李子莹 干洪

摘 要：本文介绍了消能减震的设计标准，消能减震体系的基本理论和消能减震结构的设计方法，并介绍了每种方法的应用范围及以后的发展前景。

关键词：消能减震结构；设计方法；等效阻尼

中图分类号： K826.16 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）21-151-2

1 消能减震设计标准

近年来，各个国家都开始对消能减震结构进行全面、深入的研究，各国也相应制定了相关的规范。

美国最早制定相关条款，颁布消能减震技术的暂行规定，指出消能减震结构不同于普通抗震结构，由于消能阻尼器的加入，对结构的设计方法也发生了改变。之后，在FEMA273中增添了隔震和消能减震设计一章，专门讲述消能减震设计。

在2003年，日本隔震协会也在《被动控制结构设计施工手册》中说明了某些阻尼器的类型及被动控制结构的设计方法，对消能减震结构设计提出了相应的方案。

我国《建筑结构抗震设计规范》中也相应加入了消能减震结构设计方面的相关内容。规范中对消能结构的设计方法、装置的性能、安装技术等均给出了相应的指导，对消能减震结构的设计与推广具有重要的作用。

2 消能减震系统的基本理论

消能减震结构体系运动方程可写为：

3 消能减震系统的设计方法

3.1 振型分解法

采用振型分解法进行消能减震结构设计的主要问题是如何考虑结构增加消能阻尼器后的等效阻尼比和等效刚度，并对消能减震结构加入阻尼后的非正交阻尼矩阵进行解耦。对此，国内外有很多学者进行了研究，主要有Iwan、Warburton、Soni和欧进萍等人。

在振型分解法中，一般利用规范给定的计算过程来实现。而对于等效阻尼比的确定主要有复模态法、强解耦振型分解法和基于变性能的等效阻尼法这三种方法。复模态法是一种精确解法，通常比较复杂不适合用于工程中；而其他两种方法为近似解法，较为简单的同时也具有较好的精度。在进行等效附加阻尼比计算时，一般采用迭代法。但是，振型分解法一般只能用在结构处于弹性状态下的消能结构地震作用设计，因为当结构进入弹塑性状态时，规范给出的反应谱已不存在确定的振型，因此这种方法对于进入弹塑性消能减震结构是无法进行计算的。

3.2 时程分析法

时程分析法对于弹性和弹塑性体系都能分析。时程分析法是相当于是一种数值分析计算方法，他直接对结构的动力方程进行数值积分，能够得到结构在地震作用各个时态的加速度、速度和位移的计算方法。由于其直接对运动微分方程进行积分，所以其计算更为精确，对弹性体系和非线性体系均能做出分析。时程分析法的计算流程如图1所示：

3.3 数值积分法

数值积分法就是：将输入的地震波分成若干个小时间段，根据各段的初始值位移u（t） 、速度（t）、加速度（t）等来求出各段的末端值位移u（t+？驻t）、速度（t+？驻t）、加速度（t+？驻t），并将该值作为紧接着下一段的初始值，以此类推，直到求出所有段的数值。一般采用的计算方法有Wilson-？兹法、Newmark-？茁法和线性加速度法。

3.4 能量分析法

基于能量的抗震设计方法考虑地震输入结构的能量和结构自身各部件消耗的能量相同。根据能量平衡的原则，可列出下述能量平衡方程：

Ein=ER+ED+ES+EA （4）

式中Ein—地震作用时输入结构（传统抗震结构、消能减震结构）的地震能量；

ER—地震作用下结构反应能量（；结构振动动能、势能）；

ED—结构阻尼耗散的能量（一般不超过5%）；

ES—主体结构构件在非弹性变形状态下耗散的能量；

EA—消能构件或消能装置所耗散的能量。

从上述方程式中可看出，对于消能减震结构体系，因ED所占比例较小（5%左右）可忽略不计，在地震作用时消能构件会先于主体结构进入非弹性工作状态，此时的消能构件耗散大量因地震能量對结构物的输入（EA→Ein）。由于消能构件产生的阻尼消耗了地震能量，而能量输入到结构中的却较少，这就意味着主体结构在地震作用下的地震反应将有显著的减小，避免主体结构遭受整体性的破坏。

在工程设计中，可以考虑地震能量全部由耗能减震器来耗散或吸收，则可表示为：Ein < EA （5）

虽然，公式（5）中忽略了ER、ED、ES等耗能因素的影响，但这不仅简化了计算，还可以将这些因素作为工程设计中的安全储备。

3.5 基于性能的抗震设计思想

基于性能的抗震思想，是一种最新提出的抗震思想，代表了今后抗震设计思想的发展方向。它的设计关键，是在设计过程中将某个或某几个指标作为消能结构抗震设计的指标而进行设计。它分为基于性能的抗震设防标准和抗震设计方法，前者是经投资效益分析得出的具有优化意义的标准，后者基于性能的抗震设计方法，则要确定为满足设防标准需要进行具体计算。但是，目前基于性能的抗震思想还不是很成熟，需要大量的研究学者不断探索和丰富。

4 总结

①消能体系的计算最主要在于如何考虑加入消能减震装置后对于原结构体系的刚度和阻尼产生了影响。如何考虑附加的阻尼和刚度是消能减震结构设计需要考虑的核心问题。考虑附加阻尼和刚度后，结构体系的求解方法也是关键之一。②振型分解法主要适用于消能减震结构体系的弹性分析阶段。结构体系在多遇及罕遇地震作用下会进入到弹塑性分析阶段。时程分析法则可以弥补振型分解法的不足，求解结构弹塑性问题。③能量分析法从能量消耗的角度来考虑，具有很大的实践指导意义。但是，地震能量具体的消耗方式，需要通过大量的实验和实践来检验。

参 考 文 献

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