消能减震结构抗震设计应用的探讨

　　摘要：本文在介绍消能减震体系优越性的基础上，简述了抗震设计理论以及减震技术的发展与研究状况，并对消能减震结构体系的抗震设计思路与计算方法进行了探讨，为发展、完善消能减震结构的抗震设计提供了参考。
　　关键词：消能减震结构；抗震设计；基于性能的抗震设计理论；
　　[中图分类号][文献标识码]A
　　消能减震结构发展至今，正在逐步走向成熟，世界上很多国家包括我国在抗震设计规范或规程中都制定有消能减震设计的有关规定或指导意见，越来越多的实际工程采用了消能减震体系，都一致认同它具有良好的抗震性能，可以预见消能减震技术有着广阔的应用前景。但是目前的情况还存在一些消能减震结构的分析计算和实用设计方法的问题需要进一步深入研究。
　　1消能减震体系的优越性
　　相对传统抗震技术，消能减震体系具有很多优越性[1]：
　　（1）安全可靠、有效减震（抗风）：消能减震结构体系由于设置非承重的消能装置，它们具有很强的耗能能力，在强地震中能率先消耗结构的地震能量，迅速衰减结构的地震反应，并保护主体结构和构件免遭损坏，确保结构在强地震中的安全。
　　（2）经济、节省工程造价：消能减震结构虽然增设某些消能装置，但主体结构所承受的地震作用大大减小，故可减少构件断面，减少构件配筋，扩大跨度，增加高度等等，结构物的总造价反而节省。
　　（3）使建筑结构设计不受太多限制：由于采用消能控制装置，结构本身所受的地震作用大大减少，因而可以突破传统结构对结构设计的某些严格限制（如要求体型规则、对称、刚度均匀，刚心质心重合等等），按照建筑结构的功能要求，做成非规则结构、大跨度结构、大开间结构、框架与砖混结构、超高层抗震抗风结构等等。使建筑师从“抗震”限制中解放出来，比较自由地对建筑物或结构物进行建筑设计，而其抗震能力通过减震装置加以保证。
　　（4）技术合理性：消能减震结构则是通过设置消能构件或装置，使结构在出现变形时大量迅速消耗地震能量，保护主体结构在强地震中的安全。结构越高、越柔，跨度越大，消能减震效果越显著。由于消能减震结构体系的上述特点，已被广泛、成功地应用于“柔性”工程结构物的减震（或抗风）。一般来说，层数越多、高度越高、跨度越大、变形越大，消能减震效果将越明显。
　　（5）适应范围广：消能减震体系既适用于新设计的工程结构，也适用于已有工程结构的抗震加固或抗风性能的改善；既适用于量大面广的一般建筑结构、住宅建筑，也适用于地震时要求保证绝对安全的重要工程结构（如核电站结构）可能产生放射性物质、剧毒物质泄漏或剧毒气体扩散、爆炸及其他有重大政治、经济、社会影响的建筑物，超高层建筑、大跨度桥梁、城市生命线工程、卫星地面站、海洋平台等等。
　　（6）检测修复方便：由于消能减震结构师通过外设消能装置而不是通过结构本身达到抗震要求的，故对其抗震性能的检测修复也只限于外设装置，维修、更换都很方便，这比检测后修复结构物本身要快捷方便得多。因此它能确保地震后的快速修复，这对地震后尽快恢复正常生产和生活具有十分重大的意义。
　　正是消能减震结构有着以上诸多优点，使其在工程上具有很广阔的应用前景，也愈来愈受到国内外研究人员的重视。据不完全统计，至今开展消能减震技术研究的国家已有20多个，在实际应用工程中取得了明显的效果。
　　2结构减震控制的分类
　　工程结构减震控制[2][3][4]是指在结构的特定部位安装某些特殊装置（如隔震垫等）、某种机构（如耗能支撑、消能剪力墙等）、某种子结构（如调频质量块等）或施加外力（外部能源输入），以改变或调整结构的动力特性和动力作用。建筑结构减震控制一般分类如下图1.1。
　　
　　3消能减震结构体系的抗震计算方法
　　近年来，随着各国在消能减震方面研究的深入，许多国家相续制定了消能减震结构相应的设计、施工规范和规程[2][3][4][5]。美国消能研究组织早在1992年就制定了一系列试行条款，对带金属屈服阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器建筑结构的抗震设计计算方法作了规定。提出在设计地震荷载作用下，阻尼器允许进入弹塑性状态，而主体结构仍保持为弹性的设计原理。1993年，美国加州结构工程师协会(SEANOC)又颁布了有关于消能减振技术的暂行规定，明确指出消能减振体系设计时不能采用等效侧力法(相当于我国抗震规范中的底部剪力法)计算，而应该使用动力时程分析法，对于安装有粘(弹)性阻尼器的结构，可以采用反应谱分析法。俄罗斯也制定和颁布了“消能减振结构体系的设计和施工规程”，它主要包含有两部分的内容：一方面规定了结构在地震荷载作用下的计算方法，如反应谱法、时程分析法等；另～方面也列举了相关结构的设计和施工方法。日本、新西兰等国家也制定、颁布了相应的规范和规程。我国新修订的《建筑结构抗震设计规范》GB50011-2001（2008）也增加了隔震和消能减振方面的相关内容，以加速该项技术的实施。
　　现代的抗震设计理论是从20世纪初才开始建立起来的。经历了一个世纪的发展，随着人们对地震动特性和结构动力特性理解的不断加深，结构抗震设计理论从最初的静力阶段和反应谱阶段，发展到动力阶段及目前的基于性能的抗震设计理论阶段。
