建筑结构减震消能设计概述

建筑结构减震消能设计概述

肖竞

肖竞

（云南省设计院集团，云南，昆明，650228）

【摘要】传统建筑在遭遇水平地震作用时，通过结构构件自身的强度和变形，实现“三水准两阶段”的设计要求。使自由振动的振幅稳定减小的作用称为阻尼。由于阻尼，振动体系的能量可由各种机制耗散。对于实际振动的建筑中，能量耗散可来自材料重复弹性变形的热效应以及固体变形时的内摩擦,以及钢结构连接中的摩擦、混凝土微裂缝的张开和闭合、结构构件与非结构构件（填充墙等）之间的摩擦。由于地震的不可预测性，传统抗震设计方法是基于地震发生概率的统计分析来确定地震的强度和特性。结构本身被动的承受水平地震作用，很可能不满足安全性的要求，发生严重破坏或倒塌，造成人员和财产的重大损失。以增加结构阻尼为主的被动耗能减震理论和技术，已普遍用于建筑结构的抗震和抗风，并在提高结构安全和更好的经济性方面，有极大优势。根据消能器耗能机制的不同，可分为速度型消能器和位移型消能器两大类。本文针对这两类消能器分别做出介绍。

【关键词】建筑结构；减震消能设计；速度型消能器；位移型消能器

1．位移型消能器

位移型消能器主要包括金属消能器和摩擦消能器。常用的位移型消能器有软钢剪切消能器、金属弯曲消能器、屈曲约束支撑、铅消能器和摩擦型消能器。以金属消能器运用最为广泛。金属消能器通常用具有良好塑性变形能力的金属材料制作，其良好的塑性耗能在地震往复作用下可以耗散地震能量。耗散的能量与消能器的变形相关。因为具备初始刚度，位移型消能器会给结构附加的刚度，附加的刚度与消能器的工作位移有关。使用了位移型消能器的结构，自振周期会减小。

图1-1位移型消能器力—位移图

根据结构动力学原理，《建筑抗震设计规范》（GB50010-2010）12.3.4条规定，消能消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式计算：

式中：Fi—质点i的水平地震作用标准值。

μi—质点i对应水平地震作用标准值的位移。

《消能减震技术规程》6.3.4条中规定：采用时程分析时，计算消能附加阻尼比时，消能器两端的相对水平位移?udj、质点i对应于水平地震作用标准值的位移ui采用分析结果的包络值。阻尼器的耗能由下式计算，其中阻尼器位移直接由时程计算结果读取，其余为阻尼器参数，由实际选取的消能器型号确定。

Wc=4（?0-?y）（Qy-K0β?y）

?0—阻尼器的实际位移

?y—阻尼器的屈服位移

Qy—阻尼器屈服力

K0—阻尼器初始刚度

β—阻尼器屈服后刚度与屈服前刚度的比值

由于位移型消能器可以有效增加结构阻尼比，同时增加结构的刚度使得结构自振周期变短。位移型消能器对控制结构层间位移效果较显著，但对减小结构的总基底剪力效果有时并不明显。

2．速度型消能器

速度型消能器主要包括粘弹性消能器和粘滞消能器。粘滞消能器通过高粘性的液体在活塞油缸中或墙式油缸中的运动耗能。粘弹性消能器由高分子聚合粘弹性材料和钢板夹层组合制作而成。这种粘弹性材料的应力应变关系还与时间有关，应变滞后于应力的变化。在一定的温度范围内，这种滞后现象十分明显，且滞后的变形运动需要客服较大的阻力。

速度型消能器不改变结构的自振周期，增加了结构阻尼比。可以减小结构的底部剪力和层间位移。但在控制结构层间位移方面没有位移型消能器有效。

3．消能器的布置与连接

消能器的水平布置的位置，应使结构在两个水平主轴的动力特性接近。在竖向位置的布置应使结构竖向抗侧力刚度不发生突变。避免结构发生明显的扭转和形成薄弱层。且在满足建筑功能的前提下，应尽量分散布置。

根据消能器的耗能原理，为提高其耗能效率，宜布置在层间相对位移或相对速度较大的楼层及位置。框架结构一般布置在框架下部跨中位置。剪力墙结构一般布置在结构高度一半以上的连梁处。框架剪力墙结构框架处和剪力墙连梁处均可布置。如结构存在薄弱层，可在薄弱层布置较多的消能器。

间接连接时为保证消能器与主体结构的必须要有可靠的连接，连接方式常用的有直接连接和间接连接。间接连接时，为保证消能器能够正常工作，消能器与主体结构间的连接构件必要具有足够刚度。这样才能使变形主要发生在消能器上，避免因连接构件变形较大导致消能器未发挥出应有的耗能作用。

图3-1间接连接型

为了确保消能减震结构在罕遇地震作用下不发生倒塌，消能减震结构需要保证在主体结构达到极限承载力前，消能部件不能产生失稳、或节点板破坏；为了保证消能部件的安全，其连接节点和构件（子结构）都应进行罕遇地震作用下消能器引起的附加外荷载作用下的截面验算。子结构的截面抗震验算宜符合下列规定：

（1）子结构中梁、柱、墙构件宜按重要构件设计，并应考虑罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应，其值应小于构件极限承载力。

（2）子结构中的梁、柱和墙截面设计应考虑消能器在极限位移或极限速度下的阻尼力作用。

（3）消能部件采用高强度螺栓或焊接连接时，子结构节点部位组合弯矩设计值应考虑消能部件端部的附加弯矩。

（4）子结构的节点和构件应进行消能器极限位移和极限速度下的消能器引起的阻尼力作用下的截面验算。

（5）当消能器的轴心与结构构件的轴线有偏差时，结构构件应考虑附加弯矩或因偏心而引起的平面外弯曲的影响。

4．结语

耗能减震设计是一个复杂的过程，涉及结构从小震到大震的反应，结构构件从弹性状态进入弹塑性状态。在这个过程中根据需上部结构的实际情况，合理选择消能器的类型和数量，在恰当的位置布置消能器。方能设计出安全、合理、经济的耗能减震建筑，使地震带来的人民生命财产的损失降到最低。