近四十年來，我國建筑消能減震技術(shù)研究與應(yīng)用取得了豐碩的成果，研究開發(fā)了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的消能器，設(shè)計方法和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)日趨成熟，已在新建和既有建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。本文從消能器的研究與開發(fā)、消能減震結(jié)構(gòu)創(chuàng)新體系、消能減震設(shè)計方法、消能減震標(biāo)準(zhǔn)化、國內(nèi)典型消能減震工程應(yīng)用等方面總結(jié)了我國消能減震技術(shù)研究和應(yīng)用的成果，指出我國消能減震技術(shù)存在的若干關(guān)鍵問題及未來需重點研究的方向，為下一步消能減震技術(shù)研究和發(fā)展提供參考。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是通過增加結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度、剛度等來抵御地震與風(fēng)振作用，是一種被動消極的抗震對策。自美籍華裔學(xué)者姚治平（Yao J.T.P.）[1]首次將結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)引入土木工程以來，國內(nèi)外學(xué)者[2-8]對結(jié)構(gòu)被動控制、主動控制、半主動控制等開展了大量研究，取得豐碩的研究和應(yīng)用成果。20世紀(jì)70年代末，我國學(xué)者[9-10]開始對結(jié)構(gòu)消能體系進(jìn)行研究，并建成數(shù)棟設(shè)有消能支撐的鋼筋混凝土廠房結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)80年代，周福霖院士等[11-12]提出在結(jié)構(gòu)中裝設(shè)方框消能支撐進(jìn)行消能減震，并完成5榀消能支撐結(jié)構(gòu)模型試驗。我國機(jī)械工業(yè)部設(shè)計研究院和西北建筑設(shè)計院對矩形內(nèi)框和菱形內(nèi)框耗能器支撐系統(tǒng)進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗研究[13]。消能減震技術(shù)在我國真正蓬勃發(fā)展和應(yīng)用始于1998年啟動的首都圈防震減災(zāi)示范區(qū)建設(shè)，北京飯店、北京火車站、中國革命歷史博物館和北京展覽館等一批標(biāo)志性建筑加固均采用消能減震技術(shù)[14]。2008年汶川地震后，大量災(zāi)后建筑亟需抗震修復(fù)、加固及拆除重建，消能減震技術(shù)因其概念簡單、減震機(jī)理明確、減震效果顯著、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點獲得廣泛應(yīng)用。2013年四川蘆山縣地震中，采用隔震技術(shù)的蘆山縣人民醫(yī)院門診綜合樓在地震中安然無恙，歷經(jīng)強(qiáng)震考驗，為政府和社會各界樹立了信心[15]。2013年，國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297—2013）[16]頒布實施，作為國內(nèi)外第一部系統(tǒng)的消能減震行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著我國消能減震技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，規(guī)程的頒布實施為我國消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工提供了技術(shù)支撐和指導(dǎo)依據(jù)，也為消能減震技術(shù)在我國的工程應(yīng)用推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)。隨著社會民眾對建筑抗震安全需求的日益增加，消能減震技術(shù)在國內(nèi)抗震領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越多，目前已逐步成為結(jié)構(gòu)抗震的主流技術(shù)之一，有關(guān)消能減震技術(shù)的研究也引起學(xué)界和工程界的廣泛關(guān)注。近四十年來，我國學(xué)者對建筑消能減震技術(shù)進(jìn)行了全面而深入的研究，在消能減震裝置開發(fā)、性能試驗、分析模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計理論、工程應(yīng)用等方面取得一系列豐碩成果，并逐步向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。本文對我國消能減震技術(shù)研究與應(yīng)用成果進(jìn)行總結(jié)，包括消能器的研究與開發(fā)、消能減震結(jié)構(gòu)創(chuàng)新體系、消能減震設(shè)計方法、消能減震標(biāo)準(zhǔn)化、國內(nèi)典型消能減震工程應(yīng)用等，并指出我國消能減震技術(shù)存在的若干關(guān)鍵問題及未來需重點研究的方向，為下一步消能減震技術(shù)研究和發(fā)展提供參考。消能減震效果主要取決于消能器的類型與性能，國外開展消能器研究與應(yīng)用已有多年歷史，國內(nèi)針對消能器的自主研發(fā)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，取得豐碩的成果。目前主流的消能器產(chǎn)品包括黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、金屬阻尼器、摩擦阻尼器、復(fù)合型阻尼器、屈曲約束支撐等。
