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摘要：建筑减震设计是个系统的全面的工作，本文根据自己工作经验，对建筑减震设计的计算方法以及流程和设计要点进行阐述。
关键词：减震设计 计算方法 流程 设计要点
建筑消能器可分为速度相关型、位移相关型和复合型三类：
速度相关型消能器包括黏滞消能器和黏弹性消能器，利用与速度有关的黏性抵抗地震作用，从黏滞材料的运动中获得阻尼力，消能能力取决于消能器两端相对速度的大小，速度越大，提供的阻尼力越大，消能能力也越强。
位移相关型消能器包括金属消能器和摩擦消能器，消能能力与消能器两端相对位移的大小有关，相对位移越大，消能能力越强。其中，金属消能器利用金属材料屈服时产生的弹塑性滞回变形耗散能量，从受力形式上可分为剪切型、弯曲型等，剪切型刚度相对较大，而弯曲型则可提供相对较大的阻尼；摩擦消能器一般由钢元件或构件、摩擦片和预压螺栓等组成，在地震作用下，钢元件或构件之间发生相对位移产生摩擦做功而耗散能量。
复合型消能器是利用二种以上的消能原理或机制进行耗能的消能器，同时具有位移相关型消能器和速度相关型消能器的性能特征，但有时可能位移相关型消能器的特征比较明显，有时可能速度相关型消能器的特征比较明显，因此，对其性能的要求应根据其组合消能机理或机制具体确定。
屈曲约束支撑从工作原理上也可认为是位移相关型消能器。一般利用其可为结构提供较大侧向刚度的特点，将其设计为在多遇地震作用下不屈服、仅提供侧向刚度的结构构件；在设防地震和罕遇地震作用下，核心单元能产生拉压屈服，利用屈服后滞回变形来耗散地震能量，并且不会发生失稳破坏。
消能减震系统的计算方法：
1 时程分析法
时程分析法对于弹性和弹塑性体系都能分析。时程分析法是相当于是一种数值分析计算方法，他直接对结构的动力方程进行数值积分，能够得到结构在地震作用各个时态的加速度、速度和位移的计算方法。由于其直接对运动微分方程进行积分，所以其计算更为精确，对弹性体系和非线性体系均能做出分析。
2 振型分解法
采用振型分解法进行消能减震结构设计的主要问题是如何考虑结构增加消能阻尼器后的等效阻尼比和等效刚度，并对消能减震结构加入阻尼后的非正交阻尼矩阵进行解耦。
在振型分解法中，一般利用规范给定的计算过程来实现。而对于等效阻尼比的确定主要有复模态法、强解耦振型分解法和基于变性能的等效阻尼法这三种方法。
3 数值积分法
数值积分法就是：将输入的地震波分成若干个小时间段，根据各段的初始值位移u（t） 、速度（t）、加速度（t）等来求出各段的末端值位移u（t+x）、速度（t+x）、加速度（t+x），并将该值作为紧接着下一段的初始值，以此类推，直到求出所有段的数值。
4 能量分析法
基于能量的抗震设计方法考虑地震输入结构的能量和结构自身各部件消耗的能量相同。根据能量平衡的原则，可列出下述能量平衡方程：
Ein=ER+ED+ES+EA
式中Ein—地震作用时输入结构（传统抗震结构、消能减震结构）的地震能量；
ER—地震作用下结构反应能量；
ED—结构阻尼耗散的能量；
ES—主体结构构件在非弹性变形状态下耗散的能量；
EA—消能构件或消能装置所耗散的能量。
以上计算方法总结：消能体系的计算最主要在于如何考虑加入消能减震装置后对于原结构体系的刚度和阻尼产生了影响。如何考虑附加的阻尼和刚度是消能减震结构设计需要考虑的核心问题。考虑附加阻尼和刚度后，结构体系的求解方法也是关键之一。振型分解法主要适用于消能减震结构体系的弹性分析阶段。结构体系在多遇及罕遇地震作用下会进入到弹塑性分析阶段。时程分析法则可以弥补振型分解法的不足，求解结构弹塑性问题。能量分析法从能量消耗的角度来考虑，具有很大的实践指导意义。但是，地震能量具体的消耗方式，需要通过大量的实验和实践来检验。
减震设计流程如下：
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下面介绍一下各减震装置的特性
