建筑結(jié)構(gòu)中消能減震關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)探討

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(集團)有限公司:高承勇總工程師
 
高承勇：各位朋友，大家下午好！針對消能減震這個設(shè)計方法進行了某些思考，所以提出來跟大家探討一下。我下面想從四個方面跟大家做一個介紹。

現(xiàn)階段我們國家的抗震理論來看一個是承載力方面，第二個是位移設(shè)計，是隨著人們對抗震的認(rèn)識、深入發(fā)展而起來的。位移為主要設(shè)計參數(shù)的設(shè)計方法，目前基于性能的設(shè)計主要還是基于位移的設(shè)計。第三個是能量設(shè)計。結(jié)構(gòu)的抗震能力是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)。大家知道由于結(jié)構(gòu)在強震的作用下產(chǎn)生了屈服，進入一次性變形的階段，結(jié)構(gòu)的剛度、制震周期都會發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的變化并不取決于順時的地震作用，地震的變形能力和耗能能力的不足才是在強震作用下倒塌的原因。

所以能量設(shè)計的方法主要是想通過構(gòu)件的抗震能力來達到抗震的目的。位移設(shè)計和能量設(shè)計常用的措施有這么幾個：主要是合理的選取結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件、有效控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能，設(shè)置抗震多道防線，包括了布置抗能構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)抗震能力的主要措施，包括合理的結(jié)構(gòu)體系選擇，耗能機制的指定，后面紅色的都跟我們消能減震有直接的關(guān)系。

位移和能量演變的設(shè)計思想，主要是遭遇小震的由主體結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，部分的耗能裝置或者是構(gòu)件可能發(fā)揮作用，但是要視具體情況而定，保證結(jié)構(gòu)的正常使用。遭遇較大地震的時候耗能元件發(fā)揮作用，增加結(jié)構(gòu)的耗能能力，隔震、改變結(jié)構(gòu)特性以減少地震輸入等，來保證主體結(jié)構(gòu)的安全和功能性。優(yōu)點是設(shè)計概念明確、結(jié)構(gòu)體系層次清晰，提高了設(shè)計的可靠性，通過耗能元件高效耗能，增強了主體結(jié)構(gòu)對地震動的性能。

這是整個一個設(shè)計思想。通過實驗表明耗能可以做到消能地震能量的90%以上，常用的消能減震優(yōu)化設(shè)計的措施是主動控制、被動控制的耗能能量，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計。

第二部分我想講一下阻尼器耗能的原理和設(shè)計流程。耗能減震的原理主要是通過耗能構(gòu)件來消耗地震作用的能量，來減輕振動。從能量的觀點來講，如果地震輸入是一定的話，耗能構(gòu)件的性能提高，那結(jié)構(gòu)的耗能能力就降低，就會減少，從動力學(xué)的觀點來講，跟耗能相比的作用相對于耗能阻力的提高，可以使得結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)減少。耗能結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的分析我們現(xiàn)在采用的是非線性的分析方法。可以通過下面的公式來計算。阻尼比超過20%的時候，用常用的地震分析可能會引起較大的地震誤差。

阻尼器大致上分為兩種，一種是與速度相關(guān)的粘彈性阻尼器，還有一種是以摩擦或者是金屬屈服為特征的位移相關(guān)性阻尼器。阻尼器的安裝部位大致上有這幾種：一種是安裝在支撐處，另外一組安裝在梁柱連接處，或者是剪力墻的連接處，再或者是框架與剪力墻的連接處。這是幾種常用的耗能軟件。

耗能支撐有幾種形式，一種是交叉型的耗能阻尼器，還有一種摩擦耗能支撐，還有耗能偏心支撐，耗能偶撐。

這里有一張關(guān)于阻尼器運用的列表對比，由于時間關(guān)系我想不在這里做詳細(xì)的介紹了。

接下來我想講一下耗能結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本流程。和傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相比，耗能結(jié)構(gòu)的設(shè)計既有相同的地方，也有獨特的一面，耗能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括兩部分的內(nèi)容。首先是耗能減震裝置的設(shè)計，其次還有數(shù)值計算校核階段。

