耗能减震技术在抗震加固工程中的简化设计*

张军涛，宫　海，程美涛

(1.上海蓝科建筑减震科技股份有限公司，上海 200433；2.上海建工五建集团有限公司，上海 200062)



耗能减震技术在抗震加固工程中的简化设计*

张军涛1，宫海1，程美涛2

(1.上海蓝科建筑减震科技股份有限公司，上海 200433；2.上海建工五建集团有限公司，上海 200062)

摘要：介绍了阻尼器型屈曲约束支撑和阻尼器型屈曲约束钢板墙这两种耗能减震技术的简化设计方法，并通过这种简化设计方法使阻尼器型屈曲约束支撑这种耗能减震技术在抗震加固工程中的得到了应用，从案例分析结果看，这种耗能减震技术简化设计方法为结构抗震设计提供了可靠、便利的设计依据，是一种合理有效的抗震途径或结构振动控制技术手段，可应用于抗震加固工程的设计理论和分析。

关键词：阻尼器；屈曲约束支撑；屈曲约束钢板墙；耗能减震；抗震加固

0前言

耗能减震技术属于一种结构被动控制措施，采取结构振动控制技术，对结构施加控制机构或系统，与结构自身共同发挥作用，以减轻主体结构的地震反应，是一种合理有效的抗震途径(高杰等，2010)。耗能减震结构中所用的耗能装置一般称作阻尼器，目前研究开发的阻尼器种类很多，笔者主要对阻尼器型屈曲约束支撑和阻尼器型屈曲约束钢板墙在抗震加固工程中的简化设计方法进行了介绍，并针对及其工程应用做了相关总结与探讨(GB50011—2010)。

1基本原理

阻尼器型屈曲约束支撑和阻尼器型屈曲约束钢板墙均属于位移型阻尼器，基本原理是其芯材的屈服耗能为主体结构提供附加阻尼。由于它们的耗能模式不同，所以其耗能减震原理与耗能减震性能也不同，阻尼器型屈曲约束支撑是一种拉压屈服型位移阻尼器，而阻尼器型屈曲约束钢板墙则是一种剪切屈服型位移阻尼器(高杰等，2011)。

阻尼器型屈曲约束支撑通过在低屈服点钢核心外部套管，可以完全避免受压屈曲，是一种效率很高的结构构件；同时屈曲约束支撑在达到其屈服强度极限状态时受压和受拉均可进入屈服状态，且滞回曲线饱满，又是一种性能优越的耗能减震器(李国强等，2009)，其基本组成如图1所示。

阻尼器型屈曲约束钢板墙是指不会发生面外屈曲的一种钢板剪力墙，由承受水平荷载的钢芯板和防止芯板发生面外屈曲的部件组合而成(孙飞飞等，2011)，是针对普通钢板剪力墙易发生面外屈曲而改进的新型抗剪、减震耗能构件(孙飞飞等，2009)，其基本组成如图2所示。

2简化设计方法

2.1消能减震设计步骤

结构消能减震设计中，应保证结构采用阻尼器后达到规范规定的性能目标，包括结构位移、基底反力、构件配筋(陈清祥等，2005)。消能减震设计步骤流程(翁大根等，2010)，如下：

(1)增加结构阻尼比对原有结构进行验算，使其强度、位移均满足规范与设计要求，则该阻尼比为结构需要的有效阻尼比ξeff。

(2)将结构有效阻尼比ξeff减去原结构固有阻尼比ξ，得到阻尼器应该提供给原结构的附加阻尼比ξa。

(3)选择适当屈服承载力与屈服位移的阻尼器，并将阻尼器布置在原结构中。

2.2阻尼器型屈曲约束支撑的结构附加有效阻尼比ξa′

阻尼器型屈曲约束支撑提供给结构的附加总阻尼比为

(1)

式中，ξa′为阻尼器型屈曲约束支撑提供给结构的附加总阻尼比；fy为阻尼器型屈曲约束支撑的初始屈服承载力；Ai为阻尼器型屈曲约束支撑核心钢材面积；Δi′为结构第i层的层间位移；αi为阻尼器型屈曲约束支撑与结构楼层水平面之间的夹角，如图3所示；Δyi′为阻尼器型屈曲约束支撑在结构第i层的屈服位移；Fi′为阻尼器型屈曲约束支撑所在的结构层的水平地震作用标准值；ui′为阻尼器型屈曲约束支撑所在的结构第i层对应于水平地震作用标准值的位移。

2.3阻尼器型屈曲约束钢板墙的结构附加有效阻尼比ξa″

阻尼器型屈曲约束钢板墙提供给结构的附加总阻尼比为

(2)

式中，ξa″为阻尼器型屈曲约束钢板墙提供给结构的附加总阻尼比；Qy为阻尼器型屈曲约束钢板墙的初始屈服承载力；Δi″为结构第i层的层间位移；Δyi″为阻尼器型屈曲约束钢板墙在结构第i层的屈服位移；Fi″为阻尼器型屈曲约束钢板墙所在的结构i层的水平地震作用标准值；ui″为阻尼器型屈曲约束钢板墙所在的结构第i层对应于水平地震作用标准值的位移。

2.4结构有效阻尼比ξeff

结构有效阻尼比为

(3)