　　静力分析方法忽略了结构本身动力特性的影响，对低矮的、刚性较大的建筑物是可行的，对柔性较强的消能减振结构计算误差较大，对结构动力反应以及消能构件的内力无法准确把握，这是静力分析方法的不足。
　　反应谱分析方法考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系，但只能笼统给出结构整体最大地震反应，而不能给出结构地震反应的全过程，确定结构薄弱环节时也显得粗糙，有时难以保证消能构件附加阻尼比的计算精度，这是反应谱分析方法的缺陷。
　　时程分析方法能一般地描述地震作用下结构的状态，计算地震反应全过程中各时刻结构内力和变形状态，是一种可靠的分析方法，它主要包含弹性动力时程分析法与弹塑性动力时程分析法。前者作为一种计算手段而言是成熟的，但在实际情况下，有不少构件可能进入弹塑性阶段，采用弹性时程分析则变的无意义了，后者克服了前者的缺点，但对一个庞大的建筑结构，合理建立每一单元的恢复力模型与编制程序，均非易事，计算结果也常应程序操作人员经验的不同，选用计算参数有差异，而造成不同的结果，这是它的缺点。
　　基于性能的抗震设计理论[6][7]是抗震设计理论的一次重大变革，它改变了现有的设计理念和方式，由传统的以生命安全为单一设防目标转为综合考虑生命安全与财产损失两方面的具体要求从而使得“多级设防”的理念更加具体化；按选定的抗震功能目标设计，可以预期结构在未来地震中的抗震能力；能主动灵活的实现业主所要求功能目标的设计方法和相应的结构措施，例如：可以选择采取各种结构控制技术（包括主动控制技术、隔震技术、消能减震技术、半主动控制技术等）及新型材料等，便于这些新技术和新材料的推广与应用。
　　4消能减震结构的抗震设计思路
　　消能减震结构主要应用于以下两方面：（1）提高现有结构的抗震设防标准和可靠度。（2）设计全新的结构，主体结构不满足抗震要求，通过设置消能构件使结构满足抗震设防要求，目前国内消能减震控制还主要用于现有结构的抗震加固。对现有结构添加消能构件进行抗震加固设计步骤[8]总结如下：
　　1、在设防烈度对应的多遇地震作用下，计算截面设计阶段的地段的地震作用力，与作用于结构的其它外荷载进行组合。考虑附加消能构件的附加作用，对其进行适当折减，验算多遇地震作用下结构的抗震承载力与弹性变形能力，这是确保结构具有必要的刚度，如果不满足，需要通过传统的抗震加固方法（增大构件截面尺寸，增加配筋）提高结构的承载力。
　　2、根据建筑的抗震设防目标，计算消能减震结构在设防烈度地震作用下或罕遇地震作用下所需要的附加阻尼比。
　　3、根据消能减震结构所需附加阻尼比，选择合适的消能构件、采用合理的布置方式，计算消能减震结构附加阻尼比，且要求。
　　4、将消能构件的附加刚度、附加阻尼与原结构的刚度、阻尼相加形成消能减震结构的总刚度矩阵、总阻尼矩阵。设防烈度地震作用下与罕遇地震作用下对结构进行动力分析，结构地震反应小于抗震设计要求，则设计基本完成；否则需要回到第二步循环设计。
　　5、考虑到消能构件对结构内力的影响，有必要对罕遇地震作用下的结构承载能力进行验算，当结构构件出现承载能力明显不足时，需要对消能构件选型或者布置方式进行调整，回到第三步重新设计，直到满足设计要求为止。
　　6、为了达到优化的目的，不断调整消能构件的数量和布置方式，循环设计使消能减震结构具有良好的消能能力。
　　5结束语
　　消能减震体系的优越性展现了它在工程上具有很广阔的应用前景，由于消能减震技术的使用在国内还处于起步阶段，消能减震结构的受力特点有待于进一步研究，相应的计算方法有待于进一步改善，本文对消能减震结构体系的抗震设计思路与计算方法的探讨为发展、完善消能减震结构的抗震设计提供了一定的基础。
　　参考文献：
　　[1]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997.
　　[2]阎维明,周福霖,谭平.土木工程结构振动控制的研究进展[J].世界地震工程,1997,13(2):8-17.
　　[3]徐彤,周云,李良.结构减振控制技术在抗震加固改造中的应用[J].建筑结构2000,(10):1-7.
　　[4]蔡国平,孙峰,王超.建筑结构被动控制发展动态[J].力学与实验,2000,(22):6-12
　　[5]HousnerGW,BergmanLA,etal,Structurecontrol:past,presentandfutrue.[J].JournalofEngineeringMechanics,1977,9(1):897-971.
　　[6]谢礼立,马玉宏.现代抗震设计理论的发展过程[J].国际地震动态,2003,(10):1-7.
　　[7]蔡健,周靖,禹奇材.建筑抗震设计理论研究进展[J].广州大学学报（自然科学版）,2005,4(1):65-73.
　　[8]阎茹.基于性能的粘弹性阻尼器减震体系抗震设计应用研究[D].兰州理工大学硕士学位论文,2007.