范定坚 林信阳

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

结构消能减震技术主要是在结构某些位置附加一些消能减震装置，或是将结构的支撑、连接件等装置设置为消能构件，当地震来临时，消能减震装置能够通过自身运动或者位移来消耗一部分地震能量，减少传入主体结构的地震能量，降低结构的地震反应，避免或者减少主体结构的损伤，是一种很有效的减震措施[1]。同时，消能减震装置可以在抗震设计时减少主体结构构件的截面大小以及各种材料的使用量使结构变得更加“轻盈”，节省工程成本，消能减震装置还具有易更换、安装方便。Soong和Spencer验证了附加能量耗散装置能够大大提升建筑物的抗震性能[2]。目前消能减震装置发展的种类有很多种，主要分为金属阻尼器、黏滞性阻尼器、调谐质量阻尼器(TMD)、非线性能量阱(NES)。本文介绍了现行主要的几种消能减震装置的原理以及最新应用进展。

1 金属阻尼器

金属阻尼器主要是利用金属材料的弹塑性变形来进行吸收消耗地震能量。由于金属在进入弹塑性状态后具有良好的滞回性能，并在弹塑性滞回变形过程中，能够吸收大量能量，同时具有耗能性能优越、构造简单、制作方便、造价低廉、易于更换等优点，在实际工程中得到了广泛的应用。金属阻尼器主要包括软钢阻尼器和加劲钢板阻尼器、剪切钢板阻尼器、全钢防屈服支撑、铅挤压阻尼器等。

软钢阻尼器主要是利用钢材的弹塑性来吸收能量，设置在基础和上部结构之间，配合隔震垫使用。加劲钢板阻尼器耗能装置主要由多块平行的钢板组成，工作原理是利用平面弯曲时产生较大的应力和大变形，令其产生较大的塑性变形，通过钢板的侧向屈服来进行耗能，优点在于相同厚度处的钢板同时屈服，使材料的塑性性能得到充分的发挥，极大程度提高了其耗能能力。

剪切钢板阻尼器主要由上下端板、中间型钢组成，当地震来临时，上下端板通过弯曲变形来吸收能量，中间型钢通过剪切塑性变形来消耗能量，耗能机理：阻尼器上下端板通过中间支撑固定在结构内部，通过中间钢板的变形来消耗地震剪切力，由于钢板的刚度较大，当小震或者风震来临时，阻尼器能够提供较大的初始刚度，减少结构的初始变形；当遭遇大震时，结构通过中间钢板的塑性变形来消耗地震能量，降低结构的地震反应，可以设置在结构之中，成为结构的一部分。

铅挤压阻尼器由于其良好的耗能性能、构造简单、不易损坏、长期耗能能力稳定的优势，得到了广泛的应用。铅相对于其他金属材料，柔韧性好，具有高延展性和良好的塑性变形能力，并且可以在变形、应变硬化后进行再结晶恢复，耗能能力较强，滞回曲线饱满。

2 黏滞性阻尼器

液体黏滞性阻尼器主要由密封缸体、活塞、活塞杆以及黏性阻尼介质组成，当活塞与缸体发生相对位移时，缸内的压力迫使黏性介质通过活塞孔流出，阻尼器两端的振动通过黏性介质转换为热量，从而达到耗能目的。

黏滞性阻尼器具有宽频范围内运动位移不受建筑结构反应的约束，产生的阻尼力与位移异相(即存在近似的π/2相位差)等优点，在新建工程以及既有或震损建筑修复中得到广泛使用。运用黏滞阻尼器改善建筑结构的抗震性，具有很多优点：可提高结构阻尼比，增大结构的耗能性；阻尼器受激励频率影响小，适应性强；阻尼器易安装、更换，施工方便。

影响黏滞性阻尼器性能的因素有：阻尼介质、安装形式以及温度等因素，研究表明：黏滞性阻尼器中的阻尼器不会影响结构的自振周期，因此阻尼器设计可以不考虑阻尼器的因素，可以有效简化设计[3]。

3 调谐质量阻尼器(TMD)

TMD最早是由Frahm发明的一种吸振器，是一个附加在主体结构上的由质量块振子、弹簧以及阻尼器组成，振子通过弹簧与阻尼器相连，TMD整体安装在结构顶层，当主体结构受到外部激烈而产生振动时，子结构随之一起振动，吸振器质量块运动方向与主结构相异，通过弹簧作用一个与主结构质量惯性相对抗的力，将主体结构的地震力转移到TMD上。TMD主要是利用共振原理，对主体结构的振型(主要是第一振型)动力响应进行控制。阻尼具有拓宽振动控制频率范围的作用，从而可以有效抑制更宽频带的振动。

TMD作为一种通过俘获结构的频率来进行工作的耗能减震装置，理论与技术发展比较成熟，性能可靠，可以明显增强结构的抗震性能，减震效果明显，施工操作简单。

TMD的主要影响因素有：质量比(TMD质量与结构整体质量之比)、频率、阻尼比。因此很多相关理论都致力于研究TMD参数的优化。DenHartog[4]通过无阻尼单自由度结构与TMD之间的位移传递函数来对TMD的参数进行优化。TMD需要选择一个合理的阻尼，阻尼过大会降低TMD的运动幅值，抑制结构的控制效果，合适的阻尼比，可以使TMD在较宽的频率范围内生效，较好地抑制主体结构的振动。

4 非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink，NES)减震器

非线性能量阱(NES)是近年来新兴发展的一种新型减震装置，由于其简单易用、鲁棒性强及减震所需时间短等优点，许多学者对其进行了研究。

NES是利用共振原理，当主体结构达到NES频域范围之内时，利用强非线性刚度，将地震的一部分能量传递给振子，通过振子的振动来进行耗能。NES相对于主体结构质量小，布置位置灵活，对主体结构的振动起到很大的控制作用，同时由于NES具有非线性，拓宽了减震器的频率。

振动控制减震装置广泛应用于航天、机械等行业之中，传统的线性减震器只能对单一的固有频率附近具有良好的减震效果，随着非线性减震器研究的深入，非线性减震器由于其频率在一定宽度之内，理论上可以在一个较宽的频带之内取得良好的减震效果。针对NES振动控制原理及其力学性能，国内外研究学者进行了深入研究，Robe Rson提出了利用非线性振子来吸收地震能量，保护主体结构，控制结构的地震响应[5]；Vakakis等人将这类类似于立方体刚度，用于振动控制的非线性减震器命名为“非线性能量阱(NES)”[6]；张也弛等人对NES参数进行研究和优化[7]；孔宪仁等人研究了在简谐荷载作用下NES的力学性能及减震效果[8]。

5 结语

从目前各国耗能减震装置研究现状来看，金属阻尼器、黏滞性阻尼器和TMD已经广泛应用到实际结构当中，对这三种减震器力学性能以及安装形式等进行了深入研究，并表现出良好的减震性能；现阶段对NES减震器的力学性能还不够深入，将NES应用到实际结构中的研究处于初步阶段，对NES刚度、质量比等参数以及NES在实际结构中的应用还有待进一步研究。