為促進(jìn)消能器的開發(fā)、改進(jìn)和推廣，周云[17]提出消能器開發(fā)新理念與性能目標(biāo)。消能器的性能目標(biāo)應(yīng)滿足：1）構(gòu)造簡單，傳力直接；2）耗能機(jī)理明確，元件功能清晰；3）能夠準(zhǔn)確定量描述；4）性能穩(wěn)定，魯棒性好；5）具有較高安全儲備；6）耐久性好，能長期穩(wěn)定的工作；7）工作適應(yīng)性好；8）耗能效率高。黏滯阻尼器最早應(yīng)用于軍事和航空領(lǐng)域，之后逐漸引入到結(jié)構(gòu)工程[4,18]。其在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域三十多年的發(fā)展主要可分為三個階段：以膠泥為填充材料的第一代黏滯阻尼器；采用各種閥門控制并使用蓄能器的第二代黏滯阻尼器；最新發(fā)展形成的以小孔射流方式控制的第三代黏滯阻尼器。小孔射流技術(shù)是在20世紀(jì)80年代發(fā)明并開始大量使用[18-19]。該技術(shù)使黏滯阻尼器能夠安全穩(wěn)定地工作，目前已得到國際工程界的廣泛認(rèn)同，帶來了黏滯阻尼器的新革命。第三代黏滯阻尼器主要由油缸、活塞、阻尼孔、黏滯流體阻尼材料和活塞桿等部分組成，如圖1所示?；钊嫌刑厥鈽?gòu)造小孔作為阻尼孔，缸筒內(nèi)裝滿硅油等黏滯流體材料。當(dāng)黏滯阻尼器工作時，隨著活塞相對缸筒往復(fù)運(yùn)動，黏滯流體從高壓腔體經(jīng)過阻尼孔或間隙流往低壓腔體，在黏滯流體往復(fù)流經(jīng)阻尼孔或間隙的過程中產(chǎn)生射流，因克服摩擦和碰撞等而耗散能量。我國學(xué)者對黏滯阻尼器性能開展了相關(guān)理論和試驗研究，包括黏滯流體材料改進(jìn)與活塞頭或缸筒等構(gòu)造改進(jìn)[20-26]。為進(jìn)一步提升黏滯阻尼器性能，周云[27]研制開發(fā)了一種新型黏滯-彈性阻尼器，如圖2所示，試驗研究表明，新型阻尼器耗能穩(wěn)定，性能良好。為改善黏滯阻尼器低速工作時的性能，黃政[28]提出阻尼疊加型黏滯阻尼器，如圖3所示。小孔射流、異型孔、阻尼疊加型阻尼器的對比試驗研究表明，阻尼疊加型黏滯阻尼器在低速工作下能很好滿足設(shè)計要求，且具有良好的抗疲勞性能。
圖3 阻尼疊加型黏滯阻尼器對比試驗
黏彈性阻尼器最早由美國3M公司設(shè)計與制作，1969年被應(yīng)用于紐約世貿(mào)大廈以控制結(jié)構(gòu)風(fēng)振，標(biāo)志著黏彈性阻尼器開始應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[29]。隨后，國內(nèi)外學(xué)者對黏彈性阻尼器開展了大量試驗研究[5,30-34]。黏彈性阻尼器主要由黏彈性材料和鋼板組成，黏彈性體夾在兩塊鋼板之間，通過高溫硫化成一體。黏彈性阻尼器產(chǎn)生剪切變形時，黏彈性材料中聚合物分子鏈組成網(wǎng)絡(luò)之間產(chǎn)生壓縮、錯動、松弛以及混合物間產(chǎn)生內(nèi)摩擦，部分能量以位能形式存儲起來，另一部分能量則被耗散或轉(zhuǎn)化為熱能。
早期黏彈性阻尼器表現(xiàn)出明顯的頻率與溫度相關(guān)性，循環(huán)加載下性能退化嚴(yán)重。為改善黏彈性阻尼器的力學(xué)性能，周云等[35-37]聯(lián)合日本住友橡膠工業(yè)公司研發(fā)了高阻尼黏彈性阻尼器，如圖4(a)所示。相比傳統(tǒng)黏彈性阻尼器，高阻尼黏彈性阻尼器的疲勞性能得到明顯提升，其疲勞性能曲線如圖4(b)所示。為推動黏彈性阻尼器的國產(chǎn)化，周云等[38-39]聯(lián)合柳州東方橡膠制品有限公司研制了一種高阻尼橡膠阻尼器，具有滯回曲線飽滿、疲勞性能穩(wěn)定、極限變形能力強(qiáng)等優(yōu)點。
（a）高阻尼黏彈性阻尼器 （b）疲勞性能曲線為解決黏彈性阻尼器具有明顯的頻率相關(guān)性、國產(chǎn)黏彈性材料阻尼低等問題，周云基于“多種耗能機(jī)制共同耗能”的新型耗能裝置設(shè)計思想[17]，研發(fā)了系列復(fù)合型鉛黏彈性阻尼器，主要有鉛橡膠阻尼器[40-41]、組合式鉛橡膠復(fù)合阻尼器[42]、鉛黏彈性阻尼器[43]，鉛黏彈性阻尼器如圖5(a)所示。為使鉛黏彈性阻尼器有更大的初始剛度與更好的耗能能力，對其進(jìn)行改進(jìn)，增加了鉛芯直徑，并采用四層黏彈性層的構(gòu)造，形成復(fù)合型鉛黏彈性阻尼器[44]，如圖5(b)所示。為進(jìn)一步提高耗能能力，簡化制作工藝，促進(jìn)鉛黏彈性阻尼器的產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，提出一種多鉛芯黏彈性阻尼器[45-47]，如圖5(c)所示。多鉛芯黏彈性阻尼器由剪切鋼板、約束鋼板、鉛芯、黏彈性材料、薄鋼板、上下連接端板和鉛芯封蓋組成，具有良好的耗能能力，其典型滯回曲線如圖5(d)所示。
圖5 復(fù)合型鉛黏彈性阻尼器
