梁景彪

摘要：所謂耗能減震結(jié)構(gòu)，就是將耗能元件設置在建筑結(jié)構(gòu)中，用于吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，這一過程主要應用的是滯回變形耗能原理，這樣，結(jié)構(gòu)的地震反應就會被大大減低，其所產(chǎn)生的破壞程度自然就會下降，從而達到減震目標。將這種結(jié)構(gòu)應用于建筑設計中，可以提升建筑物的抗震能力，提高其安全性能，應用前景非常廣闊。本文主要探究了耗能減震結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設計方法。

關(guān)鍵字：耗能減震鋼結(jié)構(gòu)；性能；抗震設計方法

前言：為了提升城市建筑的抗震能力，人們提出了基于性能的耗能減震鋼結(jié)構(gòu)。耗能器運作過程中具有非線性特征，影響原有結(jié)構(gòu)的動力性，對動力反應產(chǎn)生負面影響，耗能減震鋼結(jié)構(gòu)就要消除這種影響。設計這種結(jié)構(gòu)的最大難點就是耗能器運作的非線性，如何采用合適的方法使設計更加簡便，是設計人員需要認真研究的問題。

1.耗能減震鋼結(jié)構(gòu)模型分析

在對耗能器進行分類時，一般將耗能機制或者是耗能特性作為依據(jù)，目前人們研究的耗能器主要分為三類，一是位移相相關(guān)型，二是速度相相關(guān)型，三是復合型。其中位移相相關(guān)型中，主要是金屬耗能器，最常用的就是鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)在拉伸以及彎曲等變形中耗散能量，耗能性質(zhì)與相對位移之間緊密相連。金屬耗能結(jié)構(gòu)通常都采用雙線性模型，內(nèi)部需要設置若干個耗能構(gòu)件，這些構(gòu)件串聯(lián)起來，形成耗能支撐。設計構(gòu)成中，要將構(gòu)件的組合剛度作為重要依據(jù)，最終支撐結(jié)構(gòu)與耗能器組成耗能單元。耗能減震模型中主要包括兩個部分，第一為主體結(jié)構(gòu)，第二就是耗能支撐結(jié)構(gòu)，二者之間在模型中體現(xiàn)為疊加關(guān)系，設計時要綜合考慮二者的性能，設計的不同階段，對模型分析時要采用不同的方法，保證結(jié)構(gòu)可以滿足不同的性能需求[1]。

2.耗能減震鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設計

2.1設計過程

本設計主要針對位移相關(guān)型耗能器，對現(xiàn)有研究成果進行優(yōu)化和改進，實現(xiàn)簡化目標，具體步驟如下：

首先，要建立一個等效SDOF體系，在設計中包括原結(jié)構(gòu)和耗能減震結(jié)構(gòu)，耗能減震結(jié)構(gòu)SDOF體系中，我們假設主體鋼結(jié)構(gòu)保持良好的彈性狀態(tài)，支撐結(jié)構(gòu)的彈性狀態(tài)始終沒有發(fā)生變化，也就是說耗能器始終在理想狀態(tài)下運行。然后分別計算產(chǎn)生屈服、位移以及不產(chǎn)生屈服、位移時的結(jié)構(gòu)剛度，鋼結(jié)構(gòu)耗能支撐選擇雙線型模型，分析推導等效周期、等效剛度以及等效阻尼比之間的關(guān)系，得出一個關(guān)系函數(shù)，反應幾者之間的關(guān)聯(lián)。由于設計主要是針對耗能器工作時的非線性問題，因此要求耗能減震鋼結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，抗震能力足夠強，避免被破壞。所以，滯回耗能曲線的設計要區(qū)別于一般剛才，不允許鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)性能退化問題，最終將有效阻尼比模型確認為恢復力模型，具備"無退化"特性。

推導計算完成、模型確認以后，需要將計算結(jié)果以及模型作為依據(jù)，繪制出性能曲線，反應位移減小率與基底剪力減小率之間的關(guān)系。曲線繪制完成以后，需要分析結(jié)構(gòu)的非線性時程，根據(jù)模型以及性能曲線中的參數(shù)設計鋼結(jié)構(gòu)，之后形成一個三維結(jié)構(gòu)模型，分析其非線性時程，可以根據(jù)實際需要對其中的一些參數(shù)做出調(diào)整，在滿足抗震要求的前提下盡量將設計簡化，避開迭代計算過程[2]。

