建筑結(jié)構(gòu)中消能減震關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)探討

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上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司:高承勇總工程師
 
高承勇：各位朋友，大家下午好！針對(duì)消能減震這個(gè)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了某些思考，所以提出來(lái)跟大家探討一下。我下面想從四個(gè)方面跟大家做一個(gè)介紹。

現(xiàn)階段我們國(guó)家的抗震理論來(lái)看一個(gè)是承載力方面，第二個(gè)是位移設(shè)計(jì)，是隨著人們對(duì)抗震的認(rèn)識(shí)、深入發(fā)展而起來(lái)的。位移為主要設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，目前基于性能的設(shè)計(jì)主要還是基于位移的設(shè)計(jì)。第三個(gè)是能量設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)的抗震能力是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)。大家知道由于結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震的作用下產(chǎn)生了屈服，進(jìn)入一次性變形的階段，結(jié)構(gòu)的剛度、制震周期都會(huì)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的變化并不取決于順時(shí)的地震作用，地震的變形能力和耗能能力的不足才是在強(qiáng)震作用下倒塌的原因。

所以能量設(shè)計(jì)的方法主要是想通過(guò)構(gòu)件的抗震能力來(lái)達(dá)到抗震的目的。位移設(shè)計(jì)和能量設(shè)計(jì)常用的措施有這么幾個(gè)：主要是合理的選取結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件、有效控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能，設(shè)置抗震多道防線，包括了布置抗能構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)抗震能力的主要措施，包括合理的結(jié)構(gòu)體系選擇，耗能機(jī)制的指定，后面紅色的都跟我們消能減震有直接的關(guān)系。

位移和能量演變的設(shè)計(jì)思想，主要是遭遇小震的由主體結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，部分的耗能裝置或者是構(gòu)件可能發(fā)揮作用，但是要視具體情況而定，保證結(jié)構(gòu)的正常使用。遭遇較大地震的時(shí)候耗能元件發(fā)揮作用，增加結(jié)構(gòu)的耗能能力，隔震、改變結(jié)構(gòu)特性以減少地震輸入等，來(lái)保證主體結(jié)構(gòu)的安全和功能性。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)概念明確、結(jié)構(gòu)體系層次清晰，提高了設(shè)計(jì)的可靠性，通過(guò)耗能元件高效耗能，增強(qiáng)了主體結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)的性能。

這是整個(gè)一個(gè)設(shè)計(jì)思想。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明耗能可以做到消能地震能量的90%以上，常用的消能減震優(yōu)化設(shè)計(jì)的措施是主動(dòng)控制、被動(dòng)控制的耗能能量，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。

第二部分我想講一下阻尼器耗能的原理和設(shè)計(jì)流程。耗能減震的原理主要是通過(guò)耗能構(gòu)件來(lái)消耗地震作用的能量，來(lái)減輕振動(dòng)。從能量的觀點(diǎn)來(lái)講，如果地震輸入是一定的話，耗能構(gòu)件的性能提高，那結(jié)構(gòu)的耗能能力就降低，就會(huì)減少，從動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)講，跟耗能相比的作用相對(duì)于耗能阻力的提高，可以使得結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)減少。耗能結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的分析我們現(xiàn)在采用的是非線性的分析方法?？梢酝ㄟ^(guò)下面的公式來(lái)計(jì)算。阻尼比超過(guò)20%的時(shí)候，用常用的地震分析可能會(huì)引起較大的地震誤差。

阻尼器大致上分為兩種，一種是與速度相關(guān)的粘彈性阻尼器，還有一種是以摩擦或者是金屬屈服為特征的位移相關(guān)性阻尼器。阻尼器的安裝部位大致上有這幾種：一種是安裝在支撐處，另外一組安裝在梁柱連接處，或者是剪力墻的連接處，再或者是框架與剪力墻的連接處。這是幾種常用的耗能軟件。

耗能支撐有幾種形式，一種是交叉型的耗能阻尼器，還有一種摩擦耗能支撐，還有耗能偏心支撐，耗能偶撐。

這里有一張關(guān)于阻尼器運(yùn)用的列表對(duì)比，由于時(shí)間關(guān)系我想不在這里做詳細(xì)的介紹了。

接下來(lái)我想講一下耗能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本流程。和傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相比，耗能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既有相同的地方，也有獨(dú)特的一面，耗能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括兩部分的內(nèi)容。首先是耗能減震裝置的設(shè)計(jì)，其次還有數(shù)值計(jì)算校核階段。