汶川地震震害表明，框架及底框結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了許多柱頭和梁柱節(jié)點進(jìn)入明顯塑性狀態(tài)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或倒塌的現(xiàn)象。為提高框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的抗震性能，周云[48]提出了一種用于節(jié)點加固的扇形鉛黏彈性阻尼器，如圖6(a)所示。地震作用下框架結(jié)構(gòu)側(cè)移變形使得梁柱節(jié)點區(qū)產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動位移，帶動扇形鉛黏彈性阻尼器的鉛芯產(chǎn)生剪切或擠壓變形和黏彈性材料產(chǎn)生剪切變形，耗散地震能量，減小框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移及層間位移角，有效保護(hù)梁柱節(jié)點[49-50]。扇形鉛黏彈性阻尼器可直接安裝在結(jié)構(gòu)框架柱與梁之間，無需使用額外連接支撐，且體積小，不影響空間使用，既可用于加強(qiáng)新建建筑的梁柱節(jié)點抗震性能[51]，又可用于既有建筑的節(jié)點加固[52]，如圖6(b)所示。此外，近年來隨著裝配式建筑的快速發(fā)展，扇形鉛黏彈性阻尼器為改善裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點整體性和抗震性能提供了新選擇[53-55]。
圖6 扇形鉛黏彈性阻尼器
為解決現(xiàn)有聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁作為第一道抗震防線在震后存在的修復(fù)或更換困難、成本高和耗時長等問題，周云[56]基于“工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件可更換甚至自恢復(fù)”設(shè)計思想，提出將剪力墻連梁跨中截斷設(shè)置鉛黏彈性連梁阻尼器，如圖7(a)所示，以實現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)震后無需修復(fù)或稍許修復(fù)即可恢復(fù)使用功能。鉛黏彈性連梁阻尼器具有穩(wěn)定的性能和良好的耗能能力，其典型滯回曲線如圖7(b)所示。
圖7 鉛黏彈性連梁阻尼器
金屬阻尼器是利用金屬元件屈服時產(chǎn)生的彈塑性滯回變形來耗散能量。金屬材料往往具有良好的滯回特性和低周疲勞性能，且受外界環(huán)境和溫度變化的影響較小，國內(nèi)外學(xué)者研制與開發(fā)了不同類型的金屬阻尼器[6]。軟鋼阻尼器是應(yīng)用最為廣泛的金屬阻尼器。由于軟鋼進(jìn)入塑性后有良好的塑性變形能力和滯回耗能性能，低屈服點鋼有較低的屈服點與較好的延性。利用這些特性，可根據(jù)需要設(shè)計成不同形式的金屬阻尼器。目前，國內(nèi)外學(xué)者已先后提出了剪切鋼板阻尼器、X形加勁軟鋼阻尼器、三角形加勁軟鋼阻尼器、開孔式加勁軟鋼阻尼器等阻尼器[57-60]。其中，開孔式加勁軟鋼阻尼器如圖8所示，由于其具有良好的消能減震效果，已被廣泛應(yīng)用于實際工程中[61]。
圖8 開孔式加勁軟鋼阻尼器
圓環(huán)阻尼器利用軟鋼的滯回變形進(jìn)行耗能，最早由2根平行的鋼棒卷成圓形組成。周云[62]對使用低碳鋼制成的圓環(huán)阻尼器進(jìn)行試驗研究，結(jié)果表明其具有穩(wěn)定的工作性能和滯回性能，可安裝在X形或K形支撐上。為改善圓環(huán)阻尼器存在的初始剛度較低、承載能力較差、耗能能力有限等問題，先后提出雙環(huán)阻尼器[63]、加勁圓環(huán)阻尼器[64]和鋼屈服-摩擦圓環(huán)阻尼器[65]，如圖9所示。周云[66]利用鋼板性能穩(wěn)定，滯回性能好的特點，設(shè)計提出橢圓型鋼板阻尼器，如圖10所示。此后，國內(nèi)學(xué)者[67]進(jìn)一步開展研究工作，但該阻尼器仍存在初始剛度小、屈服位移較大等問題。
相比軟鋼，鉛具有較高的柔性和延展性，有較強(qiáng)的變形跟蹤能力，特別是具有動態(tài)再結(jié)晶特性[68]，因此鉛成為制作消能減震裝置的優(yōu)選材料之一。鉛阻尼器主要有擠壓型鉛阻尼器[69]、剪切型鉛阻尼器[70]、彎剪型鉛阻尼器[71]等。U型鉛阻尼器力學(xué)性能穩(wěn)定、變形能力強(qiáng)，早期日本將其與隔震支座混合用于隔震結(jié)構(gòu)中[72]。周云基于“多種耗能機(jī)制共同耗能”與“局部削弱相當(dāng)于其他部分加強(qiáng)”的設(shè)計思想[17,73]，結(jié)合鉛和鋼材的優(yōu)點，提出鋼管鉛阻尼器，如圖11(a)所示。鋼管中部采用拋物線形式進(jìn)行削弱，使得變形和耗能集中在中部，避免鋼管鉛阻尼器由于端部連接破壞而過早退出工作。鋼管鉛阻尼器具有各向同性、小位移屈服耗能、屈服后剛度小、耗能能力強(qiáng)等優(yōu)點[74-79]，其典型滯回曲線如圖11(b)所示。屈曲約束支撐（Buckling Restrained Brace，簡稱BRB）最早由日本新日鐵公司提出[80]，此后逐步在日本、美國、中國等國家和地區(qū)得到推廣與應(yīng)用，是目前工程中應(yīng)用較多的阻尼器。BRB通常由核心單元（內(nèi)芯）與外約束構(gòu)件組成。目前，各國學(xué)者已研制出不同核心單元截面形式的BRB[81-82]，如圖12所示。國內(nèi)周云、歐進(jìn)萍、李國強(qiáng)等學(xué)者也對不同截面形式BRB進(jìn)行了研究[8,83-87]。
圖12 不同核心單元截面形式的BRB傳統(tǒng)BRB端部易產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞，針對這一問題，周云提出“核心單元局部削弱相當(dāng)于其他部位加強(qiáng)”的新型BRB設(shè)計理念[73]，如圖13所示。基于該設(shè)計理念，研究并提出了開孔式鋼管BRB、開槽式鋼管BRB、外包混凝土式BRB[88-96]，如圖14所示。針對傳統(tǒng)板式BRB中存在的構(gòu)造復(fù)雜與破壞位置隨機(jī)問題，提出了開孔鋼板裝配式BRB和開孔雙核心鋼板裝配式BRB[97-102]，如圖15所示。
圖13 核心單元局部削弱——BRB開孔或開槽示意
圖14 三重圓/方鋼管BRB與外包混凝土式BRB