式中，ξeff为结构有效阻尼比；ξ为结构固有的阻尼比；Wc为所有阻尼器所在预期位移下往复一周所消耗的能量总和；WS为阻尼器所在结构在预期位移下的总应变能(GB50011—2010)。

2.5迭代计算

3案例分析

某工程主体结构为7层，在小震下对其进行了结构强度、位移验算，均不能满足现行规范的设计要求(GB50011—2011)。采用上述耗能减震设计简化方法对其进行耗能减震设计，在结构的1～4层布置阻尼器型屈曲约束支撑，X方向A轴上1轴～2轴之间和G轴上6轴～7轴之间各布置了8根，Y方向1轴上D轴～E轴之间和5轴上E轴～F轴之间也各布置了8根，采用人字型布置，总计布置32根尼器型屈曲约束支撑，如图4所示。采用同一技术性能标准的阻尼器型屈曲约束支撑，其屈服位移均为1mm，屈服承载力均为300kN。

在小震作用下，通过对本工程原结构进行验算，结构有效阻尼比ξeff达到10%可满足结构位移、配筋、基底反力的要求，而原结构固有阻尼比ξ为5%，因此，阻尼器型屈曲约束支撑应该提供给结构的附加阻尼比ξa为5%。

在考虑阻尼器型屈曲约束支撑刚度的前提下，经计算得到结构的周期和位移比参数，并与未设置阻尼器型屈曲约束支撑的模型进行计算结果对比(表1)。

从表1中可以看出，其周期和位移比参数变化不大，即阻尼器型屈曲约束支撑对原结构的刚度变化影响较小(王瑾等，2010)。

4结论及建议

本文的研究结论表明，对结构采用阻尼器型屈曲约束支撑的耗能减震技术设计方案后，原结构的刚度变化影响较小，而且能给原结构提供满足规范和设计要求需要的附加阻尼比，使采用阻尼器型屈曲约束支撑这一耗能减震技术措施的结构的总的有效阻尼比要比原结构明显提高。

耗能减震技术简化设计方法是一种在抗震加

表1　采用与未采用阻尼器型屈曲约束支撑的模型的计算结果对比

固工程中行之有效的抗震加固设计方法与途径，既可以简化结构抗震设计步骤，又可以较便捷地计算出结构采取耗能减震技术措施后的有效阻尼比，为结构抗震设计提供了可靠、便利的设计依据。

本文在撰写过程中得到了胡大柱博士的帮助，在此表示衷心感谢。

参考文献：

陈清祥，潘琪，吕西林，等.2005.等值线性分析方法于消能减震加固技术上的应用探讨[J].结构工程师，(增刊)：383-388.高杰，薛彦涛，王磊，等.2010.JY-S金属剪切型阻尼器试验研究及工程应用进展[J].土木建筑与环境工程，32(增刊2)：357-359.高杰，薛彦涛，王磊，等.2011.JY-SS-I型金属软钢阻尼器试验研究[J].土木工程与管理学报，28(3)：336-338.

李国强，孙飞飞，宫海，等.2009.TJ型屈曲约束支撑工程应用分析[J]//中国土木工程学会，中国建筑设计研究院.第二届全国建筑结构技术交流会论文集[C]，607-610.

凌宏华.2011.新型阻尼器的工作机理及在抗震加固工程中的应用[D].广州：华南理工大学.

孙飞飞，戴成华，李国强，等.2009.大宽厚比开缝组合钢板墙低周反复荷载试验研究[J].建筑结构学报，30(5)：72-81.

孙飞飞，王鹏志，金华建，等.2011.考虑高宽比和梁变形影响的防屈曲开缝钢板墙刚度研究[J].建筑结构学报，32(12)：154-161.

王瑾，闫维明，王维凝，等.2010.耗能减震技术在新建结构中的应用研究[J].土木建筑与环境工程，32(增刊2)：444-447.

翁大根，夏敬德，任晓崧，等.2010.消能减震技术在学校建筑的框架结构抗震加固中的应用[J].土木建筑与环境工程，32(增刊2)：418-423.

GB50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

Thesimplifieddesignmethodforthetwokindsoftheenergydissipationvibrationanddampingtechnologyofthedampingbuckling-restrainedbraceandthedampingbuckling-restrainedsteelplatewallhasbeenintroduced，andthedampingbuckling-restrainedbracehasbeenappliedinseismicreinforcementengineeringbythesimplifieddesignmethod.Fromthecaseanalysisresult，thesimplifieddesignmethodoftheenergydissipationtechnologycouldprovideareliable，convenientdesignbasisfortheseismicdesignofstructures，itisakindofanti-seismicwayorthestructurevibrationcontroltechnology，whichcanbeappliedtothedesigntheoryandanalysisfortheseismicreinforcementengineering.

Keywords：damper；buckling-restrainedbrace；buckling-restrainedsteelwall；energydissipationvibrationanddamping；seismicreinforcement

*收稿日期：2014-08-30.

中图分类号：TV352

文献标识码：A

文章编号：1000-0666(2015)01-0297-04

SimplifiedDesignofEnergyDissipationVibrationandDampingTechnology
forSeismicReinforcementEngineering
ZHANGJun-tao1，GONGhai1，CHENGMei-tao2

(1.ShanghaiLANKEBuildingDampingTechnologyCo.，Ltd，Shanghai200433，China)

(2.ShanghaiConstructionSCGNo.5GroupCo.，Ltd，Shanghai200062，China)

Abstract