面向損傷控制的減震結(jié)構(gòu)體系阻尼比解析計算及性能設(shè)計

王寶順　何浩祥　閆維明

摘要： 與基于力、基于位移及基于能量的設(shè)計方法相比，基于損傷的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法能夠更全面直接地確定或評估結(jié)構(gòu)抗震性能。由于缺乏消能部件附加等效阻尼比與主體結(jié)構(gòu)損傷程度之間的關(guān)系表征，目前基于損傷的減震結(jié)構(gòu)性能設(shè)計方法只能通過消能器設(shè)計參數(shù)的迭代調(diào)整分析實(shí)現(xiàn)預(yù)期損傷。針對以上不足，從能量耗散角度剖析了減震結(jié)構(gòu)主體部分損傷機(jī)理，通過彈塑性耗能差率損傷模型建立減震結(jié)構(gòu)附加等效阻尼比與損傷指數(shù)之間的定量關(guān)系，并提出消能部件在地震動下的動態(tài)附加等效阻尼比計算方法。在此基礎(chǔ)上結(jié)合地震易損性分析方法提出面向損傷控制的減震結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計流程。通過算例表明阻尼比解析計算準(zhǔn)確，該流程具有通用簡便、不需迭代等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⒅黧w結(jié)構(gòu)的損傷程度有效控制至預(yù)期損傷目標(biāo)。該方法也可以兼容基于位移的設(shè)計方法，且具有更嚴(yán)格的概率統(tǒng)計意義。

關(guān)鍵詞： 減震結(jié)構(gòu);?損傷控制;?消能部件;?附加阻尼比;?性能設(shè)計

中圖分類號： TU352.11;?TU391 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ???文章編號： 1004-4523（2022）02-0264-13

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.002

引??言

結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)中的被動控制方法是通過在結(jié)構(gòu)上增設(shè)消能部件，從而提供附加剛度或附加阻尼，以此來提高結(jié)構(gòu)的減震性能，減輕主體結(jié)構(gòu)損傷并增強(qiáng)其安全性。相關(guān)設(shè)計方法成為抗震減震領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，相關(guān)研究及工程應(yīng)用已證實(shí)其可行性及有效性^[1?2]。

基于性能的抗震設(shè)計理論針對各級地震作用水準(zhǔn)將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分為不同等級，設(shè)計者根據(jù)結(jié)構(gòu)用途、業(yè)主及使用者的特殊要求，采用合理的抗震性能目標(biāo)和合適的結(jié)構(gòu)抗震措施進(jìn)行設(shè)計，使結(jié)構(gòu)在各水準(zhǔn)地震下的破壞損失能為業(yè)主選擇和承受?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計方法包括基于力、基于位移、基于能量及基于損傷的設(shè)計方法。傳統(tǒng)無控結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計研究成果已比較豐富。美國地震減災(zāi)項(xiàng)目NEHRP提出了直接基于位移的抗震評估及加固方法^[3]。日本在《建筑標(biāo)準(zhǔn)法》設(shè)計基礎(chǔ)上提出了基于性能抗震設(shè)計的構(gòu)架，并成立了技術(shù)委員會負(fù)責(zé)健全和推廣基于性能/位移的抗震設(shè)計方法^[4]。歐洲CEB出版的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)控制彈塑性反應(yīng)的抗震設(shè)計：設(shè)計概念及規(guī)范的新發(fā)展》給出了用直接基于位移的方法評估在役結(jié)構(gòu)的抗震性能和進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震加固的具體步驟。中國的抗震設(shè)計規(guī)范^[5]采用“三水準(zhǔn)、兩階段”的抗震設(shè)計方法也是基于抗震性能設(shè)計的目的。

針對消能減震結(jié)構(gòu)體系基于性能的減震設(shè)計方法也開展了一定的研究。由于基于力的設(shè)計方法不能夠直觀反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞情況，不適用于減震結(jié)構(gòu)體系的性能設(shè)計?；谖灰婆c基于能量的減震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計方法普遍被人們接受。Lin等^[6]提出了消能減震結(jié)構(gòu)基于位移方法的設(shè)計流程，該流程對不同消能部件均適用。李鋼等^[7]對基于位移方法在黏滯阻尼器減震體系中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)分析，并針對消能器參數(shù)配置及位移反應(yīng)譜的選用提出了相關(guān)建議。Kim等^[8?9]將能力譜法和直接基于位移的設(shè)計方法應(yīng)用于設(shè)計附加黏滯阻尼器和附加約束屈曲支撐結(jié)構(gòu)，并取得了良好的減震效果。Benavent?Climent等^[10]基于優(yōu)化設(shè)計理論提出了一種安裝阻尼器加固結(jié)構(gòu)的能量設(shè)計方法。Habibi等^[11]提出了一種適用于不同阻尼器的能量設(shè)計方法。朱立華等^[12]從能量的角度提出了一種考慮主結(jié)構(gòu)損傷耗能的簡化抗震設(shè)計方法。