圖15 開孔鋼板裝配式BRB和開孔雙核心鋼板裝配式BRB
鋼筋混凝土框架填充墻結(jié)構(gòu)是建筑工程中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式之一。針對框架填充墻結(jié)構(gòu)的震害特點，周云參照黏彈性阻尼器的耗能機(jī)理，對填充墻進(jìn)行了改進(jìn)，提出阻尼填充墻[103]，其構(gòu)造如圖16所示。阻尼填充墻是在普通填充墻構(gòu)造的基礎(chǔ)上，將墻體劃分為3個或多個砌體單元，砌體單元之間以及砌體單元與框架梁之間設(shè)置阻尼層，形成類似黏彈性阻尼器的阻尼層與鋼板相隔布置的構(gòu)造。砌體單元的一側(cè)與框架柱固定連接（上下相鄰的砌體單元異側(cè)固定），而另一側(cè)與框架柱間設(shè)置縫形成柔性連接，并采用柔性材料進(jìn)行填充。地震作用下，阻尼填充墻上下相鄰的砌體單元隨框架柱產(chǎn)生相對運(yùn)動，使得阻尼層產(chǎn)生剪切滯回變形而耗散地震能量，保護(hù)墻體的同時改善了框架填充墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。
為研究阻尼填充墻的抗震性能，周云等從阻尼填充墻阻尼層[104]、阻尼填充墻單元[105]、帶阻尼填充墻的鋼筋混凝土框架[106-107]三個層面進(jìn)行了試驗研究，揭示了阻尼填充墻平面內(nèi)方向的工作機(jī)理，提出了簡化力學(xué)模型[108]，對帶阻尼填充墻整體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析[109-110]。目前，正開展阻尼填充墻平面外受力性能及機(jī)理的分析與試驗研究[111-112]。為適應(yīng)我國建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢，周云提出裝配式減震墻板，如圖17所示，對其進(jìn)行減震墻板框架單元與減震墻板框架結(jié)構(gòu)的試驗研究[113-114]。此外還將阻尼填充墻應(yīng)用到既有建筑的加固，提出阻尼填充墻加固震損框架的方法[115-116]，即先對震損框架進(jìn)行局部修復(fù)，再采用阻尼填充墻或減震墻板加固。
圖17 裝配式減震墻板示意
消能減震結(jié)構(gòu)創(chuàng)新體系
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將性能良好的消能器巧妙地應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中以解決各類工程實踐難題是工程師的職責(zé)所在，因此，基于各類新型消能器構(gòu)建消能減震結(jié)構(gòu)創(chuàng)新體系至關(guān)重要。
對于高位轉(zhuǎn)換高層建筑，由于轉(zhuǎn)換層上、下樓層豎向構(gòu)件不連續(xù)，結(jié)構(gòu)豎向剛度發(fā)生明顯變化，轉(zhuǎn)換層上、下樓層的構(gòu)件內(nèi)力容易發(fā)生突變，對抗震極為不利[117-119]。針對高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)存在的諸多問題，周云[120]提出“從改變結(jié)構(gòu)特性的角度出發(fā)解決高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)存在的抗震問題”的思路，將消能減震引入高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，從而形成高位轉(zhuǎn)換耗能減震結(jié)構(gòu)體系，如圖18所示。高位轉(zhuǎn)換耗能減震結(jié)構(gòu)體系是在高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層下部樓層中加入消能裝置，為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼與附加剛度，耗散地震與風(fēng)振輸入結(jié)構(gòu)的能量。研究表明，將消能減震技術(shù)應(yīng)用于高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中并形成高位轉(zhuǎn)換耗能減震結(jié)構(gòu)新體系是可行的[121-124]。
隨著高層建筑功能的需要，高層結(jié)構(gòu)體型越來越復(fù)雜，采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行地震與風(fēng)振控制的難度越來越高。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者將耗能減震構(gòu)件引入到高層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層中，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。O'Neill[125]首次驗證了阻尼器設(shè)置在加強(qiáng)層實體梁與框架柱連接部件中的減震效果，Smith等[126]提出利用核心筒彎曲變形和外框架剪切變形之間較大的豎向變形差來提升黏滯阻尼器的耗能能力，即Damped Outrigger工程實踐的概念，并成功應(yīng)用于菲律賓Shangri-La雙塔等工程中[127]，隨后國內(nèi)學(xué)者也開展了相關(guān)的研究工作[128-130]。
