浅论耗能减震钢结构基于性能的抗震设计方法

邓秀梅 国玉强 贾存华

摘 要：传统的抗震技术采用的是“硬抗”的方法，是通过提高结构的强度、刚度等途径来抵抗地震。但是，像工业厂房、醫院、通讯中心类的配备有高精密仪器的建筑，对抗震设计的要求很高，采用传统依靠建筑吸能抗震的设计方法已不能满足要求。本文主要探究了耗能减震结构基于性能的抗震设计方法。

关键词：耗能减震钢结构；性能；抗震设计方法

为了提升城市建筑的抗震能力，人们提出了基于性能的耗能减震钢结构。耗能器运作过程中具有非线性特征，影响原有结构的动力性，对动力反应产生负面影响，耗能减震钢结构就要消除这种影响。设计这种结构的最大难点就是耗能器运作的非线性，如何采用合适的方法使设计更加简便，是设计人员需要认真研究的问题。

一、耗能减震结构体系的特点

耗能减震技术作为一种结构被动控制措施，是在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置耗能装置（或元件），通过耗能装置产生摩擦，弯曲（或剪切、扭转）弹塑性（或粘弹性）滞回变形耗能来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主体结构地震反应，从而保护主体结构的安全。

1.从动力学观点看，相当于增大结构的阻尼，使结构的响应变小；

2.从能量观点看，结构本身的振动能量是一定的，通过消能装置消耗掉一部分能量，使结构本身需消耗的能量减小；

3.在小震或风荷载作用下，耗能减震装置不产生滑动或耗能材料不进入塑性滞回耗能状态，耗能减震结构相当于主体结构的普通支撑框架体系，有足够的刚度来控制侧向变形，结构体系处于弹性状态；

4.在中震或大震作用下，耗能减震装置在主体结构屈服前产生滑动或者耗能材料进入塑性滞回耗能状态，消耗大量输入给主体结构的地震能量，避免或延缓了主体结构构件的屈服，一定程度上达到了保护主体结构的目的；

5.耗能减震体系与主体结构间不产生相对运动，它通过消能装置的相对变形和相对速度提供附加阻尼，以消耗输入结构的地震能量，达到预期耗能减震要求。

二、耗能减震钢结构基于性能的抗震设计

1.设计过程

本设计主要针对位移相关型耗能器，对现有研究成果进行优化和改进，实现简化目标，具体步骤如下：首先，要建立一个等效SDOF体系，在设计中包括原结构和耗能减震结构，耗能减震结构SDOF体系中，我们假设主体钢结构保持良好的弹性状态，支撑结构的弹性状态始终没有发生变化，也就是说耗能器始终在理想状态下运行。然后分别计算产生屈服、位移以及不产生屈服、位移时的结构刚度，钢结构耗能支撑选择双线型模型，分析推导等效周期、等效刚度以及等效阻尼比之间的关系，得出一个关系函数，反应几者之间的关联。由于设计主要是针对耗能器工作时的非线性问题，因此要求耗能减震钢结构具有良好的稳定性，抗震能力足够强，避免被破坏。所以，滞回耗能曲线的设计要区别于一般钢结构，不允许钢结构出现性能退化问题，最终将有效阻尼比模型确认为恢复力模型，具备"无退化"特性。推导计算完成、模型确认以后，需要将计算结果以及模型作为依据，绘制出性能曲线，反应位移减小率与基底剪力减小率之间的关系。曲线绘制完成以后，需要分析结构的非线性时程，根据模型以及性能曲线中的参数设计钢结构，之后形成一个三维结构模型，分析其非线性时程，可以根据实际需要对其中的一些参数做出调整，在满足抗震要求的前提下尽量将设计简化，避开迭代计算过程。

2.实例分析

某小型企业的办公楼为钢结构，共有七层，层高3.7米，八度抗震设防烈度，周期折减系数为0.9，钢结构的阻尼比为3.5%。按照步骤设计模型，计算相关参数，绘制成性能曲线。在曲线图中找出最佳阻尼比，探究该处的性能参数，如果处于小震环境下，对支撑结构的刚度没有过多要求。如果处于中震环境下，需要提升支撑结构的刚度，此时在绘制性能曲线的过程中我们会发现其中包含的性能点更多、更加密集，随着附加刚度的增加，拐点变得越来越突出，基底剪力降低率也没有发生太大变化，因此附加刚度可以适当增加，但是不能太大，否则地震作用就会被放大，反而达不到理想的减震效果，钢结构还会遭到破坏。研究以后，最后将一层至三层、四层至六层建筑钢结构的弹性刚度分别确定为每毫米350千牛和每毫米150千牛。

本设计中，建筑顶层并没有设置耗能支撑结构，楼层位移会对震动产生放大效应，但是从整体上来说，最大层间位移可以满足抗震要求，能够起到耗能抗震目标。值得注意的是，以上分析中是将最初描述的假设作为前提，假设耗能器进入非线性反应阶段。如果想要明确所设计的结构是否能够满足实际抗震要求，需要重新对其进行非线性分析，观察实际运作中钢结构的真实反映状态。

三、结论分析

首先，设计过程中要参照SDOF体系，不同性能点对应不同的等效周期，可以将此作为依据来估算耗能器的实际周期，一般情况下比等效周期小11%至16%之间，最后可以利用该数值估算钢结构起到多大的减震作用。

其次，在SDOF体系中，不同性能点也对应不同的有效阻尼比，可以将此作为依据估算实际结构的最大阻尼比，估算时需要参照相对位移，将最大楼层作为计算标准。减震钢结构实际运作时，耗能支撑会发生变化，耗能能力逐渐下降，减震能力也就随之下降，因此实际附加阻尼比仅仅可以达到理想值的60%至70%，可以将这一数据作为参照预估耗能减震结构的实际减震能力，为抗震设计提供参考。

第三，等效SDOF体系在某种角度上可以反映出耗能减震结构与地震波性能之间的变化关系，我们可以从曲线中观察出地震波特性。同时，曲线中的性能点有两个直观特性，一个是疏密程度，另一个是拐点，从这两个直观特性上可以做出以下判断：一是支撑结构的附加刚度如何，二是初始屈服位移有多大，这样耗能减震钢结构在设计时就能够与减震目标更加接近。

最后，有必要对高层钢结构以及不规则钢结构进行进一步研究，特别是考虑结构高阶振型影响及扭转效应等多个因素的影响，根据设计目标选择合理的性能设计方法，满足设计要求。

总结，将建筑中的非承重构件设计成为耗能杆件，或者是在关键位置设置耗能器，可以有效吸收地震能量，提升建筑物的抗震性能。由于现代建筑中大多数钢结构居多，因此本文对耗能减震钢结构的设计进行研究，设计过程中将"性能"作为基础，考虑到钢结构的刚度以及弹性形变等，针对耗能器运作过程中的非线性进行研究，将复杂的设计简化，在满足耗能减震、抗震的要求下，兼顾经济性，具有广阔的应用前景。

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