基于性能的消能减震设计研究及展望

王文超

(广州大学 广东 广州 510000)

基于性能的消能减震设计研究及展望

王文超

(广州大学 广东 广州 510000)

详细论述了基于性能的抗震设计思想的发展历史，详细介绍了消能减震设计思想的由来以及研究现状。介绍了目前常用的消能减震设计方法，并对基于性能的消能减震设计考虑经济效益提出了展望。

基于性能;消能减震

一、引言

随着我国基础建设的进一步完善，我国对工程建设的规范和要求也在进一步提升。众所周知，我国是一个地震频发的国家，我国的东部沿海地区和西南地区又处在频发地震的地震带上，每年的地震给我国巨大的经济损失和财产损失。随着我国经济的一步步发展，我国对工程的抗震研究也越来越深入，从以前的传统抗震设计思维到避震设计思维再到耗能减震设计思维。耗能减震结构是指在结构中某些部位设置耗能元件或耗能器的结构。它利用耗能元件或耗能器的滞回变形耗能来吸收和消耗地震输人结构的能量，以减小结构的地震反应，从而减轻其破坏，达到减震控震的目的［1］。耗能减震这项技术首先是由美国提出，后来参考之前的基于性能的抗震设计方法发展到基于性能的消能减震设计。我国的基于性能的消能减震设计研究还远落后于美日等发达国家，目前的研究对我国工程抗震的前进具有重要意义。

(一)基于性能的抗震设计思想

上世纪九十年代，人们发现允许结构破坏来消耗地震能量来抗震造成的经济损失非常巨大。美国学者Bertero为了解决工程在抗震设计方面投入与经济效益不成正比的问题，提出了以达到特定的抗震性能目标而进行抗震设计的思路。随后，1992年，美国应用技术委员会ATC－33第一次把基于性能的抗震设计的理论运用于实际工程中，对一栋建筑进行了加固;美国加州工程师协会SEAOCvision2000报告在1995年对基于性能的概念进行了比较具体的论述，并且对于将这一理论运用于实践过程中的关键问题做出了详细的解释;随着对该理论的完善，2003年美国国际规范委员会ICC又颁布了《建筑物及设施的性能规范》，对采用该理论的结构需要满足什么样的性能要求作出了比较系统的统一［2］。随后，在2005年洛杉矶又颁布了Analternative procedure for seismic analysis and design of tall buildings located in the losangelesregion(2005Edition)”［3］简称《洛杉矶性能高规2005》，这标志着美国正式进入基于性能的高层建筑抗震设计阶段，这对高层建筑领域设计是一个非常大的进步。

基于性能的抗震设计思想在美国被提出后，该思想立马受到我国研究人员的关注。自唐山地震以后，我国在《建筑抗震设计规范》GBJll一89提出“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防标准［4］。随后我国颁发的《建筑抗震设计规范》GBJll一2001对建筑抗震设计规范》GBJll一89做了进一步的修订，修改内容包括场地和地基的相关规定［5］。《建筑工程抗震性态设计通则》的提出刚好对国内外的最新抗震科研成果和工程经验进行了比较好的归纳。《通则》在总结结论的基础上提出了一些新颖的抗震设计新概念，其中包括设计地震加速度、结构弹塑性地震反应、结构弹塑性侧移等等。 《建筑工程抗震性态设计通则》的颁布有效地推进了我国建筑行业的整体抗震设计水平的提高，对我国建筑抗震有很大的帮助［6］。

(二)消能减震设计思想

由于强烈的地震并不是经常发生，但设计者在经行结构设计时又必须要考虑抗震设防标准，这样在抗震设计方面的经济投入往往很高却又难有经济效益。1972年美国学者J.T.P.Yao为此提出了在结构中添加另外的装置来进行抗震，由此开辟了结构抗震的新思路——消能减震设计［2］。随后美国联邦紧急事件管理署 (FEMA) 颁布了FEMA273［7］和FEMA274［8］两份文献对消能减技术如何实施做了详细的说明。

而我国的消能减震技术发展比较晚，最初由王光远院士在20世纪80年代初引入结构振动控制概念后，我国对消能减震技术的研究才开始。1998年，周云根据国内外的研究成果并结合我国的抗震规范提出了耗能减震结构的实用抗震设计方法。该方法提出了耗能减震结构所采用的设防目标和性能水准，并对能采用耗能减震设计方法的建筑提出了一些基本要求，同时对实施过程中耗能器布置和选择都做了详细地解释［1］。我国于2001年颁布《建筑抗震设计规范》(GB50011－2001)时对消能减震结构分析与设计方法做了详细阐述。

