耗能減震技術在抗震加固工程中的簡化設計*

張軍濤，宮　海，程美濤

(1.上海藍科建筑減震科技股份有限公司，上海 200433；2.上海建工五建集團有限公司，上海 200062)

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耗能減震技術在抗震加固工程中的簡化設計*

張軍濤1，宮海1，程美濤2

(1.上海藍科建筑減震科技股份有限公司，上海 200433；2.上海建工五建集團有限公司，上海 200062)

摘要：介紹了阻尼器型屈曲約束支撐和阻尼器型屈曲約束鋼板墻這兩種耗能減震技術的簡化設計方法，并通過這種簡化設計方法使阻尼器型屈曲約束支撐這種耗能減震技術在抗震加固工程中的得到了應用，從案例分析結果看，這種耗能減震技術簡化設計方法為結構抗震設計提供了可靠、便利的設計依據，是一種合理有效的抗震途徑或結構振動控制技術手段，可應用于抗震加固工程的設計理論和分析。

關鍵詞：阻尼器；屈曲約束支撐；屈曲約束鋼板墻；耗能減震；抗震加固

0前言

耗能減震技術屬于一種結構被動控制措施，采取結構振動控制技術，對結構施加控制機構或系統，與結構自身共同發揮作用，以減輕主體結構的地震反應，是一種合理有效的抗震途徑(高杰等，2010)。耗能減震結構中所用的耗能裝置一般稱作阻尼器，目前研究開發的阻尼器種類很多，筆者主要對阻尼器型屈曲約束支撐和阻尼器型屈曲約束鋼板墻在抗震加固工程中的簡化設計方法進行了介紹，并針對及其工程應用做了相關總結與探討(GB50011—2010)。

1基本原理

阻尼器型屈曲約束支撐和阻尼器型屈曲約束鋼板墻均屬于位移型阻尼器，基本原理是其芯材的屈服耗能為主體結構提供附加阻尼。由于它們的耗能模式不同，所以其耗能減震原理與耗能減震性能也不同，阻尼器型屈曲約束支撐是一種拉壓屈服型位移阻尼器，而阻尼器型屈曲約束鋼板墻則是一種剪切屈服型位移阻尼器(高杰等，2011)。

阻尼器型屈曲約束支撐通過在低屈服點鋼核心外部套管，可以完全避免受壓屈曲，是一種效率很高的結構構件；同時屈曲約束支撐在達到其屈服強度極限狀態時受壓和受拉均可進入屈服狀態，且滯回曲線飽滿，又是一種性能優越的耗能減震器(李國強等，2009)，其基本組成如圖1所示。

阻尼器型屈曲約束鋼板墻是指不會發生面外屈曲的一種鋼板剪力墻，由承受水平荷載的鋼芯板和防止芯板發生面外屈曲的部件組合而成(孫飛飛等，2011)，是針對普通鋼板剪力墻易發生面外屈曲而改進的新型抗剪、減震耗能構件(孫飛飛等，2009)，其基本組成如圖2所示。

2簡化設計方法

2.1消能減震設計步驟

結構消能減震設計中，應保證結構采用阻尼器后達到規范規定的性能目標，包括結構位移、基底反力、構件配筋(陳清祥等，2005)。消能減震設計步驟流程(翁大根等，2010)，如下：

(1)增加結構阻尼比對原有結構進行驗算，使其強度、位移均滿足規范與設計要求，則該阻尼比為結構需要的有效阻尼比ξeff。

(2)將結構有效阻尼比ξeff減去原結構固有阻尼比ξ，得到阻尼器應該提供給原結構的附加阻尼比ξa。

(3)選擇適當屈服承載力與屈服位移的阻尼器，并將阻尼器布置在原結構中。

2.2阻尼器型屈曲約束支撐的結構附加有效阻尼比ξa′

阻尼器型屈曲約束支撐提供給結構的附加總阻尼比為

(1)

式中，ξa′為阻尼器型屈曲約束支撐提供給結構的附加總阻尼比；fy為阻尼器型屈曲約束支撐的初始屈服承載力；Ai為阻尼器型屈曲約束支撐核心鋼材面積；Δi′為結構第i層的層間位移；αi為阻尼器型屈曲約束支撐與結構樓層水平面之間的夾角，如圖3所示；Δyi′為阻尼器型屈曲約束支撐在結構第i層的屈服位移；Fi′為阻尼器型屈曲約束支撐所在的結構層的水平地震作用標準值；ui′為阻尼器型屈曲約束支撐所在的結構第i層對應于水平地震作用標準值的位移。

2.3阻尼器型屈曲約束鋼板墻的結構附加有效阻尼比ξa″

阻尼器型屈曲約束鋼板墻提供給結構的附加總阻尼比為

(2)

式中，ξa″為阻尼器型屈曲約束鋼板墻提供給結構的附加總阻尼比；Qy為阻尼器型屈曲約束鋼板墻的初始屈服承載力；Δi″為結構第i層的層間位移；Δyi″為阻尼器型屈曲約束鋼板墻在結構第i層的屈服位移；Fi″為阻尼器型屈曲約束鋼板墻所在的結構i層的水平地震作用標準值；ui″為阻尼器型屈曲約束鋼板墻所在的結構第i層對應于水平地震作用標準值的位移。

2.4結構有效阻尼比ξeff

結構有效阻尼比為

(3)

