消能器

消能器又稱阻尼器，是一種建築工程用減震裝置。依據其自身功能可分為兩類：速度有關型和位移有關型。速度有關型分為：液體黏滯消能器與黏彈性黏滯消能器；位移有關型分為：摩擦型消能器與金屬變形消能器。隨著研究深入和大量工程套用推廣，消能減震技術得到了較快發展，相應的適應於消能減震結構地震回響分析理論和設計方法也得到了完善，並逐步進入有關的設計指南、規程和規範中。

基本介紹

• 中文名：效能器
• 外文名：damper
• 別名：消能器
• 用途：減震
• 分類：速度有關型、位移有關型
• 設計方法：簡化層剪下模型、層彎剪模型

簡介

消能器又稱為阻尼器，其核心在於耗散能量，根據消能器工作原理的不同，主要有摩擦消能器、金屬屈服型消能器、粘彈性消能器和粘滯型消能器。調頻質量和調頻液體等通過改變結構頻率吸收能量的裝置也是一種消能器。此外,利用電/磁流變液體、壓電材料和電/磁致伸縮材料等智慧型材料可製成主動控制和半主動控制的變阻尼裝置。

減震優越性

消能減震構造系統與傳統構造系統對比，具有如下優越性：

（1）安全性

傳統抗震構造系統實質上是將主體構造（梁、柱、牆）作為消能構件。依照傳統抗震規劃辦法，容許構造構件在地震中呈現不一樣程度的損壞。因為地震的不行猜測性，構造在地震中的損壞程度難以操控，特別是呈現超越設防烈度的強震時，構造就更難以保證安全。

消能構造因為設有非承重消能構件，他們具有較大的耗能才能，在強震中首先耗能，耗費輸入構造的地震能量，衰減構造的地震反響，維護主體構造免遭損壞，然後保證構造在強震中的安全性。

國內外耗能減震構造的振盪台實驗標明，消能減震構造與傳統抗震構造對比，地震反響削減40~60%。

（2）經濟性

傳統抗震構造系統採用“硬抗”地震的辦法，通過加強構造、加大構件斷面，加大配筋等路徑進步構造的抗震功能，使構造的造價明顯進步。

消能減震構造系統是通過“柔性耗能”來削減構造的地震反響，能夠減小構件截面、削減構件配筋，而其抗震功能反而進步了。工程經歷標明，消能減震構造系統與傳統抗震構造系統對比，可節約造價5%~10%。若用於已有構造的改造加固，可節約造價愈加可觀。

套用背景

金屬消能器是消能器的一種常見類型，利用金屬屈曲吸收地震能量，由於其性能穩定、成本較低且加工方便的優點，近年來在國內外得到了廣泛的套用。

目前廣泛採用的金屬消能器主要有拉壓型、彎曲型和剪下型消能器。其中，剪下型消能器剛度大，控制側移方便，但其容易發生面外鼓曲，造成滯迴環捏縮，無法實現全截面屈服，且邊角處存在明顯的應力集中，容易提前出現裂縫，大大削弱了消能器的疲勞壽命，影響消能器正常工作。此外，此消能器的耗能部件與固定部件主要採用焊接的方式，存在殘餘應力，而局部殘餘應力可能已使材料屈服，因而顯著影響著消能器的減震效果。

為了解決這種問題，工程界提出了三種解決方法：

1.焊接加勁肋，該方法存在殘餘應力和變形；

2.開縫，該方法會切斷拉力場，從而削弱剛度；

3.另設裝置約束面外變形，該方法構造複雜。

目前，建築排水系統採用UPVC塑膠管已很普遍，但是，相對鑄鐵管來說，塑膠管存 在強度不足、噪音相對較高的缺點，特別是套用於高層建築時，由於塑膠管道內壁光滑、摩 擦力小，水流勢能大，使立管內水流流速大，對管道的強度、密封性及排水系統的穩定性影 響較大，當有硬的雜物隨水流一起下落時易破壞立管底部的彎頭。為了減小立管內水流流 速，減小水流勢能對管道的影響，高層建築一般每6層設定一個消能裝置，目前市場上並沒 有專門用於消能的配件，普遍採用由4個45度彎頭和1個立管檢查口組裝成的簡易消能裝 置。上述簡易消能裝置的主要缺點是排水噪音大，住戶都不願將其安裝在本層內，甚 者私自將它據掉，另外一個缺點是占用建築空間大。正因為這種簡易消能裝置存在上述缺陷。目前，國家規範對於高層建築消能問題並沒有具體的對應措施，只有一些地方標準，如浙江省標準設計圖集《硬聚氯乙烯排水管安裝圖》里提到高層建築排水立管宜從第6層起安裝一個簡易消能裝置，往上每6層裝設一個。在實際工程中對於高層排水，為了減小水流 勢能造成對管道的影響，一般裙房及以下部位、立管及橫乾管採用鑄鐵管，以上部位採用塑膠管，裙房以上每6層設一組消能裝置。

性能檢驗

對黏滯流體消能器，由第三方進行抽樣檢驗，其數量為同一工程同一類型同一規格數量的20%，但不少於2個，檢測合格率為100%，檢測後的消能器可用於主體結構；對其他類型消能器，抽檢數量為同一類型同一規格數量的3%，當同一類型同一規格的消能器數量較少時，可以在同一類型消能器中抽檢總數量的3%，但不應少於2個，檢測合格率為100%，檢測後的消能器不能用於主體結構。

對速度相關型消能器，在消能器設計位移和設計速度幅值下，以結構基本頻率往復循環30圈後，消能器的主要設計指標誤差和衰減量不應超過15%；對位移相關型消能器，在消能器設計位移幅值下往復循環30圈後，消能器的主要設計指標誤差和衰減量不應超過15%，且不應有明顯的低周疲勞現象。

布置方法

根據不同類型消能減震結構地震回響,當消能器最大出力相同、消能器總出力接近時,減震效果由高到低,對應的結構形式依次為鋼框架、混凝土框架、框架剪力牆結構和框架核心筒結構。在框架結構中摩擦消能器和非線性粘滯消能器減震效果優於金屬消能器和線性粘滯消能器,其中摩擦消能器更有利於控制變形,非線性粘滯消能器更有利於控制地震力和構件內力；而在框架剪力牆和框架核心筒結構中安裝粘滯消能器後,框架柱負擔小，減震效果較好。

隨地震強度減小,在多遇地震下,非線性粘滯消能器和摩擦消能器的減震效果提升,線性粘滯消能器減震效果不變,金屬消能器不屈服耗能相當於不屈曲的鋼支撐。由不同地震波和地震強度下消能減震結構與原無消能結構地震回響對比發現,消能器發揮作用後,能夠有效減小不同地震波作用下結構回響的離散性,縮小各樓層層間位移角和層剪力的差異,使結構變形更加均勻。

多遇地震作用下消能減震結構附加消能器計算及驗算表明,規範方法和自由振動衰減計算消能器附加阻尼比準確性高。其中,自由振動衰減法操作簡單，物理概念明確,具有良好的工程實用價值。

使用逐層布置法布置消能器能夠獲得優良的減震效果,使得結構各樓層層間變形趨於均勻。隨消能器數量增加消能器減震效率降低,消能器超過一定數量後，增加消能器減震效果低下。