(三)基于性能的消能减震设计思想

消能减震设计是基于性能抗震设计的一个实现手段，它是传统的抗震设计的深化。基于性能的抗震设计主要是一种指导性设计思想，消能减震设计是具体的实现方法［9］把两者结合起来是建筑抗震设计与加固领域一项新的研究课题。对于该领域我国研究内容还比较少，现在还没有形成系统的框架理论，大部分研究还主要分散在该领域的各个模块。

韩建平等人［10］根据我国抗震规范的要求，并结合黏弹性阻尼器的性能特点提出了一种新的弹性及弹塑性需求谱，该需求谱适用于用于黏弹性阻尼器减震结构抗震分析。同时，提出了采用黏弹性阻尼器进行减震的能力谱分析方法，该方法可以考虑结构高阶振型影响。蒋通等［11］对非线性粘滞阻尼器消能减震得反应谱方法进行了改进。通过数值模拟，分析出了支撑刚度对阻尼器最优减震效果的计算公式。由于实际地震中余震常有发生，为了使结构在余震中仍然满足性能要求，刘淼鑫等［12］提出一种考虑结构损伤的消能减震结构抗震设计方法。该方法基于Park－Ang双参数损伤模型对结构的损伤程度进行评估，通过损伤程度来判断结构的抗震性能。

目前基于性能的消能减震抗震设计的理论框架还不够成熟，虽然对该课题的研究比较多并且在各个小模块已经取得了不少的成就但还需要对该课题进行总结，这也是我国消能减震领域需要继续研究的方向。

二、基于性能的消能减震设计

总结大量研究［13－14］发现，对基于性能的抗震设计主要内容基本概括为性能目标的确定、实现多性能目标的通用设计方法、结构性能评估三个部分。基于性能的消能减震设计也是在基于性能的抗震设计发展而来，目前比较常用的设计方法主要包括基于位移的设计方法和基于能量的设计方法。

(一)基于位移的消能减震结构设计方法

基于位移的抗震设计DBSD(Displacement－based Seismic Design)是指:在一定水准的设计地震作用下，以预期的结构位移反应为设计目标，从而实现结构在设计地震作用下的预期性能要求。直接基于位移的方法自20世纪60年代提出以来取得了一系列的发展成果［15－18］。

Lin等人于2003年提出了基于位移的消能减震结构设计方法，并给出了设计流程。这为以后研究人员对此方法的验证和改进奠定了重要基础。刘鹏飞等认为消能减震结构应该主要考虑结构本身性能，阻尼器应作为辅助工具为结构构件提供抗震能力。基于此设计思想，可将结构等效为单自由度体系进行抗震分析，该方法可以比较精确地反映结构的性能水平。同时，他以传统抗震设防目标为原型，结合基于基于位移的消能减震设计方法，对消能减震性能水平与层间位移角的关系进行量化，通过数值模拟分析表明在各性能水平上该层间位移角均满足要求。总结得出，采用基于位移的设计方法所得的安全系数较高。蒲武川等提出多自由度结构的基于等价刚度调节的阻尼器分配方法，并对比分析了层间位移角与残余变形分别作为控制指标对结构性能的影响。蒋建等发现附加粘滞流体阻尼器的减震结构采用基于位移的方法设计时真实位移反应谱与通过转换得到的位移反应谱的差值随着场地特征周期的增大而增大。汤统壁等采用位移相关型耗能器进行减震，对原结构建立了等效SDOF体系，分析“最佳阻尼比”处结构的性能变化可预测结构安装阻尼器后的有效周期。等效SDOF体系性能曲线的疏密程度也基本可作为判断安装阻尼器位置处的附加刚度较优值的指标。

(二)基于能量的消能减震结构设计方法

20世纪50年代，豪斯纳 (Housner，G.W.)Housner首先提出了结构抗震设计中基于能量来设计的思想，即将结构在地震中的响应视为一个能量输入，地震能量通过结构阻尼和阻尼器累积滞回进行耗散，在整个过程中阻尼器将分担结构本身承受的一部分能量以减少地震对结构的破坏。

在此基础上，周福霖院士提出了针对耗能减震体系比较实用的能量设计方法，导出了耗能减震体系的能量方程，给出了设计耗能减震体系的能量设计公式。其能量平衡关系可以表示为:

