[科普中国]-效能器

消能器又称阻尼器，是一种建筑工程用减震装置。依据其自身功能可分为两类：速度有关型和位移有关型。速度有关型分为：液体黏滞消能器与黏弹性黏滞消能器；位移有关型分为：摩擦型消能器与金属变形消能器。随着研究深入和大量工程应用推广，消能减震技术得到了较快发展，相应的适应于消能减震结构地震响应分析理论和设计方法也得到了完善，并逐步进入有关的设计指南、规程和规范中。

消能器又称为阻尼器，其核心在于耗散能量，根据消能器工作原理的不同，主要有摩擦消能器、金属屈服型消能器、粘弹性消能器和粘滞型消能器。调频质量和调频液体等通过改变结构频率吸收能量的装置也是一种消能器。此外,利用电/磁流变液体、压电材料和电/磁致伸缩材料等智能材料可制成主动控制和半主动控制的变阻尼装置。

消能减震构造系统与传统构造系统对比，具有如下优越性：

1）安全性

传统抗震构造系统实质上是将主体构造（梁、柱、墙）作为消能构件。依照传统抗震规划办法，容许构造构件在地震中呈现不一样程度的损坏。因为地震的不行猜测性，构造在地震中的损坏程度难以操控，特别是呈现超越设防烈度的强震时，构造就更难以保证安全。

消能构造因为设有非承重消能构件，他们具有较大的耗能才能，在强震中首先耗能，耗费输入构造的地震能量，衰减构造的地震反响，维护主体构造免遭损坏，然后保证构造在强震中的安全性。

国内外耗能减震构造的振荡台实验标明，消能减震构造与传统抗震构造对比，地震反响削减40~60%。

2）经济性

传统抗震构造系统采用“硬抗”地震的办法，通过加强构造、加大构件断面，加大配筋等路径进步构造的抗震功能，使构造的造价明显进步。

消能减震构造系统是通过“柔性耗能”来削减构造的地震反响，能够减小构件截面、削减构件配筋，而其抗震功能反而进步了。工程经历标明，消能减震构造系统与传统抗震构造系统对比，可节约造价5%~10%。若用于已有构造的改造加固，可节约造价愈加可观。1

金属消能器是消能器的一种常见类型，利用金属屈曲吸收地震能量，由于其性能稳定、成本较低且加工方便的优点，近年来在国内外得到了广泛的应用。

目前广泛采用的金属消能器主要有拉压型、弯曲型和剪切型消能器。其中，剪切型消能器刚度大，控制侧移方便，但其容易发生面外鼓曲，造成滞回环捏缩，无法实现全截面屈服，且边角处存在明显的应力集中，容易提前出现裂缝，大大削弱了消能器的疲劳寿命，影响消能器正常工作。此外，此消能器的耗能部件与固定部件主要采用焊接的方式，存在残余应力，而局部残余应力可能已使材料屈服，因而显著影响着消能器的减震效果。为了解决这种问题，工程界提出了三种解决方法：1.焊接加劲肋，该方法存在残余应力和变形；2.开缝，该方法会切断拉力场，从而削弱刚度；3.另设装置约束面外变形，该方法构造复杂。2

目前，建筑排水系统采用UPVC塑料管已很普遍，但是，相对铸铁管来说，塑料管存 在强度不足、噪音相对较高的缺点，特别是应用于高层建筑时，由于塑料管道内壁光滑、摩 擦力小，水流势能大，使立管内水流流速大，对管道的强度、密封性及排水系统的稳定性影 响较大，当有硬的杂物随水流一起下落时易破坏立管底部的弯头。为了减小立管内水流流 速，减小水流势能对管道的影响，高层建筑一般每6层设置一个消能装置，目前市场上并没 有专门用于消能的配件，普遍采用由4个45度弯头和1个立管检查口组装成的简易消能装 置(如图1所示)。上述简易消能装置的主要缺点是排水噪音大，住户都不愿将其安装在本层内，甚 者私自将它据掉，另外一个缺点是占用建筑空间大。正因为这种简易消能装置存在上述缺 陷，目前，国家规范对于高层建筑消能问题并没有具体的对应措施，只有一些地方标准，如 浙江省标准设计图集《硬聚氯乙烯排水管安装图》里提到高层建筑排水立管宜从第6层起 安装一个简易消能装置，往上每6层装设一个。在实际工程中对于高层排水，为了减小水流 势能造成对管道的影响，一般裙房及以下部位、立管及横干管采用铸铁管，以上部位采用塑 料管，裙房以上每6层设一组消能装置。3

对黏滞流体消能器，由第三方进行抽样检验，其数量为同一工程同一类型同一规格数量的20%，但不少于2个，检测合格率为100%，检测后的消能器可用于主体结构；对其他类型消能器，抽检数量为同一类型同一规格数量的3%，当同一类型同一规格的消能器数量较少时，可以在同一类型消能器中抽检总数量的3%，但不应少于2个，检测合格率为100%，检测后的消能器不能用于主体结构。

对速度相关型消能器，在消能器设计位移和设计速度幅值下，以结构基本频率往复循环30圈后，消能器的主要设计指标误差和衰减量不应超过15%；对位移相关型消能器，在消能器设计位移幅值下往复循环30圈后，消能器的主要设计指标误差和衰减量不应超过15%，且不应有明显的低周疲劳现象。4

根据不同类型消能减震结构地震响应,当消能器最大出力相同、消能器总出力接近时,减震效果由高到低,对应的结构形式依次为钢框架、混凝土框架、框架剪力墙结构和框架核心筒结构。在框架结构中摩擦消能器和非线性粘滞消能器减震效果优于金属消能器和线性粘滞消能器,其中摩擦消能器更有利于控制变形,非线性粘滞消能器更有利于控制地震力和构件内力;而在框架剪力墙和框架核心筒结构中安装粘滞消能器后,框架柱负担小,减震效果较好。

随地震强度减小,在多遇地震下,非线性粘滞消能器和摩擦消能器的减震效果提升,线性粘滞消能器减震效果不变,金属消能器不屈服耗能相当于不屈曲的钢支撑。由不同地震波和地震强度下消能减震结构与原无消能结构地震响应对比发现,消能器发挥作用后,能够有效减小不同地震波作用下结构响应的离散性,缩小各楼层层间位移角和层剪力的差异,使结构变形更加均匀。

多遇地震作用下消能减震结构附加消能器计算及验算表明,规范方法和自由振动衰减计算消能器附加阻尼比准确性高。其中,自由振动衰减法操作简单,物理概念明确,具有良好的工程实用价值。

使用逐层布置法布置消能器能够获得优良的减震效果,使得结构各楼层层间变形趋于均匀。随消能器数量增加消能器减震效率降低,消能器超过一定数量后,增加消能器减震效果低下。5

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