建筑结构中消能减震关键设计技术探讨

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上海现代建筑设计(集团)有限公司:高承勇总工程师
 
高承勇：各位朋友，大家下午好！针对消能减震这个设计方法进行了某些思考，所以提出来跟大家探讨一下。我下面想从四个方面跟大家做一个介绍。

现阶段我们国家的抗震理论来看一个是承载力方面，第二个是位移设计，是随着人们对抗震的认识、深入发展而起来的。位移为主要设计参数的设计方法，目前基于性能的设计主要还是基于位移的设计。第三个是能量设计。结构的抗震能力是结构抗震性能的重要指标。大家知道由于结构在强震的作用下产生了屈服，进入一次性变形的阶段，结构的刚度、制震周期都会发生变化，结构的变化并不取决于顺时的地震作用，地震的变形能力和耗能能力的不足才是在强震作用下倒塌的原因。

所以能量设计的方法主要是想通过构件的抗震能力来达到抗震的目的。位移设计和能量设计常用的措施有这么几个：主要是合理的选取结构形式、优化布置结构构件、有效控制结构构件的性能，设置抗震多道防线，包括了布置抗能构件，提高结构抗震能力的主要措施，包括合理的结构体系选择，耗能机制的指定，后面红色的都跟我们消能减震有直接的关系。

位移和能量演变的设计思想，主要是遭遇小震的由主体结构发挥作用，部分的耗能装置或者是构件可能发挥作用，但是要视具体情况而定，保证结构的正常使用。遭遇较大地震的时候耗能元件发挥作用，增加结构的耗能能力，隔震、改变结构特性以减少地震输入等，来保证主体结构的安全和功能性。优点是设计概念明确、结构体系层次清晰，提高了设计的可靠性，通过耗能元件高效耗能，增强了主体结构对地震动的性能。

这是整个一个设计思想。通过实验表明耗能可以做到消能地震能量的90%以上，常用的消能减震优化设计的措施是主动控制、被动控制的耗能能量，基础隔震结构一体化设计。

第二部分我想讲一下阻尼器耗能的原理和设计流程。耗能减震的原理主要是通过耗能构件来消耗地震作用的能量，来减轻振动。从能量的观点来讲，如果地震输入是一定的话，耗能构件的性能提高，那结构的耗能能力就降低，就会减少，从动力学的观点来讲，跟耗能相比的作用相对于耗能阻力的提高，可以使得结构的地震反应减少。耗能结构地震反应的分析我们现在采用的是非线性的分析方法。可以通过下面的公式来计算。阻尼比超过20%的时候，用常用的地震分析可能会引起较大的地震误差。

阻尼器大致上分为两种，一种是与速度相关的粘弹性阻尼器，还有一种是以摩擦或者是金属屈服为特征的位移相关性阻尼器。阻尼器的安装部位大致上有这几种：一种是安装在支撑处，另外一组安装在梁柱连接处，或者是剪力墙的连接处，再或者是框架与剪力墙的连接处。这是几种常用的耗能软件。

耗能支撑有几种形式，一种是交叉型的耗能阻尼器，还有一种摩擦耗能支撑，还有耗能偏心支撑，耗能偶撑。

这里有一张关于阻尼器运用的列表对比，由于时间关系我想不在这里做详细的介绍了。

接下来我想讲一下耗能结构设计的基本流程。和传统的抗震结构相比，耗能结构的设计既有相同的地方，也有独特的一面，耗能减震结构的设计主要包括两部分的内容。首先是耗能减震装置的设计，其次还有数值计算校核阶段。

现在常用的分析软件大致上有这么几种，一个是Linear，还有SAP2000，关键是要进行模拟。

接下来我介绍几个应用的案例。一个是上海古北的高层办公楼，从这个办公楼的平面图中可以看出核心层是偏的，所以抗震性不是很好。通过这个阻尼器来解决问题。这幢楼15层高。我们在这里布置的是约束支撑，为了说明它的效果，我们把它做了两种，一种是把设置做了一些比较，设置支撑，还有一种是普通的支撑。从这个比较来看它的位移结构减少，另外它的性能也比较好。

这里做了一些经济性的对比。我们可以通过对比来发觉，在地震作用大的时候确实支撑的耗能能力比较明显，与普通的钢支撑结构相比来看，效果比较明显。因此它不仅会提高结构的抗震性能，还因此带来工程造价和工程修复费用也会降低，应该说会有客观的经济效益。

第二个工程是某医院的干部保健楼。这幢楼在结构方案时候做了4种方案比较。第一种方案是普通的钢框架支撑结构方案。第二种方案是钢框架加上消能支撑结构。第三个方案是框架剪力墙结构，第四种是组合结构的方案。对这四种结构方案进行了一个比较，从这个比较当中可以看出，方案二的结构是相对合理的，方案一材料的消耗量较大，经济性相对来说较差，方案三在中震的时候，大量构件的截面加大的可能性没有，而且材料消耗很大。第四个方案中震材料的消耗量过大。所以最后选择了第二种方案。这个是阻尼器的布置平面位置，还有安装的示意图。