式中为相对输入能量;为相对动能;为粘滞阻尼耗能;为结构应变耗能;为阻尼器耗能。

周云等发现采用能量分析设计方法对隔震和耗能减震结构设计时，能明确体现地震动三要素和结构的非线性特性对结构的性能分析的影响。能量设计思想对研究隔震结构具有方法简单、概念明确、合理有效等许多优越性。现阶段抗震规范中常考虑结构需要满足中震弹性要求，李晓文针对消能减震结构弹性模型提出了一种新型能量设计方法，该方法虽然没有考虑结构的塑性变形，但对于实际工程中的小型耗能减震结构有较大的实用性。卜国雄等对采用TMD抗震结构从能量角度分析能准确反映TMD对结构的抗震效果。主结构在整个地震过程中吸收的能量值最小作为优化准则，对TMD进行参数优化时，采用能量法更能反映TMD质量比、阻尼比、频率比与主结构能量的影响关系。

三、展望

基于性能的消能减震结构设计思想由传统的基于性能的抗震设计思想引申而来。对于基于性能的消能减震设计体系中的各个方面包括性能目标，设计方法，破坏准则等等都有待进一步深入研究。我国基于性能的抗震设计相比于美日等国还不够完善，我国实际工程中进行设计时主要还是考虑本身的结构性能设计，而经济效益，设计成本等因素还考虑得较少。对于基于性能的消能减震设计方法，从经济利益方面考虑该方法的有效性也是我们有待研究的重要方向。将消能减震设计思想与实际经济效益相融合将会改变我国高耗能、高成本的工程现状，对我国现有的抗震设计框架理论也将会起到较大的完善作用。

［1］周云，邓雪松，黄文虎.耗能减震结构的抗震设计原则与设计方法 ［J］.世界地震工程1998，14(4):49－56.

［2］章丛俊，李爱群，基于性能的消能减震结构抗震设计思想的研究 ［J］.建筑结构2006，36:51－54.

［3］ Los Angeles Tall Buildings Structural Design Council.Analternative procedure for seismic analysis and design of tall buildings located in the losangelesregion［S］.2005Edition.

［4］GBlJl一89，建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，1989.

［5］陈国兴.中国建筑抗震设计规范的演变与展望［J］.防灾减灾工程学报，2003，23(1):102－113.

［6］刘大海，杨翠如，曾凡生，王敏.建筑抗震设计的新概念——对《建筑工程抗震性态设计通则》的理解［J］.建筑结构，2006，36(1):89－95.

［7］ FEMA273，NEHRP guidelines for the seismic rehabilitation of building. Washington， DC:FederalEmergency ManagementAgency，ASCE，1997.

［8］ FEMA274，NEHRP guidelines for the seismic rehabilitation of building. Washington， DC:FederalEmergency ManagementAgency，ASCE，1997.

［9］许晨明，隋杰英.消能减震在基于性能的抗震设计中的研究［J］.青岛理工大学学报，2009，30(3):45－50.

［10］韩建平，阎茹，李慧.基于性能的黏弹性阻尼器减震结构抗震设计 ［J］.地震工程与工程振动，2008，28(1):175－181.

［11］蒋通，贺磊.非线性粘滞阻尼器消能结构减振效果分析［J］.世界地震工程.2005，21(2):57－63.

［12］刘淼鑫，谭平，魏路.基于损伤性能并考虑主余震作用的消能减震结构抗震设计 ［J］.地震研究，2015，38(3):480－486.

［13］朱玉华，黄海荣，骨玉祥.基于性能的抗震设计研究综述［J］.结构工程师，2009，25(5):149－153.

［14］孙俊，刘铮，刘永芳.工程结构基于性能的抗震设计方法研究［J］.四川建筑科学研究，2005，31(3):98－101.

［15］ Kowalsky M J.R C structural walls designed according to UBC and displacement－ based methods［J］.Journal of Structural Engineering，2001，127(5):506～516.

［16］ Medhekar M S，Kennedy D JL.Displacement－based seismic design of building－theory［J］.Engineering Structures，2000，22(3):201～209.

［17］ Kowalsky M J，Priestley M JN，Macrae G A.Displacementbased design of RC bridge columns in seismic regions［J］.Journal of Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1995，24:1623 ～1624.

［18］ Calvi G M，Kingsley G R.Displacement－based seismic design of multi－degree－of–freedom bridge structures［J］.Journal of Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1995，24:1247～1266.

The research and prospect of the performance－based elimination and damping design

WANG wenchao
(Guangzhou University，Guangdong Province，510000)

The development history of the design based on performance is discussed in detail，and the origin and research status of the design of the shock absorber design are introduced in detail.In this paper，the design method of eliminating energy shock absorber is introduced，and the economic benefit is proposed.

performance－based，energy dissipation

王文超 (1992－)，男，汉族，湖南，在读硕士，广州大学，研究方向:结构工程。