現(xiàn)在常用的分析軟件大致上有這么幾種，一個(gè)是Linear，還有SAP2000，關(guān)鍵是要進(jìn)行模擬。

接下來(lái)我介紹幾個(gè)應(yīng)用的案例。一個(gè)是上海古北的高層辦公樓，從這個(gè)辦公樓的平面圖中可以看出核心層是偏的，所以抗震性不是很好。通過(guò)這個(gè)阻尼器來(lái)解決問(wèn)題。這幢樓15層高。我們?cè)谶@里布置的是約束支撐，為了說(shuō)明它的效果，我們把它做了兩種，一種是把設(shè)置做了一些比較，設(shè)置支撐，還有一種是普通的支撐。從這個(gè)比較來(lái)看它的位移結(jié)構(gòu)減少，另外它的性能也比較好。

這里做了一些經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比。我們可以通過(guò)對(duì)比來(lái)發(fā)覺(jué)，在地震作用大的時(shí)候確實(shí)支撐的耗能能力比較明顯，與普通的鋼支撐結(jié)構(gòu)相比來(lái)看，效果比較明顯。因此它不僅會(huì)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，還因此帶來(lái)工程造價(jià)和工程修復(fù)費(fèi)用也會(huì)降低，應(yīng)該說(shuō)會(huì)有客觀的經(jīng)濟(jì)效益。

第二個(gè)工程是某醫(yī)院的干部保健樓。這幢樓在結(jié)構(gòu)方案時(shí)候做了4種方案比較。第一種方案是普通的鋼框架支撐結(jié)構(gòu)方案。第二種方案是鋼框架加上消能支撐結(jié)構(gòu)。第三個(gè)方案是框架剪力墻結(jié)構(gòu)，第四種是組合結(jié)構(gòu)的方案。對(duì)這四種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了一個(gè)比較，從這個(gè)比較當(dāng)中可以看出，方案二的結(jié)構(gòu)是相對(duì)合理的，方案一材料的消耗量較大，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)來(lái)說(shuō)較差，方案三在中震的時(shí)候，大量構(gòu)件的截面加大的可能性沒(méi)有，而且材料消耗很大。第四個(gè)方案中震材料的消耗量過(guò)大。所以最后選擇了第二種方案。這個(gè)是阻尼器的布置平面位置，還有安裝的示意圖。

從這個(gè)工程來(lái)看，后來(lái)經(jīng)過(guò)方案比較以后又做了一些修改，主要是考慮到這個(gè)結(jié)構(gòu)首層的層高比較高，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，首層采用了普通的鋼結(jié)構(gòu)，上面大部分采用了帶阻尼器的效應(yīng)支撐。

接下來(lái)另外一個(gè)工程案例是上海的世貿(mào)國(guó)際廣場(chǎng)，它的特點(diǎn)挑空結(jié)構(gòu)，這個(gè)挑空偏離裙房，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)很?chē)?yán)重，通過(guò)在主樓和裙房之間設(shè)置阻尼器來(lái)解決挑空的問(wèn)題。這是阻尼器連接的點(diǎn)，這是兩種方案的比較，一種是主樓和裙房沒(méi)有連接的方案。一種是主樓和裙房之間采用阻尼連接的方案。從這兩個(gè)方案的比較來(lái)看，裙房的位移是大大減少的。

這個(gè)項(xiàng)目增設(shè)了阻尼器以后，小震作用下主樓所受到的剪力增加了，而廣場(chǎng)和裙房的剪力相對(duì)減少，在大震情況下的影響不是很大，雖然地震大大增加，但是阻尼器增加不是很多。所以由于阻尼器的耗能作用，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)大大減少。這個(gè)是超高層，增設(shè)了阻尼器以后，裙房的位移相對(duì)大，而主樓的位移普遍有所減少，這表明了阻尼器在傳遞著裙房與主樓上所受風(fēng)的壓力。這是阻尼器在風(fēng)載作用下的情況。

另外一個(gè)案例是北京某賓館的改造。它原來(lái)是一個(gè)3、4層的層面，然后中間有兩條縫，但是這個(gè)縫的寬度有限，經(jīng)過(guò)計(jì)算這個(gè)建筑會(huì)相碰，這個(gè)是兩條曲線，一個(gè)是沒(méi)加阻尼器前的，一個(gè)是加了阻尼器后的結(jié)構(gòu)對(duì)比。

最后一部分我想針對(duì)消能減震關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)給大家介紹一下。消能減震技術(shù)有多種形式，阻尼器是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)體系，被動(dòng)式的消能方式，在國(guó)內(nèi)和國(guó)外一些國(guó)家結(jié)構(gòu)中作為常規(guī)的消能減震措施，近年來(lái)消能減震逐漸被我國(guó)建筑界所接受。地震以來(lái)，不斷加深，尤其是國(guó)內(nèi)外抗震規(guī)范系統(tǒng)的差異引起的阻尼器應(yīng)用盛行問(wèn)題，阻尼器的側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題等，所以我們想將這些問(wèn)題提出來(lái)做一些討論。

