耗能減震鋼結構基于性能的抗震設計方法研究

梁景彪

摘要：所謂耗能減震結構，就是將耗能元件設置在建筑結構中，用于吸收地震輸入結構中的能量，這一過程主要應用的是滯回變形耗能原理，這樣，結構的地震反應就會被大大減低，其所產生的破壞程度自然就會下降，從而達到減震目標。將這種結構應用于建筑設計中，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構基于性能的抗震設計方法。

關鍵字：耗能減震鋼結構；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構。耗能器運作過程中具有非線性特征，影響原有結構的動力性，對動力反應產生負面影響，耗能減震鋼結構就要消除這種影響。設計這種結構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.耗能減震鋼結構模型分析

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，目前人們研究的耗能器主要分為三類，一是位移相相關型，二是速度相相關型，三是復合型。其中位移相相關型中，主要是金屬耗能器，最常用的就是鋼結構，鋼結構在拉伸以及彎曲等變形中耗散能量，耗能性質與相對位移之間緊密相連。金屬耗能結構通常都采用雙線性模型，內部需要設置若干個耗能構件，這些構件串聯起來，形成耗能支撐。設計構成中，要將構件的組合剛度作為重要依據，最終支撐結構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，第一為主體結構，第二就是耗能支撐結構，二者之間在模型中體現為疊加關系，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，保證結構可以滿足不同的性能需求[1]。

2.耗能減震鋼結構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型耗能器，對現有研究成果進行優化和改進，實現簡化目標，具體步驟如下：

首先，要建立一個等效SDOF體系，在設計中包括原結構和耗能減震結構，耗能減震結構SDOF體系中，我們假設主體鋼結構保持良好的彈性狀態，支撐結構的彈性狀態始終沒有發生變化，也就是說耗能器始終在理想狀態下運行。然后分別計算產生屈服、位移以及不產生屈服、位移時的結構剛度，鋼結構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系，得出一個關系函數，反應幾者之間的關聯。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構具有良好的穩定性，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別于一般剛才，不允許鋼結構出現性能退化問題，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，需要將計算結果以及模型作為依據，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系。曲線繪制完成以后，需要分析結構的非線性時程，根據模型以及性能曲線中的參數設計鋼結構，之后形成一個三維結構模型，分析其非線性時程，可以根據實際需要對其中的一些參數做出調整，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

某小型企業的辦公樓為鋼結構，共有七層，層高3.7米，八度抗震設防烈度，周期折減系數為0.9，鋼結構的阻尼比為3.5%。按照2.1中的步驟設計模型，計算相關參數，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，如果處于小震環境下，對支撐結構的剛度沒有過多要求。如果處于中震環境下，需要提升支撐結構的剛度，此時在繪制性能曲線的過程中我們會發現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，鋼結構還會遭到破壞。研究以后，最后將一層至三層、四層至六層建筑鋼結構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構，樓層位移會對震動產生放大效應，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構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構的真實反映狀態[3]。

3.結論分析

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，最后可以利用該數值估算鋼結構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，可以將此作為依據估算實際結構的最大阻尼比，估算時需要參照相對位移，將最大樓層作為計算標準。減震鋼結構實際運作時，耗能支撐會發生變化，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%，可以將這一數據作為參照預估耗能減震結構的實際減震能力，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構與地震波性能之間的變化關系，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：一是支撐結構的附加剛度如何，二是初始屈服位移有多大，這樣耗能減震鋼結構在設計時就能夠與減震目標更加接近。

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

總結：將建筑中的非承重構件設計成為耗能桿件，或者是在關鍵位置設置耗能器，可以有效吸收地震能量，提升建筑物的抗震性能。由于現代建筑中大多數鋼結構居多，因此本文對耗能減震鋼結構的設計進行研究，設計過程中將"性能"作為基礎，考慮到鋼結構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.耗能減震結構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，湯統壁.耗能減震鋼結構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構加固中的應用[J].建筑結構學報，2010，S2：66-75.