周云[121,131]提出帶耗能減震層高層結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系是將耗能減震技術(shù)引入到高層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層中，將加強(qiáng)層伸臂桁架和環(huán)帶桁架中的普通支撐用耗能支撐（消能器+支撐）代替，形成耗能減震層，如圖19所示。帶加強(qiáng)層與耗能減震層的超高層結(jié)構(gòu)對比分析結(jié)果表明，耗能減震層能更有效地控制結(jié)構(gòu)反應(yīng)，減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力突變[132-133]，同時證明了耗能減震層對于超高層結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與抗震的有效性和可行性[134]。耗能減震層的概念逐步得到工程界的認(rèn)同，已有多項工程采用了這一理念。
圖19 耗能減震層高層結(jié)構(gòu)體系
目前，隨著建筑功能需求的提升，不規(guī)則結(jié)構(gòu)越來越多。不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通常利用防震縫分成多個部分，但帶來的問題則是增加了相鄰結(jié)構(gòu)間碰撞的可能性[135-136]。大量研究表明，對于防震縫分開的結(jié)構(gòu)，由于動力特性的差異，最小防震縫的寬度往往難以保證其不發(fā)生碰撞[137-141]。針對此問題，周云[121]將消能技術(shù)應(yīng)用到相鄰結(jié)構(gòu)中，提出了防碰撞耗能減震結(jié)構(gòu)體系，即通過在相鄰結(jié)構(gòu)之間設(shè)置消能減震裝置，利用相鄰結(jié)構(gòu)間的相對變形耗能，減小相鄰結(jié)構(gòu)間的反應(yīng)，避免碰撞。在此基礎(chǔ)上，周云[142]進(jìn)一步提出減震縫的概念，即通過在防震縫中設(shè)置三維阻尼器，使防震縫變成減震縫，不僅能夠防止相鄰建筑間的碰撞，還能多維控制相鄰結(jié)構(gòu)外部荷載作用下的反應(yīng)。基于減震縫的思想，設(shè)計提出可安裝于防震縫間的黏彈性球阻尼器與套疊鋼環(huán)阻尼器[142]。其中，黏彈性球阻尼器及其安裝示意如圖20所示。
圖20 黏彈性球阻尼器
在框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點是結(jié)構(gòu)傳力的樞紐，起著傳遞和分配內(nèi)力、保證整體性的作用。在地震作用下，節(jié)點核心區(qū)易產(chǎn)生剪切脆性破壞。節(jié)點一旦破壞，會使結(jié)構(gòu)處于極為不利的受力狀態(tài)，甚至導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的倒塌。從歷年地震震害中可以看出，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)大多是由于框架梁柱節(jié)點的破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效或倒塌。這一弊端在裝配式框架結(jié)構(gòu)中尤為明顯，為保證裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能，周云提出一種裝配式耗能腋撐框架減震體系[143-144]，如圖21所示。其通過在框架柱與梁端部附近安裝耗能支撐或阻尼器，改善框架梁柱節(jié)點的受力性能，減輕節(jié)點的損傷，使結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的延性設(shè)計要求。由于耗能腋撐自身可作為第一道抗震防線，耗散地震輸入的能量，故裝配式耗能腋撐框架減震體系可以有效減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷[145-146]。
圖21 裝配式耗能腋撐框架減震體系
功能自恢復(fù)連梁結(jié)構(gòu)體系
可更換連梁是一種在地震后易于修復(fù)或更換的連梁。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對可更換連梁進(jìn)行了大量研究[147-148]，可更換連梁的類型主要有金屬耗能型可更換連梁[149-151]、摩擦耗能型可更換連梁[152]、黏彈性耗能型可更換連梁[153-154]、復(fù)合型耗能型可更換連梁[155]等?？筛鼡Q連梁在一定程度上可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后功能可恢復(fù)，但可更換連梁存在震后更換成本高、安裝周期長，可更換連梁與結(jié)構(gòu)的連接件變形或破壞后難以更換等問題。為解決上述問題，周云[156,56]提出功能自恢復(fù)連梁結(jié)構(gòu)體系，即通過在結(jié)構(gòu)最不利的部位設(shè)置具有震后自恢復(fù)功能的消能裝置，經(jīng)過合理的設(shè)計和構(gòu)造措施使得主體結(jié)構(gòu)在地震作用下保持彈性或微損傷，且震后消能裝置功能可自動恢復(fù)，從而實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)可持續(xù)的全壽命目標(biāo)。設(shè)計了一種與之相適應(yīng)的鉛黏彈性連梁阻尼器，如圖22所示。地震作用下，設(shè)置在連梁跨中的鉛黏彈性連梁阻尼器同時利用鉛芯的剪切和擠壓變形與黏彈性材料的剪切變形耗散地震能量，可更好地保證主體結(jié)構(gòu)的安全[157]。
圖22 功能自恢復(fù)連梁結(jié)構(gòu)體系示意樓梯間是具有重要建筑使用功能的通道，然而地震中樓梯間常發(fā)生嚴(yán)重的震害，極大阻礙了災(zāi)害發(fā)生后建筑物內(nèi)人員的逃生。國內(nèi)外學(xué)者對樓梯間抗震性能、機(jī)理及其改進(jìn)措施等開展了大量研究，積累了豐碩的研究成果[158]。