从这个工程来看，后来经过方案比较以后又做了一些修改，主要是考虑到这个结构首层的层高比较高，经过优化，首层采用了普通的钢结构，上面大部分采用了带阻尼器的效应支撑。

接下来另外一个工程案例是上海的世贸国际广场，它的特点挑空结构，这个挑空偏离裙房，结构的扭转很严重，通过在主楼和裙房之间设置阻尼器来解决挑空的问题。这是阻尼器连接的点，这是两种方案的比较，一种是主楼和裙房没有连接的方案。一种是主楼和裙房之间采用阻尼连接的方案。从这两个方案的比较来看，裙房的位移是大大减少的。

这个项目增设了阻尼器以后，小震作用下主楼所受到的剪力增加了，而广场和裙房的剪力相对减少，在大震情况下的影响不是很大，虽然地震大大增加，但是阻尼器增加不是很多。所以由于阻尼器的耗能作用，结构的位移响应大大减少。这个是超高层，增设了阻尼器以后，裙房的位移相对大，而主楼的位移普遍有所减少，这表明了阻尼器在传递着裙房与主楼上所受风的压力。这是阻尼器在风载作用下的情况。

另外一个案例是北京某宾馆的改造。它原来是一个3、4层的层面，然后中间有两条缝，但是这个缝的宽度有限，经过计算这个建筑会相碰，这个是两条曲线，一个是没加阻尼器前的，一个是加了阻尼器后的结构对比。

最后一部分我想针对消能减震关键设计技术来给大家介绍一下。消能减震技术有多种形式，阻尼器是通过增加结构体系，被动式的消能方式，在国内和国外一些国家结构中作为常规的消能减震措施，近年来消能减震逐渐被我国建筑界所接受。地震以来，不断加深，尤其是国内外抗震规范系统的差异引起的阻尼器应用盛行问题，阻尼器的侧向稳定问题等，所以我们想将这些问题提出来做一些讨论。

从分析技术来讲，现在常用的分析技术有两种：一种是基于等价线性化分析的方法。这种方法目前都是先假设阻尼器在消能减震结构中的阻力和变形量。在地震作用过程当中消能减震结构，各种阻尼器也会因为设置方式的位置不同而有不同阻尼器和变形量。对消能减震的分层反应也有很大的影响。第二种是我们现在常用的静力非线性分析。进行静力非线性分析的时候，阻尼器单元并无法使用其非线性功能，仅能是线性行为。可靠性和适用性，加上提供有效帮助的阻尼器，使方法并没有计算出阻尼器提供给主结构的有效帮助。

我们考虑解决的方法有两种，一种是基于等价线性化分析的方法可以依据建筑结构规范第12章中利用等价线性化方法并配合在计算力学中常用的迭代方法来解决。

第二个方面的探讨就是要考虑阻尼器的极限变形能力。现在结构设计当中，消能减震主要是为了减少主结构在地震过程当中的反应，降低结构部件的负担，必须要保证阻尼器在大震过程中仍然发挥消能作用。

在我国的抗震分析过程当中的小震作用中，我们的抗震作用是小震作用，我们国家强调小震作用，所以有的时候在考虑经济性的工程，或者是加固性的工程当中，阻尼器有的时候考虑在小震的时候发挥消能和效应，并保证大震阻尼器不坏，所以我们在消能减震的设计上对阻尼器的性能要求实际上要比国外高得多，解决的方法是在我国需要达到3到40倍以上，所以除了计算阻尼器提供给结构的有效刚度，和有效阻尼比以外，还必须注意阻尼器的极限变形能力，避免阻尼器过早的发生破坏，发挥消能的作用。要求我们充分了解各类阻尼器的力学行为，依据设计的要求来神圣地选择产品，来满足抗震能力的要求。

另外，我们觉得还需要考虑阻尼器的侧向稳定问题，主要是过去在研究阻尼器行为的时候一般都是把阻尼器视为单方向的销。但是我们现在的建筑结构体系的复杂性和不规则性，以及状态的分析表明了复杂性，解决的方法就是需要保证在地震过程当中阻尼器本身和消能部件节点位置不会发生破坏，以保证阻尼器的正常发挥。

最后一个问题是其他要注意的事项。在地心力作用下，阻尼器的水平减弱最好不要超过1/3，主结构的自身具备一定的抗震作用，避免阻尼器在地震过程当中无法发挥预期的消能效果而导致主体结构发生倒塌。

第二个是由于疲劳的问题，不能用于抗风，而且在抗风的设计当中来保证结构在风力作用下阻尼器不发生位移。

第三点就是速度型的阻尼器消能效果和频率有关，因此需要依据不同方向的支撑频率来做，不能仅用低于震值的频率来进行计算。

第四，由于加装速度性阻尼器的消能减震结构，使得结构构件内力计算变得非常复杂，所以建议用内力来考虑结构过程，包括最大相对速度，最大层间的位移，层间加速度来计算，采用最大值计算。

第五点就是消能减震在地震作用的情况下，也就是说在没有发生地震的情况下，在平时固定的时段内要进行经常性的检测和维护，包括有损坏的话要进行更换。位移阻尼器要做好防绣和防腐的工作。要进行检测和维护。

好的，我的报告就到这里。谢谢大家！