第３３卷第２９期２００７年１０月山西建筑ＳＨ户介以１乃ＲＣＨ【耳：ＣｎＪＲＥＶ６１．３３Ｎ２９咤灭ｔ．２（旧７・９３

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粘弹性阻尼器在土木工程中的应用

蔡泽文

摘要：首先介绍了国内外抗震研究情况，分析结构消能体系的原理，主要探讨粘弹性阻尼器在土木工程中的应用及前景，并综合国内外学者的大ｔ研究成果，指出粘弹性阻尼器可广泛用于新建建筑的振动控制和已有建筑的加固，也为工程抗篇提供了可靠的、科学的技术依据。

关键词：结构振动控制，消能体系，粘弹性阻尼器

中图分类号门飞门５２．Ｕ文献标识码：Ａ

引官

地震是一种危害极大的突发性自然灾害，在地震时产生的巨

大能量，往往造成各类建筑物和设施的破坏甚至倒塌，并由此引

起各种次生灾害的发生以及人员的伤亡。国内外大量的震害都

表明，采用科学合理的抗震设计方法和措施，是当前减轻地震灾

害的最有效途径。由于制订的设防标准不同，各类建筑物和设施

在地震中的表现会截然不同，因而在地震时造成的损失也会有巨大的差别。例如：１９７６年７月２８日在我国一个拥有巧０万人口

的唐山市，遭遇，．８级地震的袭击，顷刻间整座城市化为一片瓦砾，人员死亡高达２５万人，经济损失超过百亿元。可是，１９８５年

一个拥有１００余万人日的智利瓦尔帕莱索市虽同样遭受了７５

级地震的袭击，人员死亡却只有１５０人，而且不到７ｄ的时间整个城市就恢复原样。同样大小的地震，城市人口也差不多相同，

却产生了如此不同的后果，只是因为瓦尔帕莱索市的建筑物和设

施曾进行了有效抗震设防。从上述的震例不难看出，工程抗震是

减轻地震灾害和损失的十分有效的措施，工程抗震的成效很大程

度上取决于所采用的工程设防标准，而制订恰当、合理的设防标

准需要可靠的科学和技术依据。

１国内外抗屁研究概况

国内现行抗震设计规范是以“大震不倒、中震可修、小震不

坏”三个水准作为设计目标。在具体实施上通过对建筑结构强度

和刚度的要求按两阶段设计步骤实现抗震设计目的，国外的情况

基本类似。但随着社会经济的发展，特别是超高层、复杂体型、满

足特殊功能要求建筑的大量出现，上述被动防御式设计在许多方面已不能满足要求。

新兴的结构振动控制应用了计算机技术、系统辨识和机械自

动化技术，同时还涉及到结构振动理论、优化设计理论和控制理论等多学科领域。建筑结构的抗震控制设计，与一般的被动防御

式设计相比，是设计思想上的飞跃。建筑的结构控制一般可分为四类：１）主动控制。依靠外界能量提供控制作用抑制结构反应；

２）被动控制。无外加能源的控制，其控制作用是控制装置随结构一起运动而产生的；３）半主动控制。依靠较少的外界能量改变控

制系统的特性、参数以减少结构的反应；４）主被动混合控制。将

主被动控制结合起来达到有效结构的反应。建筑结构的抗震要求是具有足够的刚度和承载力以抗御小展，具有足够的变形和耗能能力以抗御大震。震害、试验和理论分析都表明，变形和耗能

