消能減震技術及地震反應分析

練祥宇 李萍 幸錦歡

1、廣西大學土木建筑工程學院 530004; 2、廣西桂商房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 530004

消能減震技術及地震反應分析

練祥宇1李萍1幸錦歡2

1、廣西大學土木建筑工程學院 530004; 2、廣西桂商房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 530004

概述了建筑結構消能減震的發(fā)展歷史，闡述了消能減震的基本原理、力學模型、動力方程。用MATLAB程序模擬計算一個算例，通過對比分析一般結構和消能結構的時程反應，得到建筑結構采用消能減震技術可以有效降低地震反應的結論，從而達到減震的目的。

消能減震；動力時程分析；黏彈性阻尼器

結構的消能減震是結構被動控制中最重要的方法之一，它是在結構中設置消能裝置，以吸收與消耗地震能量，從而減小結構的地震反應，并消除或減輕結構的局部損壞。

早在一兩千年前，我國人民就成功地應用減震的概念和技術，建成遍布全國各地的宮殿、寺廟、樓塔等等。這些古建筑，經(jīng)歷多次強烈地震而屹立不毀，完整保留至今，大都不是采用“硬抗地震、加強結構”的方法，而是采用“以柔克剛、隔震消能”的途徑，充分證明消能減震技術概念合理，安全有效，簡單易行?，F(xiàn)代建筑中，1969年紐約世貿中心的雙塔樓上就已安裝了黏彈性阻尼器，有效地控制結構的風振反應，增加人體的舒適度。與國外相比起來，消能減震技術在我國的應用要晚一些，但近年來發(fā)展得很快，并取得了滿意的實踐結果。我國《建筑結構抗震設計規(guī)范(GB50011—2001)》也已增加了消能減震方面的相關內容，以加速該項技術的實施進程。規(guī)范對消能裝置的性能、安裝技術等均提出了要求，對消能減震結構的分析提出計算原則。

1、消能減震的基本原理

消能減震的基本原理簡單概括為：在工程結構的特定部位，裝設某種裝置或某種機構(如消能支撐、消能剪力墻、消能節(jié)點等)，或某種子結構(如調諧質量等)，或施加外力(外部能量輸入)，以改變或調整結構的動力特性或動力作用的體系，使結構在地震(或風)作用下的動力反應得到合理控制，確保結構本身及結構中的人、儀器、設備、裝修等的安全。

2、消能減震裝置的力學模型及運動方程

地震作用下，消能減震結構一般是靠消能裝置進入非線性工作狀態(tài)來消耗地震能量，其地震反應一般可根據(jù)消能裝置的力-位移恢復力關系，采用時程分析法求出解析解。

2.1 主體結構分析模型

2.1.1 層模型

層模型取層為基本計算單位，采用層恢復力模型以表征地震過程中層剛度隨層剪力的變化關系，不考慮彈塑性階段層剛度沿層高的變化。

根據(jù)結構側向變形狀況不同，層模型可分為三類，即剪切型、彎曲型與剪彎型。利用層模型可確定結構的層間剪力與層間位移，在實際工程實踐中，主要用于檢驗結構在罕遇地震作用下的薄弱層位移及層間側移，并校核層剪力。

2.1.2 桿件模型

視結構為桿件體系，取梁、柱等桿件為基本計算單元，并將結構質量集中于各節(jié)點上，即構成桿系模型。各節(jié)點具有獨立的節(jié)點位移，結構的動力自由度數(shù)等于結構節(jié)點自由度的總數(shù)。該模型適用于桿系結構，可求解結構中各桿件的內力和變形。

2.2 消能裝置的恢復力模型

目前的減震耗能裝置根據(jù)性能可以分為位移型、速度型阻尼器。結構設計中通常是將阻尼器與鋼支撐串聯(lián)形成黏滯耗能支撐，并將其附設于結構層框架柱之間。它們與結構連接在一起的單層力學模型可以簡化為圖示1的模式所示，一般應用較為普遍的有：軟鋼彈塑性阻尼器系統(tǒng)(EPD)、黏彈性阻尼器系統(tǒng)（VSD)及黏滯阻尼器系統(tǒng)（VED），其力學模型分別如下列各圖所示。

圖1 單層結構消能支撐力學模型

圖2 VSD系統(tǒng)力學模型

圖3 VED系統(tǒng)力學模型

圖4 EPD系統(tǒng)力學模型

2.3 運動方程

式中：[M]、[C]、[K]為結構質量、阻尼、剛度矩陣，{x}為結構相對地面的位移向量，{l}為單位列向量，{U}為控制力向量，，[H]為控制裝置位置矩陣。則此時該阻尼器所提供的控制力為：

3、算例分析

表1數(shù)據(jù)可以得出被控結構在地震下第一至四層的層間角位移大于限值1/550。相比，消能結構的層間位移非常小，很容易滿足要求。表2數(shù)據(jù)可以得出消能結構的層間剪力大大減少，降至被控結構的52%以下，定量說明了消能結構水平地震作用的有效降低情況。并且如果加大阻尼器的數(shù)量，效果更為明顯。

4、結論

通過計算分析對比可知，附加阻尼器可有力的改善原結構的動力特性，提高體系的頻率，從而降低結構在地震作用下或風作用等水平動荷載作用下的反應，提高結構抵抗沖擊的能力，有效地保護了結構安全。

表1 層間位移對比

表2 層間剪力對比

[1] 周福霖.工程結構建筑控制[M].北京：地震出版社.1997.

[2] 周云. 黏彈性阻尼減震結構設計[M].武漢理工大學出版社.

[3] GB 50011-2001.建筑抗震設計規(guī)范[S]

[4] 白志強，于蘭蘭.黏彈性阻尼器結構的動力特性分析[J].濰坊學院學報.2008，8(2)：113-115

練祥宇（1985-）女、廣西桂林人，廣西大學土木建筑工程碩士，研究方向：結構分析、設計及施工控制的新理論新方法。

李萍（1984-）女、廣西賀州人、廣西大學土木建筑工程碩士，研究方向：鋼結構與組合結構。

幸錦歡（1983-）廣東羅定人，助理工程師，廣西桂商房地產(chǎn)開發(fā)有限公司。