為解決普通樓梯梯板的支撐效應(yīng)，周云[159]通過切斷普通樓梯梯板與梯梁的強(qiáng)連接，在斷開處設(shè)置消能減震支座（如黏彈性阻尼器），形成消能減震樓梯，減震支座構(gòu)造如圖23(a)所示。同時，為解決樓梯間中普通填充墻自身剛度過高帶來的震害問題，保護(hù)樓梯間的墻體，將樓梯間的普通填充墻改造為阻尼填充墻，周云[159]提出具有“空間阻尼器”減震效果的消能減震樓梯間，其構(gòu)造如圖23(b)所示。水平地震作用下，由于梯板與梯梁之間設(shè)置了減震支座，使梯板與梯梁的剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接，減小了樓梯間的抗側(cè)剛度，保護(hù)了梯板等樓梯構(gòu)件，同時減震支座的剪切滯回變形耗散一定的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。樓梯間框架發(fā)生往復(fù)變形時，阻尼填充墻相鄰砌體單元間產(chǎn)生相對位移而迫使阻尼層剪切滯回變形，耗散地震能量，保護(hù)墻體本身不產(chǎn)生破壞[160-161]。
消能減震結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計方法基于性能的抗震設(shè)計方法由Bresler等[162]提出，我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2001）[163]中引入了基于性能的抗震設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。周云與歐進(jìn)萍等最早將其推廣應(yīng)用于結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域及消能減震結(jié)構(gòu)分析[164-166]。隨后，周云等先后提出基于性能的消能減震加固設(shè)計理論框架[167]、基于性能的消能減震結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計方法[168]、基于能量的消能減震結(jié)構(gòu)風(fēng)振設(shè)計方法[169]與基于黏滯阻尼器耗散功率的消能減震結(jié)構(gòu)風(fēng)振設(shè)計方法[170]。消能減震結(jié)構(gòu)附加阻尼比計算方法消能減震設(shè)計中，附加阻尼比是關(guān)鍵參數(shù)，其計算結(jié)果準(zhǔn)確與否對評估消能部件耗能效率、消能減震方案的可行性等具有決定性影響。近年來，國內(nèi)外學(xué)者先后研究提出了應(yīng)變能法、能量比法、自由振動衰減法、減震系數(shù)法、功率法、隨機(jī)減量法等多種附加阻尼比計算方法[171-177]。
應(yīng)變能法是我國現(xiàn)行規(guī)范采用的計算方法，亦為目前應(yīng)用最為普通的計算方法。其通過消能器在外荷載作用下耗散的能量與消能減震結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的總應(yīng)變能的比值來表征附加阻尼比。針對應(yīng)變能法，國內(nèi)學(xué)者[178-179]對設(shè)置黏滯阻尼器、BRB等消能器的結(jié)構(gòu)附加阻尼比計算方法與設(shè)計方法進(jìn)行研究，周云等[171,180]提出應(yīng)變能法時變計算方法。能量比法是近年新提出的附加阻尼比計算方法，其通過結(jié)構(gòu)模態(tài)耗能與模態(tài)阻尼比之比等于消能器總耗能與附加阻尼比之比計算附加阻尼比。目前，已有學(xué)者[171,175]對能量比法附加阻尼比計算時刻的選取等問題進(jìn)行了研究，給出了取值建議。由于能量比法概念簡單，物理意義明確，其將成為未來較好的附加阻尼比計算方法。消能子結(jié)構(gòu)作為消能減震結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，其承載力與延性必須得以保證，從而保證阻尼器發(fā)揮作用?！督ㄖ軠p震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297—2013）[16]指出，為使阻尼器按預(yù)期耗能，需保證子結(jié)構(gòu)構(gòu)件不先于阻尼器發(fā)生破壞。此外，新疆《建筑消能減震應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（XJJ 075—2016）[181]給出四種子結(jié)構(gòu)驗算（或設(shè)計）方法，云南《云南省建筑消能減震設(shè)計與審查技術(shù)導(dǎo)則（試行）》[182]也給出了相應(yīng)的子結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。
雖然《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297—2013）對消能子結(jié)構(gòu)設(shè)計及驗算給出明確規(guī)定，但僅為原則性指導(dǎo)，未給出具體的子結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗算方法，實際可操性不強(qiáng)。而新疆和云南規(guī)程的設(shè)計方法則不統(tǒng)一，未全面考慮《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297—2013）子結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。針對上述問題，周云等提出消能子結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計方法，即使用彈性分析得到的力完成消能子結(jié)構(gòu)的設(shè)計與驗算，并考慮在既定抗震等級下同時提高子結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性和承載能力[183-184]。隨著我國消能減震工程應(yīng)用的不斷推進(jìn)，消能減震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和產(chǎn)業(yè)化水平不斷提高，目前已初步形成一套較完整的消能減震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。