能力不足是结构在大震作用下倒塌的主要原因。

２结构消能减屁体系

２．１消能减震体系简介 结构消能减震体系是将结构的某些非承重构件（如支撑、剪

力墙等）设什成消能杆件或在结构物的某些部位（节点或连接处）装设阻尼器，在风荷载或轻微地震时，这些消能杆件或阻尼器处

于刚弹性状态，结构物具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求；

强地震发生时，随着结构受力和变形的增大，这些消能杆件和阻尼

器，率先进人非弹性变形状态，产生较大阻尼，大量消耗输人结构的地震能量，从而使主体结构避免进人明显的非弹性状态并迅速

衰减结构的地震反应，从而保护主体结构在强地震中免遭损失。

与传统的结构抗震体系相比较，它有如下的优越性：

１）传统的结构抗震体系是把结构的主要承重构件（梁、柱、节

点）作为消能构件，地震中受损坏的是这些承重构件，甚至导致房

屋倒塌。而消能减展体系则是以非承重构件作为消能构件或另设阻尼器，它们的损坏就是保护主体结构，所以是安全可靠的；２）

震后易于修复或更换，使建筑结构物迅速恢复使用；３）有效地衰

减结构的地震反应。

由于上述的优越性，消能减震体系被广泛用于高层建筑的抗

展、高耸构筑物的抗震或抗风、单层工业厂房排架纵向抗震等。

２．２耗能结构的原理

当结构物中安装有耗能装置时，在风和小地震的作用下，这

些耗能装置具有足够的初始刚度，处于弹性状态，结构物仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。当出现中强地震时，随着结构