需要指出的是：基于位移的抗震設(shè)計方法是通過靜力方法去評價結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能，沒有充分考慮地震持續(xù)時間、結(jié)構(gòu)往復(fù)彈塑性變形和累積滯回耗能等因素的影響?；谀芰康脑O(shè)計方法能夠相對比較容易地估計結(jié)構(gòu)的潛在破壞程度，但是目前并沒有建立被普遍認(rèn)可的破壞狀態(tài)與能量控制參數(shù)之間的關(guān)系，無法評價結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計的目的是準(zhǔn)確評價和控制結(jié)構(gòu)的損傷，供業(yè)主或使用者方便遴選，因此要求的性能指標(biāo)在力學(xué)和工程上具有嚴(yán)格物理意義且被廣泛接受，雖然力、變形、能量分布規(guī)律確實(shí)能夠表征結(jié)構(gòu)的基本抗震性能，但并不全面且業(yè)主的理解程度和可接受性偏低，而基于損傷的設(shè)計方法則更為直觀和準(zhǔn)確。此外，損傷指數(shù)可以通過結(jié)構(gòu)的力、位移、能量等計算獲得，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震性能的精準(zhǔn)評估，因此損傷指數(shù)是比其他性能參數(shù)具有更高層次的設(shè)計參量，所以基于損傷的減震結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計方法兼容基于位移的設(shè)計方法，從而自動滿足基于位移設(shè)計方法的變形控制目標(biāo)。此外，對于消能減震結(jié)構(gòu)而言，很難確保主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震下始終處于彈性無損狀態(tài)，允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性更為合理和經(jīng)濟(jì)，這更加體現(xiàn)了基于損傷設(shè)計的必要性。然而，目前基于損傷對減震結(jié)構(gòu)體系的性能進(jìn)行設(shè)計方面的研究較少，尚未確立準(zhǔn)確有效的設(shè)計流程。劉淼鑫等^[13]雖然提出一種基于損傷性能的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，但是需要進(jìn)行迭代計算確定能否滿足預(yù)期損傷，對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言計算過程過于繁瑣，且消能部件提供的附加等效阻尼比需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試算選定，因此亟需通過建立兩者之間的理論關(guān)系來克服該不足。首先，需要對結(jié)構(gòu)整體的損傷狀態(tài)進(jìn)行合理準(zhǔn)確的力學(xué)描述。眾多學(xué)者提出了不同的損傷模型，Ghobarah等^[14]提出了以損傷前后兩次推覆分析獲得的剛度比來評價整體損傷的方法。Powell等^[15]提出基于極限延性的損傷指標(biāo)。Fajfar等^[16]提出基于滯回耗能的損傷指標(biāo)。上述損傷模型均不能充分反映結(jié)構(gòu)累積損傷特征和滯回耗能能力，因此研究者普遍應(yīng)用能夠同時反映位移和能量特性的Park?Ang地震損傷模型^[17]來評價構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的損傷程度，但該模型仍然是一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，且其存在機(jī)理不明確、閾值不嚴(yán)格等缺陷。Gosain等、Krawinkler等和Ibarra等也分別提出了基于循環(huán)退化率的損傷模型^[18?20]，但一般只限于構(gòu)件的低周往復(fù)損傷分析，無法在結(jié)構(gòu)整體的時程分析中應(yīng)用。基于上述損傷模型的不足，何浩祥等^[21]提出了基于彈塑性耗能差率的地震損傷評估模型，該模型可以細(xì)致表征結(jié)構(gòu)累計損傷和滯回耗能能力，并能準(zhǔn)確評價結(jié)構(gòu)的時變損傷程度，適合進(jìn)一步驗(yàn)證和推廣。

另一方面，等效阻尼比是損傷指數(shù)與損傷耗能之間的紐帶，其取值對損傷設(shè)計的精度將產(chǎn)生直接影響。目前等效阻尼比的計算方法有應(yīng)變能法^[5]、復(fù)模態(tài)計算法^[22]、強(qiáng)解耦振型分解法^[23]、隨機(jī)減量法^[24]、自由振動衰減法^[25]，上述方法理論要求較高、計算繁瑣，有些存在局限性，如傳統(tǒng)阻尼比是主要適用于速度相關(guān)型阻尼器，對位移相關(guān)型阻尼器的計算考慮不足，應(yīng)變能法無法準(zhǔn)確表征消能部件的時變減震效果。為此翁大根等^[26]提出了一種基于有效模態(tài)阻尼耗能概念的附加有效阻尼比計算方法，該方法充分考慮了阻尼比的時變特性，但是其計算結(jié)果為地震動整個時間歷程上的平均附加等效阻尼比，并不能準(zhǔn)確評價消能部件的時變減震效果，可進(jìn)行改進(jìn)和拓展。

此外，盡管諸如位移相關(guān)型阻尼器和速度相關(guān)型阻尼器等不同消能部件的減震機(jī)理不盡相同，但是減震效果需求是相同的，可以通過明確減震結(jié)構(gòu)主體部分的損傷控制程度來調(diào)控和協(xié)調(diào)消能部件的設(shè)計。有鑒于此，本研究通過彈塑性耗能差率損傷模型建立了減震結(jié)構(gòu)附加等效阻尼比與損傷指數(shù)之間的定量關(guān)系，并對消能部件在地震動作用下的動態(tài)附加等效阻尼比進(jìn)行求解，在此基礎(chǔ)上結(jié)合地震易損性分析理論提出了面向損傷控制的減震結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計流程。研究結(jié)果表明該面向損傷控制的設(shè)計方法可以退化為基于位移的設(shè)計方法，且具有準(zhǔn)確有效、通用簡便、不需迭代計算等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)χ黧w結(jié)構(gòu)的損傷程度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。6741614D-75DD-44F3-9846-2C292CA3A3AB