加快产品的去化速度，通常情况下可节省10%～50%的工程造价。
5.3 适用性
混合被动控制系统不受竖向荷载、结构类型、平面形状、层数、高度、空间等条件的限制，减震产品可采用后安装的方式，不影响主体结构施工工期，应用范围更广，还可根据结构抗震要求和投资需要，灵活调整减震方案（特别是EPC项目），对建筑方案、各项规划指标做到变动最少。
综上所述，混合被动控制系统的应用将有效提高结构在地震中的稳定性和可靠性，有效减轻地震破坏，减少经济损失，降低建筑材料的使用，进而推动建材行业、钢铁行业的碳达峰，促进工业领域绿色低碳发展及城乡建设绿色低碳转型，加快提升建筑能效水平，并有效地实现人们对绿色低碳，民生优先，共建共享的要求和对美好生活的向往。
猜你喜欢 阻尼器被动抗震 建筑结构设计中的抗震结构设计研究房地产导刊(2022年10期)2022-10-18装配式建筑节点抗震性能研究建材发展导向(2022年12期)2022-08-19新型舌板黏滞阻尼器力学性能试验研究世界地震工程(2022年2期)2022-05-11抗震设计在房屋建筑结构设计中的应用建材发展导向(2022年5期)2022-04-18砌体墙上安装摩擦型阻尼器施工技术探讨建材发展导向(2022年5期)2022-04-18漾濞书协抗震作品选核桃源(2021年5期)2021-09-14蔓延VOGUE服饰与美容(2020年5期)2020-09-03高效耗能阻尼器性能试验及理论研究振动工程学报(2019年5期)2019-11-27控制隔震层发生过大位移的连接摩擦阻尼器的参数优化设计振动工程学报(2016年2期)2016-07-20