黏滞流体消能器内置液体，理论上不提供刚度，因此不影响附加消能器之后结构的周期和振型；在简谐振动下滞回曲线呈椭圆型，表明消能器在最大位移状态下受力为零，最大受力情况下位移为零。黏滞流体消能器既可以降低地震反应中的结构受力，也可以降低位移反应。
位移相关型消能器主要包括软钢阻尼器、摩擦阻尼器及与速度相关性较小的黏弹阻尼器。通常需要与支撑、悬臂墙进行组合，并为结构提供一定初始附加刚度，当位移相关型消能器进入耗能状态后，其附加刚度将发生较大的变化，消能器的等效线性刚度取割线刚度，等效阻尼按能量相等原理等效为线性黏滞阻尼。
屈曲约束支撑（BRB）仅芯板与其他构件连接，所受的荷载全部由芯板承担，外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲，使芯板在受拉和受压下均能进入屈服，因而，屈曲约束支撑的滞回性能优良。
采用位移相关型消能器的设计要点如下：
1.位移相关型消能部件附加给结构的有效刚度可采用等价线性化方法初步确定。
2.位移相关型消能部件附加给结构的有效阻尼比可按《建筑消能减震技术规程》计算。在计算结构总应变能时，宜采用楼层水平地震作用标准值与对应楼层平均总位移（楼层质心位移）的乘积的一半，但应同时给出层间位移供校核；楼层中未屈服的消能器的剪力应计入楼层水平地震作用标准值。可采用累计能量比较法等其他可靠的方法进行校核。
3.设计文件应明确给出消能器的设计指标和检验要求。对于金属消能器，设计指标包括：屈服荷载、屈服位移、屈服后刚度、设计荷载、设计位移等；对于摩擦消能器，设计指标包括：起滑阻尼力、起滑位移、初始刚度、设计荷载、设计位移等。其中，设计荷载、设计位移、设计速度、设计应变、最大阻尼力应根据罕遇地震作用下弹塑性时程分析的结果确定。
采用速度相关型消能器的设计要点如下：
1.消能部件附加给结构的有效阻尼比可按《建筑消能减震技术规程》计算。在计算结构总应变能时，宜采用楼层水平地震作用标准值与对应楼层平均总位移（楼层质心位移）的乘积的一半，并应同时给出层间位移供校核；可采用累计能量比较法等其他可靠的方法进行校核。
2.设计文件应明确给出消能器的设计指标和检验要求。对于黏滞消能器，设计指标包括：设计位移、最大阻尼力、设计速度、阻尼指数、阻尼系数；对于黏弹性消能器，设计指标包括：设计应变、最大阻尼力、表观剪切模量、损耗因子等。其中，设计荷载、设计位移、设计速度、设计应变、最大阻尼力应根据罕遇地震作用下弹塑性时程分析的结果选用。
采用屈曲约束支撑的设计要点如下：
1.采用屈曲约束支撑和普通钢支撑—混凝土框架组成抗侧力体系的结构时，如果房屋高度不超过《建筑抗震设计规范》第6.1.1条规定的钢筋混凝土框架结构最大适用高度，支撑框架按刚度分配的多遇地震倾覆力矩可按设计需要确定；如果抗震设防烈度为6~8度且房屋高度超过钢筋混凝土框架结构最大适用高度但小于钢筋混凝土框架结构和框架抗震墙结构二者最大适用高度的平均值，底层的支撑框架按刚度分配的多遇地震倾覆力矩应大于结构总地震倾覆力矩的50%。当结构中含有在罕遇地震下可能屈服的普通钢支撑时，则应按含与不含该部分普通钢支撑两种模型进行多遇地震作用的计算，并宜取二者的较大值。屈曲约束支撑和普通钢支撑—混凝土框架结构的设计尚应符合《建筑抗震设计规范》附录G.1节除G.1.3条第5款、G.1.4条第3款外的要求。
2.屈曲约束支撑在多遇地震作用下不宜屈服耗能。
3.设计文件应明确给出消能器的设计指标和检验要求。对于屈曲约束支撑，设计指标包括：屈服荷载、屈服位移、屈服后刚度、设计荷载、设计位移等。其中，设计荷载、设计位移应根据罕遇地震作用下弹塑性时程分析的结果确定。
参考文献：
[1]《建筑消能减震技术规程》JGJ 297-2013［S］．北京:中国建筑工业出版社，2013
[2]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010
论文作者:陆亮
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/10
标签：位移论文; 阻尼论文; 刚度论文; 结构论文; 能量论文; 屈曲论文; 荷载论文; 《防护工程》2018年第36期论文;