消能減震技術及地震反應分析

練祥宇 李萍 幸錦歡

1、廣西大學土木建筑工程學院 530004; 2、廣西桂商房地產開發有限公司 530004

消能減震技術及地震反應分析

練祥宇1李萍1幸錦歡2

1、廣西大學土木建筑工程學院 530004; 2、廣西桂商房地產開發有限公司 530004

概述了建筑結構消能減震的發展歷史，闡述了消能減震的基本原理、力學模型、動力方程。用MATLAB程序模擬計算一個算例，通過對比分析一般結構和消能結構的時程反應，得到建筑結構采用消能減震技術可以有效降低地震反應的結論，從而達到減震的目的。

消能減震；動力時程分析；黏彈性阻尼器

結構的消能減震是結構被動控制中最重要的方法之一，它是在結構中設置消能裝置，以吸收與消耗地震能量，從而減小結構的地震反應，并消除或減輕結構的局部損壞。

早在一兩千年前，我國人民就成功地應用減震的概念和技術，建成遍布全國各地的宮殿、寺廟、樓塔等等。這些古建筑，經歷多次強烈地震而屹立不毀，完整保留至今，大都不是采用“硬抗地震、加強結構”的方法，而是采用“以柔克剛、隔震消能”的途徑，充分證明消能減震技術概念合理，安全有效，簡單易行。現代建筑中，1969年紐約世貿中心的雙塔樓上就已安裝了黏彈性阻尼器，有效地控制結構的風振反應，增加人體的舒適度。與國外相比起來，消能減震技術在我國的應用要晚一些，但近年來發展得很快，并取得了滿意的實踐結果。我國《建筑結構抗震設計規范(GB50011—2001)》也已增加了消能減震方面的相關內容，以加速該項技術的實施進程。規范對消能裝置的性能、安裝技術等均提出了要求，對消能減震結構的分析提出計算原則。

1、消能減震的基本原理

消能減震的基本原理簡單概括為：在工程結構的特定部位，裝設某種裝置或某種機構(如消能支撐、消能剪力墻、消能節點等)，或某種子結構(如調諧質量等)，或施加外力(外部能量輸入)，以改變或調整結構的動力特性或動力作用的體系，使結構在地震(或風)作用下的動力反應得到合理控制，確保結構本身及結構中的人、儀器、設備、裝修等的安全。

2、消能減震裝置的力學模型及運動方程

地震作用下，消能減震結構一般是靠消能裝置進入非線性工作狀態來消耗地震能量，其地震反應一般可根據消能裝置的力-位移恢復力關系，采用時程分析法求出解析解。

2.1 主體結構分析模型

2.1.1 層模型

層模型取層為基本計算單位，采用層恢復力模型以表征地震過程中層剛度隨層剪力的變化關系，不考慮彈塑性階段層剛度沿層高的變化。

根據結構側向變形狀況不同，層模型可分為三類，即剪切型、彎曲型與剪彎型。利用層模型可確定結構的層間剪力與層間位移，在實際工程實踐中，主要用于檢驗結構在罕遇地震作用下的薄弱層位移及層間側移，并校核層剪力。

2.1.2 桿件模型

視結構為桿件體系，取梁、柱等桿件為基本計算單元，并將結構質量集中于各節點上，即構成桿系模型。各節點具有獨立的節點位移，結構的動力自由度數等于結構節點自由度的總數。該模型適用于桿系結構，可求解結構中各桿件的內力和變形。

2.2 消能裝置的恢復力模型

目前的減震耗能裝置根據性能可以分為位移型、速度型阻尼器。結構設計中通常是將阻尼器與鋼支撐串聯形成黏滯耗能支撐，并將其附設于結構層框架柱之間。它們與結構連接在一起的單層力學模型可以簡化為圖示1的模式所示，一般應用較為普遍的有：軟鋼彈塑性阻尼器系統(EPD)、黏彈性阻尼器系統（VSD)及黏滯阻尼器系統（VED），其力學模型分別如下列各圖所示。

圖1 單層結構消能支撐力學模型

圖2 VSD系統力學模型

圖3 VED系統力學模型

圖4 EPD系統力學模型

2.3 運動方程

式中：[M]、[C]、[K]為結構質量、阻尼、剛度矩陣，{x}為結構相對地面的位移向量，{l}為單位列向量，{U}為控制力向量，，[H]為控制裝置位置矩陣。則此時該阻尼器所提供的控制力為：

3、算例分析

表1數據可以得出被控結構在地震下第一至四層的層間角位移大于限值1/550。相比，消能結構的層間位移非常小，很容易滿足要求。表2數據可以得出消能結構的層間剪力大大減少，降至被控結構的52%以下，定量說明了消能結構水平地震作用的有效降低情況。并且如果加大阻尼器的數量，效果更為明顯。

4、結論

通過計算分析對比可知，附加阻尼器可有力的改善原結構的動力特性，提高體系的頻率，從而降低結構在地震作用下或風作用等水平動荷載作用下的反應，提高結構抵抗沖擊的能力，有效地保護了結構安全。

表1 層間位移對比

表2 層間剪力對比

[1] 周福霖.工程結構建筑控制[M].北京：地震出版社.1997.

[2] 周云. 黏彈性阻尼減震結構設計[M].武漢理工大學出版社.

[3] GB 50011-2001.建筑抗震設計規范[S]

[4] 白志強，于蘭蘭.黏彈性阻尼器結構的動力特性分析[J].濰坊學院學報.2008，8(2)：113-115

練祥宇（1985-）女、廣西桂林人，廣西大學土木建筑工程碩士，研究方向：結構分析、設計及施工控制的新理論新方法。

李萍（1984-）女、廣西賀州人、廣西大學土木建筑工程碩士，研究方向：鋼結構與組合結構。

幸錦歡（1983-）廣東羅定人，助理工程師，廣西桂商房地產開發有限公司。