消能减震技术在结构中的应用

孙　万

(山西省建筑设计研究院，山西 太原　030013)



消能减震技术在结构中的应用

孙万

(山西省建筑设计研究院，山西 太原030013)

介绍了建筑结构消能减震的概念，探讨了消能减震技术在结构设计中常用的方法，并结合工程实例，从层剪力与层间位移角两方面，对比分析了设置消能器的结构和原结构的抗震性能，指出消能减震设计能够增加结构的安全性。

消能减震技术，阻尼比，剪力，位移角

0　引言

地震是一种自然现象，是突然释放的地球内部能量，使得地球快速震颤，地震作用是由于地震通过地震波释放巨大的能量，引起了地面运动的动态效应，由于地震的突发性，破坏面积大，灾难性，因此要求建筑物具有一定的抗震性能，以达到结构抗震，使其在地震作用中发生最小的损伤，减轻财产损失。

现阶段的大部分建筑物采用三水准、两阶段设计方法，允许结构中的部分次要构件产生一定的塑性损伤变形，利用结构本身的延性和变形来消耗传来的地震能量使建筑物在地震时实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”。但是对于采用了消能减震装置的结构，形成了新的结构系统，附加的消能减震装置使得原结构承受的地震作用显著减小，从而减轻主体结构的损害程度。

1　结构设计

减震控制技术主要包括消能减震、隔震减震、质量调谐减震和主动控制减震。本篇主要介绍结构消能减震。

结构消能减震体系，就是把结构物的某些非承重构件设计成消能构件，或在结构的某些部位(层间空间、节点、联结缝等)装设消能装置。在风或小地震时，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。当发生中、强地震时，随着结构侧向变形的增大，消能构件或消能装置率先进入非弹性状态，提供较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，从而保护主体结构及构件在强震中免遭严重破坏，确保结构安全。

由于消能部件给结构附加了阻尼，所以结构的等效阻尼比会增加，随着阻尼比的增大，地震影响系数曲线下降，结构地震作用下降。通过增设消能减振装置提高结构总体的阻尼比来满足结构在地震作用下的需求。

消能器分位移相关型消能器与速度相关型消能器。位移相关型消能器会给结构带来额外的附加刚度，因此在使用位移相关型消能器的时候，结构的自振周期会变短。消能器给结构附加的刚度与消能器的工作位移有关，当位移型消能器达到工作位移时，其割线刚度即为消能器的等效附加刚度。位移相关型消能器对于减小结构的总基底剪力效果有时候并不显著但是对于控制结构位移效果非常显著。速度相关型消能器并不改变结构周期，但是可以更有效减小结构的基底剪力。而且在控制结构位移响应方面不如位移相关型消能器的效果好。

2　工程实例

2.1工程简介

取一工程进行试算，现钢筋混凝土框架结构见图1。地下1层，层高为4.6 m，地上4层，层高为3.7 m，建筑总高度为15.10 m。8度抗震设防(0.2g)，设计地震分组为第一组，特征周期为0.45 s，Ⅲ类场地。按照GB 50011—2010建筑抗震设计规范中的规定在8度区，高度不大于24 m的建筑框架抗震等级为二级。采用减隔震技术。考虑到结构特点和消能减震效率，本工程拟采用粘滞阻尼墙作为消能减震元件。粘滞阻尼墙可为结构提供附加阻尼，却不会为结构提供附加刚度。

2.2结构计算

本布置方案选用的VFW型号及详细参数如表1所示。

表1　VFW型号及详细参数表

楼层X向Y向VFW型号数量/台VFW型号数量/台4YSX-VFW-300-352YSX-VFW-300-3523YSX-VFW-300-352YSX-VFW-300-3522YSX-VFW-300-352YSX-VFW-300-3521YSX-VFW-300-352YSX-VFW-300-352X向合计8台Y向合计8台总计16台

墙式粘滞消能器又叫做粘滞阻尼墙(Viscosity Fluid Damping Wall，VFW)。VFW内置阻尼液体，本身不提供静刚度，增设后不影响结构的周期和振型；其滞回曲线呈椭圆形，在结构最大位移时刻阻尼力为0，在结构位移为0的时刻提供最大阻尼力。

通常粘滞消能器力学模型可以表达为下式：

F=CVα

(1)

其中，F为阻尼力，kN；C为阻尼系数，kN·(s/m)α；V为消能器两端节点的相对速度，m/s；α为速度指数，常在0～1之间。

VFW的主要构成单元是充满粘滞体的外部钢板(粘滞体容器)和插入其中的内部钢板(阻抗板)。其固定于楼层底部的钢板槽内填充粘滞液体，插入槽内的内部钢板固定于上部楼层，当楼层间产生相对运动时，内部钢板在槽内粘滞液体中来回运动，产生阻尼力。这种阻尼墙可提供较大的阻尼作用，不易渗漏，且其墙体状外形容易被建筑师接受。

本工程采用中国建筑科学研究院开发的PKPM有限元软件、清华大学土木工程系开发的EDStrucDesign程序进行结构计算。PKPM软件尚无法有效的模拟非线性单元的特性，故在此结合清华大学土木工程系开发的EDStrucDesign程序进行迭代计算，通过EDStrucDesign程序计算得到的附加阻尼比，通过在PKPM前处理时调整结构的阻尼比来考虑。

附加阻尼采用GB 50011—2010建筑抗震设计规范第12章中给出的方法进行计算。本工程中VFW的设计计算结合消能减震结构设计程序EDStrucDesign进行消能器的附加阻尼比的迭代计算。

X向与Y向附加阻尼比计算结果见表2，表3。

根据等效线性化方法进行迭代计算，消能器为结构提供的附加阻尼比结果：结构总阻尼比取较小值9.6%。

通过分析表4数据可见消能减震设计方案结构的层剪力为原结构的81.29%～84.50%。地震荷载明显减小。

通过分析表5可见消能减震设计方案结构的层间位移角为原

结构的79.77%～80.51%。层间位移角得到有效控制。

表2　X向附加阻尼比计算结果

表3　Y向附加阻尼比计算结果

表4　剪力表

表5　位移角表

3　结语

本篇对比分析设置消能器的结构和原结构的层剪力、层间位移角等数据。最后，可以得到结论，消能减震设计方案能够有效的改善结构性能，增加结构的安全性。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[2]潘鹏.建筑结构消能减震设计与案例[M].北京:清华大学出版社，2014.

[3]周云，张文芳，宗兰.土木工程抗震设计[M].北京:科学出版社，2011.

The application of energy dissipation damping technology in structure

Sun Wan

(ShanxiArchitecturalDesignandResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper introduced the concept of building structure energy dissipation damping, discussed the common method of energy dissipation damper technology in structure design, and combining with the engineering examples, from the shear layer and inter layer displacement angle two aspects, compared and analyzed the seismic performance setting of structure and original structure of effectiveness, pointed out that the energy dissipation damping design could increase the safety of structure.

energy dissipation damper technology, damping ratio, shear force, displacement angle

1009-6825(2016)08-0068-02

2016-01-10

孙万(1987- )，男，助理工程师

TU352

A