現(xiàn)在常用的分析軟件大致上有這么幾種，一個是Linear，還有SAP2000，關(guān)鍵是要進行模擬。

接下來我介紹幾個應(yīng)用的案例。一個是上海古北的高層辦公樓，從這個辦公樓的平面圖中可以看出核心層是偏的，所以抗震性不是很好。通過這個阻尼器來解決問題。這幢樓15層高。我們在這里布置的是約束支撐，為了說明它的效果，我們把它做了兩種，一種是把設(shè)置做了一些比較，設(shè)置支撐，還有一種是普通的支撐。從這個比較來看它的位移結(jié)構(gòu)減少，另外它的性能也比較好。

這里做了一些經(jīng)濟性的對比。我們可以通過對比來發(fā)覺，在地震作用大的時候確實支撐的耗能能力比較明顯，與普通的鋼支撐結(jié)構(gòu)相比來看，效果比較明顯。因此它不僅會提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，還因此帶來工程造價和工程修復(fù)費用也會降低，應(yīng)該說會有客觀的經(jīng)濟效益。

第二個工程是某醫(yī)院的干部保健樓。這幢樓在結(jié)構(gòu)方案時候做了4種方案比較。第一種方案是普通的鋼框架支撐結(jié)構(gòu)方案。第二種方案是鋼框架加上消能支撐結(jié)構(gòu)。第三個方案是框架剪力墻結(jié)構(gòu)，第四種是組合結(jié)構(gòu)的方案。對這四種結(jié)構(gòu)方案進行了一個比較，從這個比較當(dāng)中可以看出，方案二的結(jié)構(gòu)是相對合理的，方案一材料的消耗量較大，經(jīng)濟性相對來說較差，方案三在中震的時候，大量構(gòu)件的截面加大的可能性沒有，而且材料消耗很大。第四個方案中震材料的消耗量過大。所以最后選擇了第二種方案。這個是阻尼器的布置平面位置，還有安裝的示意圖。

從這個工程來看，后來經(jīng)過方案比較以后又做了一些修改，主要是考慮到這個結(jié)構(gòu)首層的層高比較高，經(jīng)過優(yōu)化，首層采用了普通的鋼結(jié)構(gòu)，上面大部分采用了帶阻尼器的效應(yīng)支撐。

接下來另外一個工程案例是上海的世貿(mào)國際廣場，它的特點挑空結(jié)構(gòu)，這個挑空偏離裙房，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)很嚴(yán)重，通過在主樓和裙房之間設(shè)置阻尼器來解決挑空的問題。這是阻尼器連接的點，這是兩種方案的比較，一種是主樓和裙房沒有連接的方案。一種是主樓和裙房之間采用阻尼連接的方案。從這兩個方案的比較來看，裙房的位移是大大減少的。

這個項目增設(shè)了阻尼器以后，小震作用下主樓所受到的剪力增加了，而廣場和裙房的剪力相對減少，在大震情況下的影響不是很大，雖然地震大大增加，但是阻尼器增加不是很多。所以由于阻尼器的耗能作用，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)大大減少。這個是超高層，增設(shè)了阻尼器以后，裙房的位移相對大，而主樓的位移普遍有所減少，這表明了阻尼器在傳遞著裙房與主樓上所受風(fēng)的壓力。這是阻尼器在風(fēng)載作用下的情況。

另外一個案例是北京某賓館的改造。它原來是一個3、4層的層面，然后中間有兩條縫，但是這個縫的寬度有限，經(jīng)過計算這個建筑會相碰，這個是兩條曲線，一個是沒加阻尼器前的，一個是加了阻尼器后的結(jié)構(gòu)對比。

最后一部分我想針對消能減震關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)來給大家介紹一下。消能減震技術(shù)有多種形式，阻尼器是通過增加結(jié)構(gòu)體系，被動式的消能方式，在國內(nèi)和國外一些國家結(jié)構(gòu)中作為常規(guī)的消能減震措施，近年來消能減震逐漸被我國建筑界所接受。地震以來，不斷加深，尤其是國內(nèi)外抗震規(guī)范系統(tǒng)的差異引起的阻尼器應(yīng)用盛行問題，阻尼器的側(cè)向穩(wěn)定問題等，所以我們想將這些問題提出來做一些討論。