2001年，國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2001）[163]頒布實施，將消能減震內(nèi)容納入其中，給出了關(guān)于消能減震設(shè)計的基本要求。該規(guī)范的修訂版分別于2010年、2016年頒布，新修訂的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）[185]總結(jié)了2008年汶川地震震害經(jīng)驗，在修訂中擴(kuò)大了消能減震房屋的適用范圍，調(diào)整和補(bǔ)充了房屋消能減震設(shè)計的相關(guān)要求。2007年，建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑消能阻尼器》（JG/T 209—2007）[186]頒布實施，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了建筑消能阻尼器（黏彈性阻尼器和黏滯阻尼器）的術(shù)語和定義、分類和標(biāo)記、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存。該標(biāo)準(zhǔn)的修訂版于2012年頒布，新修訂的《建筑消能阻尼器》（JG/T 209—2012）[187]修改補(bǔ)充了原有2007標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于“黏彈性阻尼器和黏滯阻尼器”的定義和規(guī)定，同時增加了“金屬屈服型消能器和屈曲約束耗能支撐”的內(nèi)容和要求。2009年，國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集《建筑結(jié)構(gòu)消能減震（振）設(shè)計》（09SG610-2）[188]頒布實施，主要給出了黏滯消能器、黏彈性消能器、金屬屈服型消能器和摩擦型消能器等四種常用消能器與混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)的連接詳圖及黏滯消能部件的計算示例，可用于指導(dǎo)建筑物的消能減震（振）設(shè)計。2013年，國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297—2013）[16]頒布實施，該規(guī)程是國內(nèi)外第一部系統(tǒng)的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程，該規(guī)程結(jié)合我國國情對消能減震結(jié)構(gòu)的限高、抗震等級、構(gòu)造措施和支撐（支墩）、連接板、節(jié)點板等構(gòu)件設(shè)計與構(gòu)造相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定和說明，使設(shè)計人員更容易操作，并給出了消能部件的安裝和驗收方法，便于施工操作和驗收。其頒布實施規(guī)范和促進(jìn)了消能減震技術(shù)在新建和抗震加固結(jié)構(gòu)中的合理、正確應(yīng)用，為消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供技術(shù)支撐，同時以此為契機(jī)，形成一套實用、有效的建筑設(shè)計理念、方法；引導(dǎo)和推進(jìn)消能減震產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、安裝及施工驗收等流程的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，為消能減震技術(shù)的工程應(yīng)用推廣奠定堅實的基礎(chǔ)，并由此逐步提高我國房屋建筑的抗震安全性及工程抗震質(zhì)量；作為國內(nèi)外第一部系統(tǒng)的消能減震行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，表明我國消能減震技術(shù)在該領(lǐng)域達(dá)到國際領(lǐng)先發(fā)展水平。該規(guī)程的頒布實施將引領(lǐng)我國消能減震技術(shù)健康、有序發(fā)展，在抗震、消能減震發(fā)展中具有里程碑式的意義。2018年，工程建設(shè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《建筑消能減震加固技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 547—2018）[189]頒布實施，該規(guī)程結(jié)合我國國情對消能減震加固結(jié)構(gòu)的計算、設(shè)計、構(gòu)造措施等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定和說明，使設(shè)計人員更容易操作，并給出了消能部件的安裝和驗收方法，便于施工操作和驗收。此外，工程建設(shè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《屈曲約束支撐應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的征求意見稿已于2014年2月完成，目前正根據(jù)征求意見進(jìn)行修改及完善。新疆、云南等地方也制訂了相應(yīng)的地方規(guī)范與規(guī)程[181-182,190]。