2.2實例分析

某小型企業(yè)的辦公樓為鋼結(jié)構(gòu)，共有七層，層高3.7米，八度抗震設防烈度，周期折減系數(shù)為0.9，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比為3.5%。按照2.1中的步驟設計模型，計算相關(guān)參數(shù)，繪制成性能曲線。在曲線圖中找出最佳阻尼比，探究該處的性能參數(shù)，如果處于小震環(huán)境下，對支撐結(jié)構(gòu)的剛度沒有過多要求。如果處于中震環(huán)境下，需要提升支撐結(jié)構(gòu)的剛度，此時在繪制性能曲線的過程中我們會發(fā)現(xiàn)其中包含的性能點更多、更加密集，隨著附加剛度的增加，拐點變得越來越突出，基底剪力降低率也沒有發(fā)生太大變化，因此附加剛度可以適當增加，但是不能太大，否則地震作用就會被方法，反而打不到理想的減震效果，鋼結(jié)構(gòu)還會遭到破壞。研究以后，最后將一層至三層、四層至六層建筑鋼結(jié)構(gòu)的彈性剛度分別確定為每毫米350千牛和每毫米150千牛。

本設計中，建筑頂層并沒有設置耗能支撐結(jié)構(gòu)，樓層位移會對震動產(chǎn)生放大效應，但是從整體上來說，最大層間位移角可以抗震要求，能夠起到耗能抗震目標。值得注意的是，以上分析中是將最初描述的假設作為前提，假設耗能器進入非線性反應階段。如果想要明確所設計的結(jié)構(gòu)是否能夠滿足實際抗震要求，需要重新對其進行非線性分析，觀察實際運作中鋼結(jié)構(gòu)的真實反映狀態(tài)[3]。

3.結(jié)論分析

首先，設計過程中要參照SDOF體系，不同性能點對應不同的等效周期，可以將此作為依據(jù)來估算耗能器的實際周期，一般情況下比等效周期小11%至16%之間，最后可以利用該數(shù)值估算鋼結(jié)構(gòu)起到多大的減震作用。

其次，在SDOF體系中，不同性能點也對應不同的有效阻尼比，可以將此作為依據(jù)估算實際結(jié)構(gòu)的最大阻尼比，估算時需要參照相對位移，將最大樓層作為計算標準。減震鋼結(jié)構(gòu)實際運作時，耗能支撐會發(fā)生變化，耗能能力逐漸下降，減震能力也就隨之下降，因此實際附加阻尼比僅僅可以達到理想值的60%至70%，可以將這一數(shù)據(jù)作為參照預估耗能減震結(jié)構(gòu)的實際減震能力，為抗震設計提供參考。

第三，等效SDOF體系在某種角度上可以反映出耗能減震結(jié)構(gòu)與地震波性能之間的變化關(guān)系，我們可以從曲線中觀察出地震波特性。同時，曲線中的性能點有兩個直觀特性，一個是疏密程度，另一個是拐點，從這兩個直觀特性上可以做出以下判斷：一是支撐結(jié)構(gòu)的附加剛度如何，二是初始屈服位移有多大，這樣耗能減震鋼結(jié)構(gòu)在設計時就能夠與減震目標更加接近。

最后，有必要對高層鋼結(jié)構(gòu)以及不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)進行進一步研究，特別是考慮結(jié)構(gòu)高階振型影響及扭轉(zhuǎn)效應等多個因素的影響，根據(jù)設計目標選擇合理的性能設計方法，滿足設計要求[4]。

總結(jié)：將建筑中的非承重構(gòu)件設計成為耗能桿件，或者是在關(guān)鍵位置設置耗能器，可以有效吸收地震能量，提升建筑物的抗震性能。由于現(xiàn)代建筑中大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)居多，因此本文對耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的設計進行研究，設計過程中將"性能"作為基礎，考慮到鋼結(jié)構(gòu)的剛度以及彈性形變等，針對耗能器運作過程中的非線性進行研究，將復雜的設計簡化，在滿足耗能減震、抗震的要求下，兼顧經(jīng)濟性，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]周云，鄧雪松.中國（大陸）耗能減震技術(shù)理論研究、應用的回顧與前瞻[J].工程抗震與加固改造，2006，06：1-15.

[2]高瑩，黃忠海.耗能減震結(jié)構(gòu)基于能量和位移的抗震設計方法研究[J].廣東土木與建筑，2011，08：16-19.

[3]鄧雪松，湯統(tǒng)壁.耗能減震鋼結(jié)構(gòu)性能水準與目標的初步研究[J].防災減災工程學報，2008，01：104-109.

[4]翁大根，張瑞甫.基于性能和需求的消能減震設計方法在震后框架結(jié)構(gòu)加固中的應用[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2010，S2：66-75.