建筑結構中阻尼器消能減震設計關鍵技術的探討

文/張希　云南省安泰建設工程施工圖設計文件審查中心 云南昆明 650000

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建筑結構中阻尼器消能減震設計關鍵技術的探討

文/張希云南省安泰建設工程施工圖設計文件審查中心 云南昆明 650000

阻尼器在建筑結構中發揮著消能減震的作用，被廣泛的應用于建筑結構的設計過程中，對于阻尼器消能減震設計的關鍵技術包括，非線性分析方法、阻尼器形變設計、阻尼器的側向穩定以及在阻尼器設計過程中應該注意的問題進行了介紹，為阻尼器消能減震設計起到了重要的支撐作用。

建筑結構；阻尼器；非線性分析；形變分析；側向穩定

1、引言

建筑結構中阻尼器的應用大大提高了建筑物的抗震能力，而在目前地震活動較為頻繁時期，對于建筑結構中阻尼器的研究一直都是工程領域的熱點問題。隨著國內在建筑結構設計中普遍應用到阻尼器，建筑領域內對于阻尼器的認識與應用也在不斷的深入，包括阻尼器的設計、對阻尼器參數的計算分析、阻尼器側向穩定性等一些關鍵技術。建筑結構阻尼器消能減震技術是阻尼器設計的核心技術，通過對該技術的研究為我國阻尼器性能的提高提供一定的技術基礎。

2、阻尼器消能減震關鍵技術設計

2.1非線性分析方法

在對阻尼器進行分析的過程中，非線性分析是一種誤差較小的分析算法，但是阻尼器在應用的過程中所使用的算法一般都是線性算法而非非線性算法。所以在對其進行線性分析的過程中需要在主體結構中附加一個阻尼比來進行分析，用來表示在建筑物的消能減震結構中阻尼器對建筑物的阻尼增加的影響。但是這種處理方式仍然存在一定的問題，在這種方式下建筑結構中各個阻尼器的阻尼力以及阻尼器的形變量都是未知的，因而通過這種方式計算得到的阻尼器實際上并不可靠。并且阻尼器具有剛度參數，而這種計算方式其中并沒有涉及到剛度參數。在對阻尼器進行非線性分析的過程中，需要不斷的進行參數結構的調整，一般將阻尼器的非線性動力學性質類比于塑鉸， 然后利用軟件對阻尼器進行分析，通過用塑性鉸來模擬阻尼器，因而在對阻尼器的靜力進行線性分析的過程中，阻尼器的力學參數如形變量以及受力都可以自行計算出來而不需要進行假設，且分析程序可自行計算出，在分析的過程中這些參數都是可以確定的，能將消能減震的結構性能參數進行有效的設計。然后通過上述方法，來對阻尼器在建筑物結構設計過程中的各種可能的反應進行相應的測試計算，將在各種情況下阻尼器所應用具有的力學參數進行相應的仿真設計。

2.2阻尼器形變極限設計

在工程設計的過程中，阻尼器不僅能夠在有地震的情況下起到減震的作用，還可以在常規水平荷載下（如風載）降低建筑物可能的形變，能在一定程度上增加主體結構的阻尼，增大結構阻尼比，使得建筑結構的構件所受到的應力減小，能有效的降低主結構面的截面積，從而為工程的建設節約成本，改善建筑舒適度。在加固工程中使用阻尼器，能夠通過增加有限的成本來減小地震作用對結構的影響，從而加強建筑物的主體結構。在建筑結構中加裝阻尼器的基本作用，就是要利用阻尼器的消耗地震傳遞建筑物的能量，來降低建筑主體構件所造成的應力。為了滿足上述的需求，在建筑物的消能減震結構設計的過程中，必須要保證在建筑物承受較大地震的情況下仍然能夠發揮其消能減震的作用。國外阻尼器的設計一般用于中震地震，所以結合本國的實際情況我國所使用的阻尼器要在中震地震時候開始起作用，并且要保證阻尼器在大震的情況下不能夠損壞。考慮到我國目前的地震級別較低，因而考慮到經濟性阻尼器在很多的建筑工程中得到了實際的應用，在這種配置下要求在發生小震地震的情況下要開始發揮作用， 并要保證大震時阻尼器不壞，因而從該設計環節上可以看出，我國阻尼器性能參數要相對好很多。而對于位移類型的阻尼器來講，國外在阻尼器設計的過程中強調的是在發生較大程度的地震情況下起到減震作用，阻尼器的極限形變程度要達到曲變形狀的20倍以上，而在我國對于該參數的要求為30-40倍以上。因而在消能減震阻尼器設計的過程中需要考慮到阻尼器的阻尼比以及相應的結構剛度，還要考慮到阻尼器的極限形變的能力，進而避免阻尼器在發生地震的過程發生損壞，而在較大地震的情況下而無法發揮其能力。在對消能減震結構進行設計的過程中，需要將阻尼器的力學參數以及形變參數設計好，然后選擇能夠滿足上述性能參數的阻尼器。

2.3阻尼器的側向穩定性設計

阻尼器在建筑工程的應用中越來越多，在經過多次的地震作用后，發現阻尼器的側向的穩定性非常重要，側向穩定性甚至對于阻尼器能否在地震的過程中達到應有的效果。由于建筑結構存在的不規則以及越來越復雜的趨勢，傳統的平面框架的理論越來越難以起到作用。因而在消能減震設計的過程中，需要注意由于阻尼器部件的節點不會由于側向失穩而造成阻尼器無法發揮其真正作用的情況。

3、應用實例

結構的防屈曲約束支撐布置，在軸電梯與樓梯間相互交界的地方分別布置一組防屈曲的約束支撐結構，可以從下圖看出。

本文設計用于對比的普通支撐結構的仿真結果，二者的平面結構布置基本上是類似的。在地震活動較為頻繁的時期，防屈曲的支撐系統還沒有發揮其作用，僅僅可以起到彈性鋼桿的作用。而在中等級別以上的地震情況下可以將位移減少到27%。從經濟上考慮，且帶UBB結構還能夠節省大約9%的用鋼量。隨著地震強度的不斷增大其發揮的作用越來越明顯。

圖1　 標準層結構布置

表1　加入阻尼器后的效果對比

4、設計過程中應該注意的問題

在阻尼器設計的過程中，阻尼器所承受的總剪力不能超過樓層抗剪承載力的30%，主體結構本身應該具備一定的抗剪能力，進而避免阻尼器在地震的過程失效，從而導致主體結構的破壞。結構頻率決定了速度型阻尼器的耗能，在求解有效的阻尼比的過程中，需要根據結構不同方向的自振來計算相應的頻率，而不能夠使用一階模型來計算。加裝速度阻尼器作用力中的粘滯力無法進行準確的計算，因而使得結構構件的內力的計算變得非常的復雜。因而在結構構件設計過程中需要根據不同的情況進行粘滯力的計算在相對位移最大的情況下的粘滯力為0，最大相對速度粘滯力為0。消能減震裝置在沒有經歷過地震考驗的情況下，如果結構速度以及摩擦發生損耗阻尼器的情況，需要定期的對阻尼器進行檢修和維護。位移阻尼器要做好防銹，也需要定期的對其進行檢查維修，在發生損壞時及時更換。

結語：

目前是地震多發的時期，我國近幾年多個地區發生多次的地震，地震造成了巨大的人員傷亡以及經濟損失，在建筑結構采用阻尼器來抗震減震具有非常重要的意義。通過對阻尼器設計過程中的關鍵技術研究，為減震阻尼器在我國的應用與推廣奠定技術基礎，探索一條適合我國國情應用途徑。

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