淺論耗能減震鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

鄧秀梅 國玉強(qiáng) 賈存華

摘 要：傳統(tǒng)的抗震技術(shù)采用的是“硬抗”的方法，是通過提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等途徑來抵抗地震。但是，像工業(yè)廠房、醫(yī)院、通訊中心類的配備有高精密儀器的建筑，對(duì)抗震設(shè)計(jì)的要求很高，采用傳統(tǒng)依靠建筑吸能抗震的設(shè)計(jì)方法已不能滿足要求。本文主要探究了耗能減震結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：耗能減震鋼結(jié)構(gòu)；性能；抗震設(shè)計(jì)方法

為了提升城市建筑的抗震能力，人們提出了基于性能的耗能減震鋼結(jié)構(gòu)。耗能器運(yùn)作過程中具有非線性特征，影響原有結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性，對(duì)動(dòng)力反應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響，耗能減震鋼結(jié)構(gòu)就要消除這種影響。設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)的最大難點(diǎn)就是耗能器運(yùn)作的非線性，如何采用合適的方法使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便，是設(shè)計(jì)人員需要認(rèn)真研究的問題。

一、耗能減震結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)

耗能減震技術(shù)作為一種結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制措施，是在結(jié)構(gòu)物某些部位（如支撐、剪力墻、節(jié)點(diǎn)、連接縫或連接件、樓層空間、相鄰建筑間、主附結(jié)構(gòu)間等）設(shè)置耗能裝置（或元件），通過耗能裝置產(chǎn)生摩擦，彎曲（或剪切、扭轉(zhuǎn)）彈塑性（或粘彈性）滯回變形耗能來耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，以減小主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全。

1.從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看，相當(dāng)于增大結(jié)構(gòu)的阻尼，使結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變小；

2.從能量觀點(diǎn)看，結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)能量是一定的，通過消能裝置消耗掉一部分能量，使結(jié)構(gòu)本身需消耗的能量減??；

3.在小震或風(fēng)荷載作用下，耗能減震裝置不產(chǎn)生滑動(dòng)或耗能材料不進(jìn)入塑性滯回耗能狀態(tài)，耗能減震結(jié)構(gòu)相當(dāng)于主體結(jié)構(gòu)的普通支撐框架體系，有足夠的剛度來控制側(cè)向變形，結(jié)構(gòu)體系處于彈性狀態(tài)；

4.在中震或大震作用下，耗能減震裝置在主體結(jié)構(gòu)屈服前產(chǎn)生滑動(dòng)或者耗能材料進(jìn)入塑性滯回耗能狀態(tài)，消耗大量輸入給主體結(jié)構(gòu)的地震能量，避免或延緩了主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服，一定程度上達(dá)到了保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的；

5.耗能減震體系與主體結(jié)構(gòu)間不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它通過消能裝置的相對(duì)變形和相對(duì)速度提供附加阻尼，以消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期耗能減震要求。

二、耗能減震鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)過程

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)位移相關(guān)型耗能器，對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化目標(biāo)，具體步驟如下：首先，要建立一個(gè)等效SDOF體系，在設(shè)計(jì)中包括原結(jié)構(gòu)和耗能減震結(jié)構(gòu)，耗能減震結(jié)構(gòu)SDOF體系中，我們假設(shè)主體鋼結(jié)構(gòu)保持良好的彈性狀態(tài)，支撐結(jié)構(gòu)的彈性狀態(tài)始終沒有發(fā)生變化，也就是說耗能器始終在理想狀態(tài)下運(yùn)行。然后分別計(jì)算產(chǎn)生屈服、位移以及不產(chǎn)生屈服、位移時(shí)的結(jié)構(gòu)剛度，鋼結(jié)構(gòu)耗能支撐選擇雙線型模型，分析推導(dǎo)等效周期、等效剛度以及等效阻尼比之間的關(guān)系，得出一個(gè)關(guān)系函數(shù)，反應(yīng)幾者之間的關(guān)聯(lián)。由于設(shè)計(jì)主要是針對(duì)耗能器工作時(shí)的非線性問題，因此要求耗能減震鋼結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，抗震能力足夠強(qiáng)，避免被破壞。所以，滯回耗能曲線的設(shè)計(jì)要區(qū)別于一般鋼結(jié)構(gòu)，不允許鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)性能退化問題，最終將有效阻尼比模型確認(rèn)為恢復(fù)力模型，具備"無退化"特性。推導(dǎo)計(jì)算完成、模型確認(rèn)以后，需要將計(jì)算結(jié)果以及模型作為依據(jù)，繪制出性能曲線，反應(yīng)位移減小率與基底剪力減小率之間的關(guān)系。曲線繪制完成以后，需要分析結(jié)構(gòu)的非線性時(shí)程，根據(jù)模型以及性能曲線中的參數(shù)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)，之后形成一個(gè)三維結(jié)構(gòu)模型，分析其非線性時(shí)程，可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其中的一些參數(shù)做出調(diào)整，在滿足抗震要求的前提下盡量將設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，避開迭代計(jì)算過程。

