建筑結(jié)構(gòu)中阻尼器消能減震設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的探討

張希

【摘要】阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著消能減震的作用，被廣泛的應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于阻尼器消能減震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括，非線性分析方法、阻尼器形變?cè)O(shè)計(jì)、阻尼器的側(cè)向穩(wěn)定以及在阻尼器設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題進(jìn)行了介紹，為阻尼器消能減震設(shè)計(jì)起到了重要的支撐作用。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；阻尼器；非線性分析；形變分析；側(cè)向穩(wěn)定

1、引言

建筑結(jié)構(gòu)中阻尼器的應(yīng)用大大提高了建筑物的抗震能力，而在目前地震活動(dòng)較為頻繁時(shí)期，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)中阻尼器的研究一直都是工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著國(guó)內(nèi)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍應(yīng)用到阻尼器，建筑領(lǐng)域內(nèi)對(duì)于阻尼器的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用也在不斷的深入，包括阻尼器的設(shè)計(jì)、對(duì)阻尼器參數(shù)的計(jì)算分析、阻尼器側(cè)向穩(wěn)定性等一些關(guān)鍵技術(shù)。建筑結(jié)構(gòu)阻尼器消能減震技術(shù)是阻尼器設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，通過(guò)對(duì)該技術(shù)的研究為我國(guó)阻尼器性能的提高提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

2、阻尼器消能減震關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1非線性分析方法

在對(duì)阻尼器進(jìn)行分析的過(guò)程中，非線性分析是一種誤差較小的分析算法，但是阻尼器在應(yīng)用的過(guò)程中所使用的算法一般都是線性算法而非非線性算法。所以在對(duì)其進(jìn)行線性分析的過(guò)程中需要在主體結(jié)構(gòu)中附加一個(gè)阻尼比來(lái)進(jìn)行分析，用來(lái)表示在建筑物的消能減震結(jié)構(gòu)中阻尼器對(duì)建筑物的阻尼增加的影響。但是這種處理方式仍然存在一定的問(wèn)題，在這種方式下建筑結(jié)構(gòu)中各個(gè)阻尼器的阻尼力以及阻尼器的形變量都是未知的，因而通過(guò)這種方式計(jì)算得到的阻尼器實(shí)際上并不可靠。并且阻尼器具有剛度參數(shù)，而這種計(jì)算方式其中并沒(méi)有涉及到剛度參數(shù)。在對(duì)阻尼器進(jìn)行非線性分析的過(guò)程中，需要不斷的進(jìn)行參數(shù)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，一般將阻尼器的非線性動(dòng)力學(xué)性質(zhì)類比于塑鉸， 然后利用軟件對(duì)阻尼器進(jìn)行分析，通過(guò)用塑性鉸來(lái)模擬阻尼器，因而在對(duì)阻尼器的靜力進(jìn)行線性分析的過(guò)程中，阻尼器的力學(xué)參數(shù)如形變量以及受力都可以自行計(jì)算出來(lái)而不需要進(jìn)行假設(shè)，且分析程序可自行計(jì)算出，在分析的過(guò)程中這些參數(shù)都是可以確定的，能將消能減震的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)。然后通過(guò)上述方法，來(lái)對(duì)阻尼器在建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種可能的反應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試計(jì)算，將在各種情況下阻尼器所應(yīng)用具有的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的仿真設(shè)計(jì)。

2.2阻尼器形變極限設(shè)計(jì)

在工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，阻尼器不僅能夠在有地震的情況下起到減震的作用，還可以在常規(guī)水平荷載下（如風(fēng)載）降低建筑物可能的形變，能在一定程度上增加主體結(jié)構(gòu)的阻尼，增大結(jié)構(gòu)阻尼比，使得建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件所受到的應(yīng)力減小，能有效的降低主結(jié)構(gòu)面的截面積，從而為工程的建設(shè)節(jié)約成本，改善建筑舒適度。在加固工程中使用阻尼器，能夠通過(guò)增加有限的成本來(lái)減小地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，從而加強(qiáng)建筑物的主體結(jié)構(gòu)。在建筑結(jié)構(gòu)中加裝阻尼器的基本作用，就是要利用阻尼器的消耗地震傳遞建筑物的能量，來(lái)降低建筑主體構(gòu)件所造成的應(yīng)力。為了滿足上述的需求，在建筑物的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須要保證在建筑物承受較大地震的情況下仍然能夠發(fā)揮其消能減震的作用。國(guó)外阻尼器的設(shè)計(jì)一般用于中震地震，所以結(jié)合本國(guó)的實(shí)際情況我國(guó)所使用的阻尼器要在中震地震時(shí)候開始起作用，并且要保證阻尼器在大震的情況下不能夠損壞?？紤]到我國(guó)目前的地震級(jí)別較低，因而考慮到經(jīng)濟(jì)性阻尼器在很多的建筑工程中得到了實(shí)際的應(yīng)用，在這種配置下要求在發(fā)生小震地震的情況下要開始發(fā)揮作用， 并要保證大震時(shí)阻尼器不壞，因而從該設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上可以看出，我國(guó)阻尼器性能參數(shù)要相對(duì)好很多。而對(duì)于位移類型的阻尼器來(lái)講，國(guó)外在阻尼器設(shè)計(jì)的過(guò)程中強(qiáng)調(diào)的是在發(fā)生較大程度的地震情況下起到減震作用，阻尼器的極限形變程度要達(dá)到曲變形狀的20倍以上，而在我國(guó)對(duì)于該參數(shù)的要求為30-40倍以上。因而在消能減震阻尼器設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要考慮到阻尼器的阻尼比以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)剛度，還要考慮到阻尼器的極限形變的能力，進(jìn)而避免阻尼器在發(fā)生地震的過(guò)程發(fā)生損壞，而在較大地震的情況下而無(wú)法發(fā)揮其能力。在對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要將阻尼器的力學(xué)參數(shù)以及形變參數(shù)設(shè)計(jì)好，然后選擇能夠滿足上述性能參數(shù)的阻尼器。

