摘要：相比传统抗震结构体系，消能减震结构具有技术先进、经济合理、安全性好的优势，因此本文对结构设计中的消能减震措施应用进行了分析。
关键词：结构设计；消能减震；应用
消能减震是指通过设置消能器吸收或耗散地震能量，以保护建筑主体结构不受到破坏。目前，消能减震技术在结构设计中已得到了不少应用，并收到明显效果。例如扇形铅粘弹性阻尼器（SLVD）用于钢筋混凝土框架结构的梁柱节点位置，不仅发挥良好的耗能作用，而且保护了核心节点区，有利于实现强节点、弱构件的抗震设计理念[1]。再如针对阻尼器价高劣势，采用与框架结构相结合的消能墙构建双层抗震体系，小震可提高结构刚度，中震开始屈服但仍保持弹性，大震屈服耗能，从而有效保护主体结构[2]。为了用好消能减震技术，本文对结构设计中的消能减震措施应用进行了分析。
1 消能减震原理与消能器分类
1.1 消能减震原理
消能减震可从能量角度来分析，即结构振动的能量平衡原理。令地震输入系统能量为
，系统地震反应的能量（包括动能与势能）为
，系统阻尼能为
，系统非弹性变形能为
，于是有
。对于传统抗震结构来说，
只占5%左右，可忽略，就有
。为了耗散地震能量，结构损坏或倒塌，即
。最后，地震反应终止，即
。对于消能减震结构而言，增加了消能器，令其消耗的能量为
，于是能量平衡方程有
。系统阻尼
可忽略，于是有
。消能器消耗地震能量，即
。于是系统地震反应迅速衰减，即
。使结构免遭破坏，即
。
1.2 消能器分类
根据消能原理，消能器分为位移相关型消能器、速度相关型消能器和复合相关型消能器三类。位移相关型消能器是利用材料自身的塑性滞回耗能能力消耗地震能量，其又可细分为金属消能器和摩擦消能器，金属消能器又包括软钢剪切消能器、屈服约束支撑、铅消能器。速度相关型消能器利用粘滞材料将地震能量转化为热能消耗掉，其又可细分为粘滞流体消能器和粘滞阻尼墙，粘滞流体消能器包括单出杆粘滞阻尼器、双出杆粘滞阻尼器、孔隙式粘滞阻尼器、间隙式粘滞阻尼器等。复合相关型消能器可看作位移相关型消能器和速度相关型消能器的结合，同时具有这两类耗能器的特点，以粘弹性消能器为代表，典型结构是两块可相对移动的钢板之间充填粘弹性材料，地震时能量耗散在粘弹性材料的剪切变形中。
2 消能减震设计方法应用
2.1 设计流程
开始→明确结构消能减震要求→设定消能减震结构设计目标→主体结构初步设计→选择消能器并初步形成消能减震体系→选择分析方法→确定消能器参数并形成最终消能减震体系→计算地震反应并进行抗震验算→消能减震体系构造设计→结束。
2.2 适用体系
根据《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297-2013）第1.0.2条，消能减震结构适用于抗震设防烈度6～9度地区新建与既有建筑结构。
2.3 设防目标
消能减震结构主要用于设防烈度较高或对使用功能有特殊要求的建筑，采用消能减震结构后抗震设防目标比无控结构应有所提高。JGJ 297-2013条文说明第3.1.3条指出，消能减震结构设防性能目标分为三个层次：（1）丙类建筑（如一般工民建、公共建筑等）采用“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标；（2）乙类建筑（如公安消防、医院、学校、通信、动力等）采用“中震不坏，大震可修”的设防目标；（3）甲类建筑（如人民大会堂、核武器储存室等）采用“大震不坏”的设防目标。
2.4 消能器的选择
选择消能器时，应根据各类消能器特点及建筑对消能减震要求两方面来考虑。速度相关型消能器在很小位移下就能达到一定阻尼值并发挥耗能作用，所以适合水平位移要求严格、设防目标较高的建筑。位移相关型消能器达到足够大的相对位移才能屈服耗能，并在耗散地震能量的同时提供一定的侧向刚度，适合水平位移要求不严、设防目标不高的建筑。例如某医院门诊楼（既有建筑）设定罕遇地震下轻微到中等损坏的性能目标，层间位移要求较严，但为了调整扭转已加入一定数量屈曲约束支撑（BRB），刚度已充足，所以选择粘滞阻尼器作为消能器。