2.實(shí)例分析

某小型企業(yè)的辦公樓為鋼結(jié)構(gòu)，共有七層，層高3.7米，八度抗震設(shè)防烈度，周期折減系數(shù)為0.9，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比為3.5%。按照步驟設(shè)計(jì)模型，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，繪制成性能曲線。在曲線圖中找出最佳阻尼比，探究該處的性能參數(shù)，如果處于小震環(huán)境下，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的剛度沒有過多要求。如果處于中震環(huán)境下，需要提升支撐結(jié)構(gòu)的剛度，此時(shí)在繪制性能曲線的過程中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)其中包含的性能點(diǎn)更多、更加密集，隨著附加剛度的增加，拐點(diǎn)變得越來越突出，基底剪力降低率也沒有發(fā)生太大變化，因此附加剛度可以適當(dāng)增加，但是不能太大，否則地震作用就會(huì)被放大，反而達(dá)不到理想的減震效果，鋼結(jié)構(gòu)還會(huì)遭到破壞。研究以后，最后將一層至三層、四層至六層建筑鋼結(jié)構(gòu)的彈性剛度分別確定為每毫米350千牛和每毫米150千牛。

本設(shè)計(jì)中，建筑頂層并沒有設(shè)置耗能支撐結(jié)構(gòu)，樓層位移會(huì)對(duì)震動(dòng)產(chǎn)生放大效應(yīng)，但是從整體上來說，最大層間位移可以滿足抗震要求，能夠起到耗能抗震目標(biāo)。值得注意的是，以上分析中是將最初描述的假設(shè)作為前提，假設(shè)耗能器進(jìn)入非線性反應(yīng)階段。如果想要明確所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否能夠滿足實(shí)際抗震要求，需要重新對(duì)其進(jìn)行非線性分析，觀察實(shí)際運(yùn)作中鋼結(jié)構(gòu)的真實(shí)反映狀態(tài)。

三、結(jié)論分析

首先，設(shè)計(jì)過程中要參照SDOF體系，不同性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的等效周期，可以將此作為依據(jù)來估算耗能器的實(shí)際周期，一般情況下比等效周期小11%至16%之間，最后可以利用該數(shù)值估算鋼結(jié)構(gòu)起到多大的減震作用。

其次，在SDOF體系中，不同性能點(diǎn)也對(duì)應(yīng)不同的有效阻尼比，可以將此作為依據(jù)估算實(shí)際結(jié)構(gòu)的最大阻尼比，估算時(shí)需要參照相對(duì)位移，將最大樓層作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。減震鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)作時(shí)，耗能支撐會(huì)發(fā)生變化，耗能能力逐漸下降，減震能力也就隨之下降，因此實(shí)際附加阻尼比僅僅可以達(dá)到理想值的60%至70%，可以將這一數(shù)據(jù)作為參照預(yù)估耗能減震結(jié)構(gòu)的實(shí)際減震能力，為抗震設(shè)計(jì)提供參考。

第三，等效SDOF體系在某種角度上可以反映出耗能減震結(jié)構(gòu)與地震波性能之間的變化關(guān)系，我們可以從曲線中觀察出地震波特性。同時(shí)，曲線中的性能點(diǎn)有兩個(gè)直觀特性，一個(gè)是疏密程度，另一個(gè)是拐點(diǎn)，從這兩個(gè)直觀特性上可以做出以下判斷：一是支撐結(jié)構(gòu)的附加剛度如何，二是初始屈服位移有多大，這樣耗能減震鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)就能夠與減震目標(biāo)更加接近。

最后，有必要對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)以及不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究，特別是考慮結(jié)構(gòu)高階振型影響及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等多個(gè)因素的影響，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇合理的性能設(shè)計(jì)方法，滿足設(shè)計(jì)要求。

總結(jié)，將建筑中的非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)成為耗能桿件，或者是在關(guān)鍵位置設(shè)置耗能器，可以有效吸收地震能量，提升建筑物的抗震性能。由于現(xiàn)代建筑中大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)居多，因此本文對(duì)耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)過程中將"性能"作為基礎(chǔ)，考慮到鋼結(jié)構(gòu)的剛度以及彈性形變等，針對(duì)耗能器運(yùn)作過程中的非線性進(jìn)行研究，將復(fù)雜的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，在滿足耗能減震、抗震的要求下，兼顧經(jīng)濟(jì)性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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