建筑結構減震消能設計概述

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1、建筑結構減震消能設計概述肖競（云南省設計院集團，云南，昆明，650228）【摘要】傳統(tǒng)建筑在遭遇水平地震作用時，通過結構構件自身的強度和變形，實現(xiàn)“三水準兩階段”的設計要求。使自由振動的振幅穩(wěn)定減小的作用稱為阻尼。由于阻尼，振動體系的能量可由各種機制耗散。對于實際振動的建筑中，能量耗散可來自材料重復彈性變形的熱效應以及固體變形時的內摩擦，以及鋼結構連接中的摩擦、混凝土微裂縫的張開和閉合、結構構件與非結構構件（填充墻等）之間的摩擦。由于地震的不可預測性，傳統(tǒng)抗震設計方法是基于地震發(fā)生概率的統(tǒng)計分析來確定地震的強度和特性。結構木身被動的承受水平地震作用，很可能不滿足安全性的要求，發(fā)生嚴重破

2、壞或倒塌，造成人員和財產的重大損失。以增加結構阻尼為主的被動耗能減震理論和技術，已普遍用于建筑結構的抗震和抗風，并在提高結構安全和更好的經濟性方面，有極大優(yōu)勢。根據(jù)消能器耗能機制的不同，可分為速度型消能器和位移型消能器兩大類。木文針對這兩類消能器分別做出介紹?！娟P鍵詞】建筑結構；減震消能設計；速度型消能器；位移型消能器1.位移型消能器位移型消能器主要括金屬消能器和摩擦消能器。常用的位移型消能器有軟鋼剪切消能器、金屬彎曲消能器、屈曲約朿支撐、鉛消能器和摩擦型消能器。以金屬消能器運用最為廣泛。金屬消能器通常用具有良好塑性變形能力的金屬材料制作，其良好的塑性耗能在地震往復作用下可以耗散地震能

3、量。耗散的能量與消能器的變形相關。因為具備初始剛度，位移型消能器會給結構附加的剛度，附加的剛度與消能器的工作位移有關。使用了位移型消能器的結構，自振周期會減小。圖1-1位移型消能器力一位移圖根據(jù)結構動力學原理，《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50010-2010)12.3.4條規(guī)定，消能消能部件附加給結構的有效阻尼比可按下式計算：式中：Fi—質點i的水平地震作用標準值。μi—質點i對應水平地震作用標準值的位移。《消能減震技術規(guī)程》6.3.4條中規(guī)定：采用吋程分析吋，計算消能附加阻尼比吋，消能器兩端的相對水平位移?udj、質點i對應于水平地震作用標準值的位移ui采用分析結果的包絡值。阻尼

4、器的耗能由下式計算，其中阻尼器位移直接由吋程計算結果讀取，其余為阻尼器參數(shù)，由實際選取的消能器型號確定。Wc=4(?0-?y)(Qy-KOβ?y)?0—阻尼器的實際位移?y—阻尼器的屈服位移Qy—阻尼器屈服力K0—阻尼器初始剛度β—阻尼器屈服后剛度與屈服前剛度的比值由于位移型消能器可以有效增加結構阻尼比，冋吋增加結構的剛度使得結構自振周期變短。位移型消能器對控制結構層間位移效果較顯著，但對減小結構的總基底剪力效果有吋并不明顯。1.速度型消能器速度型消能器主要包括粘彈性消能器和粘滯消能器。粘滯消能器通過高粘性的液體在活塞油缸中或墻式油缸中的運動耗能。粘彈性消能器由高分

5、子聚合粘彈性材料和鋼板夾層組合制作而成。這種粘彈性材料的應力應變關系還與吋間奮關，應變滯后于應力的變化。在一定的溫度范圍內，這種滯后現(xiàn)象十分明顯，且滯后的變形運動需要客服較人的阻力。速度型消能器不改變結構的自振周期，增加了結構阻尼比?？梢詼p小結構的底部剪力和層間位移。但在控制結構層間位移方面沒冇位移型消能器冇效。1.消能器的布置與連接消能器的水平布置的位置，應使結構在兩個水平主軸的動力特性接近。在豎向位置的布置應使結構豎向抗側力剛度不發(fā)生突變。避免結構發(fā)生明顯的扭轉和形成薄弱層。且在滿足建筑功能的前提下，應盡量分散布置。根據(jù)消能器的耗能原理，為提高K耗能效率，宜布置在層間相對位移或相對

6、速度較大的樓層及位置。桐架結構一般布置在桐架下部跨中位置。剪力墻結構一般布置在結構高度一半以上的連梁處?？蚣芗袅Y構框架處和剪力墻連梁處均可布置。如結構存在薄弱層，可在薄弱層布置較多的消能器。間接連接時為保證消能器與主體結構的必須要有可靠的連接，連接方式常用的有直接連接和間接連接。間接連接時，為保證消能器能夠正常工作，消能器與主體結構間的連接構件必要具有足夠剛度。這樣才能使變形主要發(fā)生在消能器上，避免因連接構件變形較大導致消能器未發(fā)揮出應冇的耗能作用。圖3-1間接連接型為了確保消能減震結構在罕遇地震作用下不發(fā)生倒塌，消能減震結構需要保證在主體結構達到極限承載力前，消能部件不能產生失穩(wěn)

7、、或節(jié)點板破壞；為了保證消能部件的安全，.其連接節(jié)點和構件(子結構)都應進行罕遇地震作用下消能器引起的附加外荷載作用下的截面驗算。子結構的截面抗震驗算宜符合下列規(guī)定：(1)子結構中梁、柱、墻構件宜按重要構件設計，并應考慮罕遇地震作用效應和其他荷載作用標準值的效應，其值應小于構件極限承載力。(2)子結構中的梁、柱和墻截面設計應考慮消能器在極限位移或極限速度下的阻尼力作用。(3)消能部件采用高強度螺栓或焊接連接時，子結構節(jié)點部位組合彎矩設計值應考慮