從分析技術(shù)來(lái)講，現(xiàn)在常用的分析技術(shù)有兩種：一種是基于等價(jià)線性化分析的方法。這種方法目前都是先假設(shè)阻尼器在消能減震結(jié)構(gòu)中的阻力和變形量。在地震作用過(guò)程當(dāng)中消能減震結(jié)構(gòu)，各種阻尼器也會(huì)因?yàn)樵O(shè)置方式的位置不同而有不同阻尼器和變形量。對(duì)消能減震的分層反應(yīng)也有很大的影響。第二種是我們現(xiàn)在常用的靜力非線性分析。進(jìn)行靜力非線性分析的時(shí)候，阻尼器單元并無(wú)法使用其非線性功能，僅能是線性行為?？煽啃院瓦m用性，加上提供有效幫助的阻尼器，使方法并沒(méi)有計(jì)算出阻尼器提供給主結(jié)構(gòu)的有效幫助。

我們考慮解決的方法有兩種，一種是基于等價(jià)線性化分析的方法可以依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范第12章中利用等價(jià)線性化方法并配合在計(jì)算力學(xué)中常用的迭代方法來(lái)解決。

第二個(gè)方面的探討就是要考慮阻尼器的極限變形能力?，F(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，消能減震主要是為了減少主結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程當(dāng)中的反應(yīng)，降低結(jié)構(gòu)部件的負(fù)擔(dān)，必須要保證阻尼器在大震過(guò)程中仍然發(fā)揮消能作用。

在我國(guó)的抗震分析過(guò)程當(dāng)中的小震作用中，我們的抗震作用是小震作用，我們國(guó)家強(qiáng)調(diào)小震作用，所以有的時(shí)候在考慮經(jīng)濟(jì)性的工程，或者是加固性的工程當(dāng)中，阻尼器有的時(shí)候考慮在小震的時(shí)候發(fā)揮消能和效應(yīng)，并保證大震阻尼器不壞，所以我們?cè)谙軠p震的設(shè)計(jì)上對(duì)阻尼器的性能要求實(shí)際上要比國(guó)外高得多，解決的方法是在我國(guó)需要達(dá)到3到40倍以上，所以除了計(jì)算阻尼器提供給結(jié)構(gòu)的有效剛度，和有效阻尼比以外，還必須注意阻尼器的極限變形能力，避免阻尼器過(guò)早的發(fā)生破壞，發(fā)揮消能的作用。要求我們充分了解各類阻尼器的力學(xué)行為，依據(jù)設(shè)計(jì)的要求來(lái)神圣地選擇產(chǎn)品，來(lái)滿足抗震能力的要求。

另外，我們覺(jué)得還需要考慮阻尼器的側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題，主要是過(guò)去在研究阻尼器行為的時(shí)候一般都是把阻尼器視為單方向的銷。但是我們現(xiàn)在的建筑結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性和不規(guī)則性，以及狀態(tài)的分析表明了復(fù)雜性，解決的方法就是需要保證在地震過(guò)程當(dāng)中阻尼器本身和消能部件節(jié)點(diǎn)位置不會(huì)發(fā)生破壞，以保證阻尼器的正常發(fā)揮。

最后一個(gè)問(wèn)題是其他要注意的事項(xiàng)。在地心力作用下，阻尼器的水平減弱最好不要超過(guò)1/3，主結(jié)構(gòu)的自身具備一定的抗震作用，避免阻尼器在地震過(guò)程當(dāng)中無(wú)法發(fā)揮預(yù)期的消能效果而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。

第二個(gè)是由于疲勞的問(wèn)題，不能用于抗風(fēng)，而且在抗風(fēng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中來(lái)保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下阻尼器不發(fā)生位移。

第三點(diǎn)就是速度型的阻尼器消能效果和頻率有關(guān)，因此需要依據(jù)不同方向的支撐頻率來(lái)做，不能僅用低于震值的頻率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

第四，由于加裝速度性阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算變得非常復(fù)雜，所以建議用內(nèi)力來(lái)考慮結(jié)構(gòu)過(guò)程，包括最大相對(duì)速度，最大層間的位移，層間加速度來(lái)計(jì)算，采用最大值計(jì)算。

第五點(diǎn)就是消能減震在地震作用的情況下，也就是說(shuō)在沒(méi)有發(fā)生地震的情況下，在平時(shí)固定的時(shí)段內(nèi)要進(jìn)行經(jīng)常性的檢測(cè)和維護(hù)，包括有損壞的話要進(jìn)行更換。位移阻尼器要做好防繡和防腐的工作。要進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)。

好的，我的報(bào)告就到這里。謝謝大家！