2.5 消能器的布置
JGJ 297-2013第6.2.1条规定，消能器布置应使结构在两个主轴方向的动力特性相近，使结构在沿高度方向刚度均匀。为提高消能减震效率，应在相对位移或相对速度较大的楼层布置消能器，并采用合理技术措施增加消能器两端的相对变形或相对速度。布置消能器以后，不应在结构中产生薄弱构件或薄弱层。
2.6 消能减震结构分析方法
根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（2016年版）第12.3.3条规定，当主体结构基本处于弹性工作阶段时，可采用底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法进行分析；当主体结构进入弹塑性阶段时，采用静力非线性分析法或非线性时程分析法。应用振型分解反应谱法时，先将阻尼器非线性恢复力以等效线性化处理，并忽略非正交阻尼矩阵中的非正交项，计算小震作用下的误差不超过5%。时程分析法分为线性时程分析法和非线性时程分析法，前者主要采用增量法（如加速度法、威尔逊-θ法），而后者将增量法与迭代法结合。对于速度型阻尼器来说，在结构为弹性状态时应采用线性时程分析法；而对于滞回型阻尼器，采用等效刚度或阻尼时采用线性时程分析法，而恢复力为非线性时应采用非线性时程分析法。但只要主体结构进入塑性状态都应采用非线性时程分析法。静力非线性分析法假定在地震作用下结构的动力反应受单一振型控制，不计高阶振型影响。
2.7构件设计
消能减震结构不同于普通结构构件，例如粘滞型阻尼器位移和速度有90°相位差，构件内力可按位移最大、速度最大或位移为零、加速度最大三个时段进行计算。位移最大时段，阻尼器粘滞阻尼力可认为是零，所以应采用底部剪力法或振型分解反应谱法分析地震效应。速度最大或位移为零时段，阻尼器阻尼力最大。先求出各振型阻尼力，再根据各层阻尼力分布和力平衡条件计算各楼层惯性力及各构件内力。加速度最大时段相当于总阻尼为零而位移最大，可采用简化方法分析构件内力。计算出各时段构件内力后，再按最大内力设计构件截面。
2.8消能支撑设计
消能支撑是由阻尼器及支撑连接共同构成的，支撑的强度和刚度都会影响系统在地震作用下的可靠性。若它们太小，支撑会变形或破坏，使阻尼器不能正常工作；而它们很大，结构构件变形及速度变化集中在阻尼器上，虽能充分发挥阻尼器作用，但也可能使阻尼器负担过大甚至刚度突变而破坏，所以设计时还需考虑经济因素、对整体刚度影响及构造连接的便捷性。
2.9案例分析
以10层剪切型现浇钢混框架结构为例，抗震设防8度，Ⅱ类场地，柱、梁板混凝土分别为C40和C30，每层设置2个粘滞阻尼器。在多遇地震及罕遇地震作用下，消能结构与无控结构相比，各层最大加速度、层间位移角均有明显减小，可见消能器降低了地震效应，提高了结构抗震性能。
3 结语
由于地震的精确预报难以实现，强震会造成巨大的人员财产损失。而建筑抗震性不佳往往成为引发震灾的关键因素，因此必须提升建筑的抗震水平。传统抗震设计以提高结构自身刚度硬抗地震能量，既不经济，适用性也差，存在安全隐患，消能减震以柔性耗能替代刚性硬抗，具有良好的经济性和实用性，前景看好。
参考文献：
[1] 吴从晓，李定斌，吴从永,等. 现浇混凝土消能减震框架抗震性能试验研究[J]. 工程科学与技术，2018,50(6)：1-8.
[2] 黄忠海，刘付钧，李盛勇，等. 基于消能减震的带消能墙框架结构体系的研究与应用[J]. 建筑结构，2017,47(8)：33-40.
论文作者:李武林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/23
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