消能减震技术及地震反应分析

练祥宇 李萍 幸锦欢

1、广西大学土木建筑工程学院 530004; 2、广西桂商房地产开发有限公司 530004

消能减震技术及地震反应分析

练祥宇1李萍1幸锦欢2

1、广西大学土木建筑工程学院 530004; 2、广西桂商房地产开发有限公司 530004

概述了建筑结构消能减震的发展历史，阐述了消能减震的基本原理、力学模型、动力方程。用MATLAB程序模拟计算一个算例，通过对比分析一般结构和消能结构的时程反应，得到建筑结构采用消能减震技术可以有效降低地震反应的结论，从而达到减震的目的。

消能减震；动力时程分析；黏弹性阻尼器

结构的消能减震是结构被动控制中最重要的方法之一，它是在结构中设置消能装置，以吸收与消耗地震能量，从而减小结构的地震反应，并消除或减轻结构的局部损坏。

早在一两千年前，我国人民就成功地应用减震的概念和技术，建成遍布全国各地的宫殿、寺庙、楼塔等等。这些古建筑，经历多次强烈地震而屹立不毁，完整保留至今，大都不是采用“硬抗地震、加强结构”的方法，而是采用“以柔克刚、隔震消能”的途径，充分证明消能减震技术概念合理，安全有效，简单易行。现代建筑中，1969年纽约世贸中心的双塔楼上就已安装了黏弹性阻尼器，有效地控制结构的风振反应，增加人体的舒适度。与国外相比起来，消能减震技术在我国的应用要晚一些，但近年来发展得很快，并取得了满意的实践结果。我国《建筑结构抗震设计规范(GB50011—2001)》也已增加了消能减震方面的相关内容，以加速该项技术的实施进程。规范对消能装置的性能、安装技术等均提出了要求，对消能减震结构的分析提出计算原则。

1、消能减震的基本原理

消能减震的基本原理简单概括为：在工程结构的特定部位，装设某种装置或某种机构(如消能支撑、消能剪力墙、消能节点等)，或某种子结构(如调谐质量等)，或施加外力(外部能量输入)，以改变或调整结构的动力特性或动力作用的体系，使结构在地震(或风)作用下的动力反应得到合理控制，确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安全。

2、消能减震装置的力学模型及运动方程

地震作用下，消能减震结构一般是靠消能装置进入非线性工作状态来消耗地震能量，其地震反应一般可根据消能装置的力-位移恢复力关系，采用时程分析法求出解析解。

2.1 主体结构分析模型

2.1.1 层模型

层模型取层为基本计算单位，采用层恢复力模型以表征地震过程中层刚度随层剪力的变化关系，不考虑弹塑性阶段层刚度沿层高的变化。

根据结构侧向变形状况不同，层模型可分为三类，即剪切型、弯曲型与剪弯型。利用层模型可确定结构的层间剪力与层间位移，在实际工程实践中，主要用于检验结构在罕遇地震作用下的薄弱层位移及层间侧移，并校核层剪力。

2.1.2 杆件模型

视结构为杆件体系，取梁、柱等杆件为基本计算单元，并将结构质量集中于各节点上，即构成杆系模型。各节点具有独立的节点位移，结构的动力自由度数等于结构节点自由度的总数。该模型适用于杆系结构，可求解结构中各杆件的内力和变形。

2.2 消能装置的恢复力模型

目前的减震耗能装置根据性能可以分为位移型、速度型阻尼器。结构设计中通常是将阻尼器与钢支撑串联形成黏滞耗能支撑，并将其附设于结构层框架柱之间。它们与结构连接在一起的单层力学模型可以简化为图示1的模式所示，一般应用较为普遍的有：软钢弹塑性阻尼器系统(EPD)、黏弹性阻尼器系统（VSD)及黏滞阻尼器系统（VED），其力学模型分别如下列各图所示。

图1 单层结构消能支撑力学模型

图2 VSD系统力学模型

图3 VED系统力学模型

图4 EPD系统力学模型

2.3 运动方程

式中：[M]、[C]、[K]为结构质量、阻尼、刚度矩阵，{x}为结构相对地面的位移向量，{l}为单位列向量，{U}为控制力向量，，[H]为控制装置位置矩阵。则此时该阻尼器所提供的控制力为：

3、算例分析

表1数据可以得出被控结构在地震下第一至四层的层间角位移大于限值1/550。相比，消能结构的层间位移非常小，很容易满足要求。表2数据可以得出消能结构的层间剪力大大减少，降至被控结构的52%以下，定量说明了消能结构水平地震作用的有效降低情况。并且如果加大阻尼器的数量，效果更为明显。

4、结论

通过计算分析对比可知，附加阻尼器可有力的改善原结构的动力特性，提高体系的频率，从而降低结构在地震作用下或风作用等水平动荷载作用下的反应，提高结构抵抗冲击的能力，有效地保护了结构安全。

表1 层间位移对比

表2 层间剪力对比

[1] 周福霖.工程结构建筑控制[M].北京：地震出版社.1997.

[2] 周云. 黏弹性阻尼减震结构设计[M].武汉理工大学出版社.

[3] GB 50011-2001.建筑抗震设计规范[S]

[4] 白志强，于兰兰.黏弹性阻尼器结构的动力特性分析[J].潍坊学院学报.2008，8(2)：113-115

练祥宇（1985-）女、广西桂林人，广西大学土木建筑工程硕士，研究方向：结构分析、设计及施工控制的新理论新方法。

李萍（1984-）女、广西贺州人、广西大学土木建筑工程硕士，研究方向：钢结构与组合结构。

幸锦欢（1983-）广东罗定人，助理工程师，广西桂商房地产开发有限公司。