式中，ξeff為結構有效阻尼比；ξ為結構固有的阻尼比；Wc為所有阻尼器所在預期位移下往復一周所消耗的能量總和；WS為阻尼器所在結構在預期位移下的總應變能(GB50011—2010)。

2.5迭代計算

3案例分析

某工程主體結構為7層，在小震下對其進行了結構強度、位移驗算，均不能滿足現行規范的設計要求(GB50011—2011)。采用上述耗能減震設計簡化方法對其進行耗能減震設計，在結構的1～4層布置阻尼器型屈曲約束支撐，X方向A軸上1軸～2軸之間和G軸上6軸～7軸之間各布置了8根，Y方向1軸上D軸～E軸之間和5軸上E軸～F軸之間也各布置了8根，采用人字型布置，總計布置32根尼器型屈曲約束支撐，如圖4所示。采用同一技術性能標準的阻尼器型屈曲約束支撐，其屈服位移均為1mm，屈服承載力均為300kN。

在小震作用下，通過對本工程原結構進行驗算，結構有效阻尼比ξeff達到10%可滿足結構位移、配筋、基底反力的要求，而原結構固有阻尼比ξ為5%，因此，阻尼器型屈曲約束支撐應該提供給結構的附加阻尼比ξa為5%。

在考慮阻尼器型屈曲約束支撐剛度的前提下，經計算得到結構的周期和位移比參數，并與未設置阻尼器型屈曲約束支撐的模型進行計算結果對比(表1)。

從表1中可以看出，其周期和位移比參數變化不大，即阻尼器型屈曲約束支撐對原結構的剛度變化影響較小(王瑾等，2010)。

4結論及建議

本文的研究結論表明，對結構采用阻尼器型屈曲約束支撐的耗能減震技術設計方案后，原結構的剛度變化影響較小，而且能給原結構提供滿足規范和設計要求需要的附加阻尼比，使采用阻尼器型屈曲約束支撐這一耗能減震技術措施的結構的總的有效阻尼比要比原結構明顯提高。

耗能減震技術簡化設計方法是一種在抗震加

表1　采用與未采用阻尼器型屈曲約束支撐的模型的計算結果對比

固工程中行之有效的抗震加固設計方法與途徑，既可以簡化結構抗震設計步驟，又可以較便捷地計算出結構采取耗能減震技術措施后的有效阻尼比，為結構抗震設計提供了可靠、便利的設計依據。

本文在撰寫過程中得到了胡大柱博士的幫助，在此表示衷心感謝。

參考文獻：

陳清祥，潘琪，呂西林，等.2005.等值線性分析方法于消能減震加固技術上的應用探討[J].結構工程師，(增刊)：383-388.高杰，薛彥濤，王磊，等.2010.JY-S金屬剪切型阻尼器試驗研究及工程應用進展[J].土木建筑與環境工程，32(增刊2)：357-359.高杰，薛彥濤，王磊，等.2011.JY-SS-I型金屬軟鋼阻尼器試驗研究[J].土木工程與管理學報，28(3)：336-338.

李國強，孫飛飛，宮海，等.2009.TJ型屈曲約束支撐工程應用分析[J]//中國土木工程學會，中國建筑設計研究院.第二屆全國建筑結構技術交流會論文集[C]，607-610.

凌宏華.2011.新型阻尼器的工作機理及在抗震加固工程中的應用[D].廣州：華南理工大學.

孫飛飛，戴成華，李國強，等.2009.大寬厚比開縫組合鋼板墻低周反復荷載試驗研究[J].建筑結構學報，30(5)：72-81.

孫飛飛，王鵬志，金華建，等.2011.考慮高寬比和梁變形影響的防屈曲開縫鋼板墻剛度研究[J].建筑結構學報，32(12)：154-161.

王瑾，閆維明，王維凝，等.2010.耗能減震技術在新建結構中的應用研究[J].土木建筑與環境工程，32(增刊2)：444-447.

翁大根，夏敬德，任曉崧，等.2010.消能減震技術在學校建筑的框架結構抗震加固中的應用[J].土木建筑與環境工程，32(增刊2)：418-423.

GB50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

Thesimplifieddesignmethodforthetwokindsoftheenergydissipationvibrationanddampingtechnologyofthedampingbuckling-restrainedbraceandthedampingbuckling-restrainedsteelplatewallhasbeenintroduced，andthedampingbuckling-restrainedbracehasbeenappliedinseismicreinforcementengineeringbythesimplifieddesignmethod.Fromthecaseanalysisresult，thesimplifieddesignmethodoftheenergydissipationtechnologycouldprovideareliable，convenientdesignbasisfortheseismicdesignofstructures，itisakindofanti-seismicwayorthestructurevibrationcontroltechnology，whichcanbeappliedtothedesigntheoryandanalysisfortheseismicreinforcementengineering.

Keywords：damper；buckling-restrainedbrace；buckling-restrainedsteelwall；energydissipationvibrationanddamping；seismicreinforcement

*收稿日期：2014-08-30.

中圖分類號：TV352

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)01-0297-04

SimplifiedDesignofEnergyDissipationVibrationandDampingTechnology
forSeismicReinforcementEngineering
ZHANGJun-tao1，GONGhai1，CHENGMei-tao2

(1.ShanghaiLANKEBuildingDampingTechnologyCo.，Ltd，Shanghai200433，China)

(2.ShanghaiConstructionSCGNo.5GroupCo.，Ltd，Shanghai200062，China)

Abstract