2.3阻尼器的側(cè)向穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

阻尼器在建筑工程的應(yīng)用中越來(lái)越多，在經(jīng)過(guò)多次的地震作用后，發(fā)現(xiàn)阻尼器的側(cè)向的穩(wěn)定性非常重要，側(cè)向穩(wěn)定性甚至對(duì)于阻尼器能否在地震的過(guò)程中達(dá)到應(yīng)有的效果。由于建筑結(jié)構(gòu)存在的不規(guī)則以及越來(lái)越復(fù)雜的趨勢(shì)，傳統(tǒng)的平面框架的理論越來(lái)越難以起到作用。因而在消能減震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要注意由于阻尼器部件的節(jié)點(diǎn)不會(huì)由于側(cè)向失穩(wěn)而造成阻尼器無(wú)法發(fā)揮其真正作用的情況。

3、應(yīng)用實(shí)例

結(jié)構(gòu)的防屈曲約束支撐布置，在軸電梯與樓梯間相互交界的地方分別布置一組防屈曲的約束支撐結(jié)構(gòu)，可以從下圖看出。

本文設(shè)計(jì)用于對(duì)比的普通支撐結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，二者的平面結(jié)構(gòu)布置基本上是類似的。在地震活動(dòng)較為頻繁的時(shí)期，防屈曲的支撐系統(tǒng)還沒(méi)有發(fā)揮其作用，僅僅可以起到彈性鋼桿的作用。而在中等級(jí)別以上的地震情況下可以將位移減少到27%。從經(jīng)濟(jì)上考慮，且?guī)BB結(jié)構(gòu)還能夠節(jié)省大約9%的用鋼量。隨著地震強(qiáng)度的不斷增大其發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯。

4、設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題

在阻尼器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，阻尼器所承受的總剪力不能超過(guò)樓層抗剪承載力的30%，主體結(jié)構(gòu)本身應(yīng)該具備一定的抗剪能力，進(jìn)而避免阻尼器在地震的過(guò)程失效，從而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞。結(jié)構(gòu)頻率決定了速度型阻尼器的耗能，在求解有效的阻尼比的過(guò)程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)不同方向的自振來(lái)計(jì)算相應(yīng)的頻率，而不能夠使用一階模型來(lái)計(jì)算。加裝速度阻尼器作用力中的粘滯力無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，因而使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力的計(jì)算變得非常的復(fù)雜。因而在結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)過(guò)程中需要根據(jù)不同的情況進(jìn)行粘滯力的計(jì)算在相對(duì)位移最大的情況下的粘滯力為0，最大相對(duì)速度粘滯力為0。消能減震裝置在沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)地震考驗(yàn)的情況下，如果結(jié)構(gòu)速度以及摩擦發(fā)生損耗阻尼器的情況，需要定期的對(duì)阻尼器進(jìn)行檢修和維護(hù)。位移阻尼器要做好防銹，也需要定期的對(duì)其進(jìn)行檢查維修，在發(fā)生損壞時(shí)及時(shí)更換。

結(jié)語(yǔ)：

目前是地震多發(fā)的時(shí)期，我國(guó)近幾年多個(gè)地區(qū)發(fā)生多次的地震，地震造成了巨大的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失，在建筑結(jié)構(gòu)采用阻尼器來(lái)抗震減震具有非常重要的意義。通過(guò)對(duì)阻尼器設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)研究，為減震阻尼器在我國(guó)的應(yīng)用與推廣奠定技術(shù)基礎(chǔ)，探索一條適合我國(guó)國(guó)情應(yīng)用途徑。

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