消能减震技术在高烈度区中小学结构设计中的应用
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作者: 戚军英
【摘 要】结构消能减震体系是把结构物的某些非承重构件（如支撑，剪力墙，连接件等）设计成消能杆件。消能减震技术的应用既能保证学校对使用性的要求，又能保证满足其对抗震的高标准的要求。
【关键词】减震技术 结构技术 设计应用
一、高烈度区中小学结构设计面临的问题
地震是一种危害极大的突发自然灾害，从古至今，曾给人类带来无数的生命与财产损失。为了加强地震时对孩子们的保护，按照唐山市地震局关于建设工程抗震设防相关问题的通知《唐震函（2011）9号》：学校、幼儿园内的全部建、构筑物抗震设防要求应当按照当地抗震设防标准提高一度进行设防；同时按《唐山市防震减灾管理条例》第二十四条：新建、改建、扩建的学校、医院、地震避难场馆、高层建筑等人员密集的建设工程，其抗震设防要求应当按照当地抗震设防标准至少提高一度进行设防。唐山市内地震设防烈度8度，按照上述两个文件要求，市内中小学及幼儿园设防烈度为9度。
中小学需要开阔的空间和新颖活泼的造型，在满足教学及使用等基本功能的基础上，为孩子们提供充足的采光和视觉上的美感；结合这些特点，框架结构有很大的适用性，几乎可以满足以上所有要求，但是框架结构有一个结构上的缺陷，就是不能够提供很大的侧向刚度，在按设防烈度9度计算时，位移很难满足规范要求，为满足规范要求就必须增大柱截面或梁截面高度，这样即便是设计下来，过大的柱子和梁会影响建筑的使用功能，且含钢量很大，很不经济。如果通过增加剪力墙来提供所需的抗侧刚度，将会会对建筑布局及灵活使用上产生很大的限制。所以，需要利用其他防震减震技术来解决上述面临的问题。
二、消能减震技术的机理、技术特点及适用范围
（一）消能减震技术的概况
目前在众多的减震技术中，技术研究相对成熟、经得起实践考验的主要是隔震技术和消能减震技术。结构减震控制的基本思想从提出到现在已经有30余年了，日本、美国、中国及我国台湾地区的众多学者都在此领域进行了大量的理论研究与工程实践工作。近年来，消能减震装置在美国、日本、加拿大、墨西哥及欧洲的部分国家已经被广泛应用。从20世纪90年代以来，我国的学者和工程技术人员也进行了各类型消能器的自主开发，并获得了知识产权。
（二）消能减震技术的机理
消能减震技术的主要思想是把结构物中的支撑、剪力墙等构件设计成耗能部件或在结构物的节点或连接处装设阻尼器，在风载或小震作用下，耗能杆件和阻尼器处于弹性状态，当在强烈地震作用下，耗能杆件或阻尼器率先进入非弹性状态，结构产生较大阻尼，耗散大量地震能量，使主体结构避免进入明显非弹性状态，从而保护主体结构在强震中的大幅度的损坏。
结构消能减震体系的机理：结构消能减震体系是把结构物的某些非承重构件（如支撑，剪力墙，连接件等）设计成消能杆件。或在结构的某部位（层间空间，节点，连接缝等）装设阻尼器（目前主要有：金属阻尼器、摩擦阻尼器、弹塑性耗能器、粘弹性阻尼器、粘性流体阻尼器和压电陶瓷阻尼器等）。在风或小震作用下，这些消能构件或消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、大地震时，消能构件或装置率先进入消能状态，其消耗的能量可占输入结构的地震能量的90%，从而保护主体结构及构件在强烈地震中免遭破坏。
（三）消能减震技术的应用范围
消能减震技术以前主要用于高层或超高层建筑，随着这项技术的不断改进，和抗震要求的不断提高，重要的低层和多层建筑，如医院、学校、商场、科研机构以及重要的指挥职能单位也都越来越多的应用了消能减震技术。
三、消能减震技术在高烈度区中小学结构设计中的应用实例
唐山市路北区70号小区小学，共4层建筑面积8968.8平方米，占地面积2150.6平方米，建筑高度17.4米。若采用框架结构设计，弹性层间位移角很难满足设计规范要求，当满足规范抗震要求时，柱截面边长超过1米，且配筋量极大，既影响了使用空间和房间美观，又在经济上造成了极大的浪费。初期方案采用框-剪结构试算，由于学校的建筑特点，墙体布置局限性很大，经反复试算层间位移角满足要求后，墙体配筋局部超筋，大部分柱、墙体配筋量很大，不能满足抗震要求，且造价非常高。后通过广泛调研、深入研究，采用框架+消能减震设计方案，在框架结构中设置支撑型阻尼器和剪切型阻尼器增加结构阻尼来控制预期的结构变形。本工程通过合理布置剪切型金属抗震耗能器52个，支撑型金属抗震耗能器27个，来增加结构阻尼比，很好的解决了结构在高烈度区设防下的抗震问题。
四、应用效果分析及展望
消能减震技术的应用既能保证学校对使用性的要求，又能保证满足其对抗震的高标准的要求，使教师和孩子能安全、快乐的进行教学，解除孩子家长及社会对学校、幼儿园安全方面的担忧，社会效益巨大；在获得巨大社会效益的同时，通过对唐山市中、小学及幼儿园工程建设中推广使用消能减震技术，节约工程建造成本，每年为全市节约工程成本数百万元，经济效益非常可观。
由此可见，随着消能减震技术的不断改进，和抗震要求的不断提高，消能减震技术将越来越多的被应用到各个领域，在抗震设计中发挥更加重要的作用。
参考文献：
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