侧向变形的增加，耗能装置产生较大的阻尼，大量消耗输人结构的地震能量，避免主体结构出现明显的非弹性状态，并且迅速衰

减结构的地震响应（位移、速度、加速度和结构内力），从而保护主

体结构及构件在强震中免遭破坏，确保主体结构的安全。

３粘弹性阻尼器的研究及应用现状

在土木结构振动控制中使用粘弹性阻尼器己有３０多年历史。１９甲２年建成的１１０层高的纽约世界贸易中心，共安装了１０（０〕多

个粘弹性阻尼器。另一幢著名建筑是西雅图７６层高的哥伦比亚

中心大厦，共安装了２６０多个粘弹性阻尼器。

但是这些建筑使用粘弹性阻尼器的意图并不是为了提高结构的抗展性能，而是为了控制高层建筑的风振效应，将粘弹性阻

尼器用于结构抗震的时间只有十来年。

粘弹性阻尼器依靠粘弹性材料的剪切滞回性能来增加结构的阻尼，达到减小结构动力反应的效果。最早的粘弹性阻尼器是

美国３Ｍ公司研制开发的，它由两块钢板夹一块矩形钢板组成，

钢板之间有一层粘弹性材料，通过硫化固定在钢板上。在反复荷

载作用下，钢板与钢板之间产生相对运动，使粘弹性材料层产生

往复剪切变形，从而吸收和耗散能量。常用的粘弹性材料为高分

收稿日期二２００７刊润．１０作者简介：蔡泽文（１９６９一），男，工程师，河南省电力公司三门峡供电公司，河南郑州４，刃５２万方数据

９４第３３卷第２９２００７年１０臀山西建筑ＳＨＡＮ）ＩＡＲＣｌｌｌＴ下ＣＴＩ服ＥＶｏ．３３Ｎ６２９《汝ｔ２００７

文ｔ编号：１仪彬一６８２５（２０：７）四一１刃９４一０３

抗震能力设计法简述

张誉廖卫东贾彬

摘要：就抗震设计中所采用的能力设计法的几个关键环节进行讨论，并结合各国规范特别是我国规范对能力设计法的

应用，阔述能力设计法的产生、发展及其设计理论，较为清晰地展现能力设计法在建筑抗震设计的墓本过程。

关健词：抗震设计，能力设计法，承载力中图分类号二ＴＵ３５２文献标识码：Ａ

工程结构抗震要达到“小震不坏，大震不倒”的目的，除了要

有足够的强度和刚度之外，还必须具有足够的延性，即塑性变形

能力。延性构件的优越性在于可以吸收耗散较多的地震能力，减

少地震反应，达到屈服后仍能维持一定的荷载作用，具有较强的防

倒塌能力。新西兰钢筋混凝土抗震知名学者Ｔ・Ｆａ［此ｙ和Ｒ．Ｐ叮ｋ首先提出：在结构抗震的能力设计中应在主要抗侧向力结构体

系中选出一些构件，对其进行合理的设计和构造以使其能在严重变形下耗散地震输人的能量，所有其他结构构件则应具有足够

的强度，以使所选的能量耗散方式（即耗能机构）能一直保持下

去。根据结构在小震下可能达到的塑性变形的大小，通过把延性

不好的构件或部位的承载力人为提高，使塑性变形主要出现在塑

性变形能力好且耗散能力强的部位，并通过严格的抗震构造措施

使这些部位在产生相应塑性变形时仍保持其承载力。该方法现

已为各国钢筋混凝土抗震理论界所普遍接受。

子聚合物，这种材料既有粘性，又具有很好的弹性，可以在变形时

将吸收的能量转换成热量散发出去，可用来减小结构的风振和地

震反应，该阻尼器已得到广泛应用。另外一些日本公司也开发了

一些粘弹性阻尼器，比如骗而公司的沥青橡胶组合（ＢＲＣ）粘弹性阻尼器，Ｂｒｉｄｇ臼ｔｏｌｌｅ公司的粘弹性橡胶剪切阻尼器等均己在实

际工程中得到应用，并取得了良好的效果。 Ａｓｌ侧扣ｒ（１９８７年），Ｃｌ‘吨和５】”艰等人（１９８９年）系统地进行

了在土木工程中使用粘弹性阻尼器的分析研究，结果表明，装有枯弹性阻尼器的建筑能够有效地减轻地震反应。Ｌｉｎ（１９１年）和

凡ｋｅｌｌ（１９以１年）分别进行了一个３层和９层的钢框架的振动台实

验，结果证实结构的阻尼显著增加，相反地结构的反应减小了，并

且其减振效果受激励频率和环境温度的影响。美国加州大学伯

克利分校分别对两个足尺粘弹性阻尼器进行了动力试验，同时还

对６个小阻尼器进行了大应变（＞３００％）情况下的破坏实验。由

于在强烈地震作用下结构一般将进人非弹性工作状态，而此时结

构的等效阻尼比明显高于弹性时的模态限尼比，因此为了有效降

低结构的非弹性反应，由粘弹性阻尼器提供给结构的附加阻尼比

应当有一个比较大的值（比如１２％或更高）。

粘弹性阻尼器除应用于新建结构的振动控制外，还可以应用

于已有结构的抗震加固。Ｂｒａｃｄ（１９９３年）进行了利用粘弹性阻尼

器对钢筋混凝土结构进行抗震加固的研究，并进行了一个１：３的

三层结构的振动台实验。结果表明，在非延性的钢筋混凝土结构中加粘弹性阻尼器，能有效地改善该结构在强震下的性能。

大量的试验研究表明粘弹性阻尼器具有以下特点：

１）粘弹性材料具有较强的耗能性能，但是环境温度和激励频

率均对其耗能性能有所影响；２）粘弹性阻尼器性能较稳定，可经

多次加载和卸载，但对于大变形下的重复加卸载，刚度会产生一

定程度的退化；３）粘弹性阻尼器的剪力一变形关系依赖于其变形速度；４）在滞回变形过程中振动能量将被转化成热量而耗散，将

引起阻尼器温度的升高，而枯弹性材料一般对温度比较敏感，温

度升高时其耗能性能有所减弱。

４结语

综合国内外学者的大量研究成果，粘弹性阻尼器对钢结构、

钢筋混凝土结构在任意地震和风振作用下均有良好的减振效果，

可以广泛地应用于新建建筑的振动控制和已有建筑物的加固。

参考文献：

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【４１１犯５（Ｋ】１１一２１刃１，建筑杭震设计规范【５］

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收稿日期：２阅７神０４一２９作者简介：张誉（１９７２一），男，讲师，西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳６２１０１０

廖卫东（１９７２￣），男．工程师，四川海辰工程设计研究有限公司，四川绵阳６２１０１０ 贾彬（ｌ９为一），男，讲师，两南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳６２１０１０

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