從分析技術(shù)來講，現(xiàn)在常用的分析技術(shù)有兩種：一種是基于等價線性化分析的方法。這種方法目前都是先假設(shè)阻尼器在消能減震結(jié)構(gòu)中的阻力和變形量。在地震作用過程當(dāng)中消能減震結(jié)構(gòu)，各種阻尼器也會因為設(shè)置方式的位置不同而有不同阻尼器和變形量。對消能減震的分層反應(yīng)也有很大的影響。第二種是我們現(xiàn)在常用的靜力非線性分析。進行靜力非線性分析的時候，阻尼器單元并無法使用其非線性功能，僅能是線性行為?？煽啃院瓦m用性，加上提供有效幫助的阻尼器，使方法并沒有計算出阻尼器提供給主結(jié)構(gòu)的有效幫助。

我們考慮解決的方法有兩種，一種是基于等價線性化分析的方法可以依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范第12章中利用等價線性化方法并配合在計算力學(xué)中常用的迭代方法來解決。

第二個方面的探討就是要考慮阻尼器的極限變形能力?，F(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，消能減震主要是為了減少主結(jié)構(gòu)在地震過程當(dāng)中的反應(yīng)，降低結(jié)構(gòu)部件的負(fù)擔(dān)，必須要保證阻尼器在大震過程中仍然發(fā)揮消能作用。

在我國的抗震分析過程當(dāng)中的小震作用中，我們的抗震作用是小震作用，我們國家強調(diào)小震作用，所以有的時候在考慮經(jīng)濟性的工程，或者是加固性的工程當(dāng)中，阻尼器有的時候考慮在小震的時候發(fā)揮消能和效應(yīng)，并保證大震阻尼器不壞，所以我們在消能減震的設(shè)計上對阻尼器的性能要求實際上要比國外高得多，解決的方法是在我國需要達到3到40倍以上，所以除了計算阻尼器提供給結(jié)構(gòu)的有效剛度，和有效阻尼比以外，還必須注意阻尼器的極限變形能力，避免阻尼器過早的發(fā)生破壞，發(fā)揮消能的作用。要求我們充分了解各類阻尼器的力學(xué)行為，依據(jù)設(shè)計的要求來神圣地選擇產(chǎn)品，來滿足抗震能力的要求。

另外，我們覺得還需要考慮阻尼器的側(cè)向穩(wěn)定問題，主要是過去在研究阻尼器行為的時候一般都是把阻尼器視為單方向的銷。但是我們現(xiàn)在的建筑結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性和不規(guī)則性，以及狀態(tài)的分析表明了復(fù)雜性，解決的方法就是需要保證在地震過程當(dāng)中阻尼器本身和消能部件節(jié)點位置不會發(fā)生破壞，以保證阻尼器的正常發(fā)揮。

最后一個問題是其他要注意的事項。在地心力作用下，阻尼器的水平減弱最好不要超過1/3，主結(jié)構(gòu)的自身具備一定的抗震作用，避免阻尼器在地震過程當(dāng)中無法發(fā)揮預(yù)期的消能效果而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。

第二個是由于疲勞的問題，不能用于抗風(fēng)，而且在抗風(fēng)的設(shè)計當(dāng)中來保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下阻尼器不發(fā)生位移。

第三點就是速度型的阻尼器消能效果和頻率有關(guān)，因此需要依據(jù)不同方向的支撐頻率來做，不能僅用低于震值的頻率來進行計算。

第四，由于加裝速度性阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力計算變得非常復(fù)雜，所以建議用內(nèi)力來考慮結(jié)構(gòu)過程，包括最大相對速度，最大層間的位移，層間加速度來計算，采用最大值計算。

第五點就是消能減震在地震作用的情況下，也就是說在沒有發(fā)生地震的情況下，在平時固定的時段內(nèi)要進行經(jīng)常性的檢測和維護，包括有損壞的話要進行更換。位移阻尼器要做好防繡和防腐的工作。要進行檢測和維護。

好的，我的報告就到這里。謝謝大家！