隨著消能減震技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)大批新建建筑抗震設(shè)計采用了消能減震方案。北京盤古大觀廣場[191]、宿遷市建設(shè)大廈[192]等建筑采用了黏滯阻尼器。天津國際貿(mào)易中心A塔樓[193]在國內(nèi)首次采用了套索型黏滯阻尼器，如圖24所示。北京新機(jī)場采用減震與隔震相結(jié)合的振動控制形式，在隔震層布置了100多套新型黏滯阻尼器，如圖25所示。天津國際貿(mào)易中心C塔樓[194]、上海世博博物館[195]等建筑采用了軟鋼阻尼器。潮汕星河大廈[196]（圖26）、廣州東山錦軒[47]（圖27）等建筑采用了鉛黏彈性阻尼器。上海東方體育中心[197]、天津高銀117大廈[198]、北京銀泰中心[199]等建筑采用了屈曲約束支撐。此外，鉛黏彈性連梁阻尼器已在某碧桂園住宅項目上得以成功應(yīng)用，如圖28所示。
圖24 天津國際貿(mào)易中心A塔樓（套索型黏滯阻尼器）
圖25 北京新機(jī)場（隔震層黏滯阻尼器）
圖27 廣州東山錦軒（鉛黏彈阻尼器）
圖28 某碧桂園住宅項目（鉛黏彈性連梁阻尼器）
一些震損建筑與既有建筑也采用了消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固。比如北京飯店[14]、都江堰市北街小學(xué)藝術(shù)大樓、北京工人體育場、安徽飯店等建筑加固采用了黏滯阻尼器，西安某廣場商用寫字樓加固設(shè)計采用40組開孔式軟鋼阻尼器[61]，郯城縣醫(yī)院、寧波梅墟中心小學(xué)綜合樓、天津泰達(dá)國際學(xué)校國際部等建筑加固采用了屈曲約束支撐。此外，一些工程也開始采用不同類型消能器的混合設(shè)計方法，如采用黏滯阻尼器與屈曲約束支撐的混合設(shè)計方案[200]，該方案在都江堰集能燃?xì)夤巨k公大樓抗震加固與加層改造中也得以應(yīng)用。近四十年來，我國消能減震技術(shù)研究得到快速發(fā)展，并已在我國許多重要工程中得以成功應(yīng)用，有效提高了建筑結(jié)構(gòu)“抗震韌性”以及“城市韌性”，取得了較顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。隨著消能減震技術(shù)不斷發(fā)展，在工程應(yīng)用中也逐漸暴露出一些新問題，同時新的技術(shù)需求與發(fā)展方向也有待研究與拓展，主要為：
（1）消能器研發(fā)需進(jìn)一步規(guī)范和創(chuàng)新。面對日新月異的工程實際需求，需要不斷研發(fā)新型消能器，改進(jìn)現(xiàn)有消能器，以完善其功能，提高其滯回性能、耐久性、可靠性。同時，還應(yīng)持續(xù)推進(jìn)各類性能良好消能器的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，完善現(xiàn)有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范，確保產(chǎn)品質(zhì)量。消能器的檢測與試驗方法要適應(yīng)阻尼器研發(fā)、應(yīng)用的需求。研發(fā)消能減震產(chǎn)品試驗裝置，應(yīng)充分考慮大噸位、長行程、高速度或低速度、多功能、多維度等因素，以滿足疲勞相關(guān)性、速度相關(guān)性、溫度相關(guān)性、頻率相關(guān)性等特性的需要。目前消能減震技術(shù)研究和消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計大多僅基于消能器平面內(nèi)方向受力與變形，忽略了平面外方向的力學(xué)特性與破壞模式，與消能減震結(jié)構(gòu)實際受力與變形情況不符，給實際工程埋下安全隱患。未來應(yīng)著重研究各類型消能器雙向受力下的力學(xué)特性及破壞模式，采取必要措施減小平面外的影響，并建立各類型消能器平面外穩(wěn)定性設(shè)計方法。（4）基于韌性的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法有待研究建立。基于性能的消能減震設(shè)計方法可以很好地滿足業(yè)主對于結(jié)構(gòu)減震性能的要求，但未能在安全性和經(jīng)濟(jì)性以及綜合效益上取得平衡，需進(jìn)一步完善。理論上，基于韌性的減震設(shè)計方法很好彌補(bǔ)了基于規(guī)范和基于性能的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計，目前由于其剛剛起步，還需進(jìn)一步開展更加深入的研究工作。消能減震技術(shù)為建筑抗震設(shè)計和加固改造提供新思路，具有安全、適用、可靠、節(jié)省造價等優(yōu)點，并越來越受到工程設(shè)計人員的關(guān)注和青睞。消能減震技術(shù)將成為21世紀(jì)實現(xiàn)城市抗震韌性、結(jié)構(gòu)抗震韌性的重要手段，具有廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景，必將為減輕地震災(zāi)害做出巨大貢獻(xiàn)。因參考文獻(xiàn)較多，本篇不再復(fù)述，參考文獻(xiàn)可參見《建筑結(jié)構(gòu)》2019年第19期-《消能減震技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展》，作者：周云，商城豪，張超，單位：廣州大學(xué)土木工程學(xué)院。
