耗能减震结构设计与应用

摘要:屈曲约束支撑构件(Buckling Restrained Brace———简称BRB)以其良好的整体稳定性及滞回耗能性能优越，被广泛的应用于消能减震结构及既有建筑结构的抗震加固中。

本文在总结消能减震建筑设计理论及方法的基础上，通过对某工程进行消能减震加固设计，对加固后结构选取合理性能目标，具体阐述了应用PKPM 系列软件采用理论简化设计方法进行消能减震设计的步骤，并采用ETABS 2013对加固后消能减震结构体系进行快速非线性分析（Fast Nonlinear Analysis Method———简称FNA 法），验证理论简化设计方法的合理性，为从事屈曲约束支撑消能减震结构设计工程人员提供一定的参考资料。

关键词:屈曲约束支撑等效线性化假定FNA 消能减震结构1概述屈曲约束支撑（Buckling Restrained Brace———简称BRB）主要由内芯耗能单元，外围约束单元与两者之间的缝隙或无粘结材料组成。

内芯单元为钢芯，截面形式多为“一”形、“十”形、“H”形等多种形式[1]；外围约束单元多为纯钢构件或钢管混凝土构件；无粘结材料有硅胶板，橡胶板等多种材料。

屈曲约束支撑体系主要由内芯单元承受轴力，外围约束单元为内芯单元提供侧向刚度，防止内芯单元在轴向压力作用下发生屈曲，在轴向拉伸、压缩受力状态下，屈曲约束支撑比普通钢支撑能够表现出更加饱满的滞回曲线，体现优良的滞回耗能性能，因此被广泛的应用于实际工程项目中。

基于以上BRB 拥有的良好的整体稳定性及滞回耗能性能优越，越来越多结构设计人员采用BRB 构件作为主要消能减震构件对结构进行性能化设计，将结构抗震设计方法由传统抗震结构设计方法转变为消能减震结构设计方法。

鉴于现阶段大多设计公司及设计院采用的结构设计软件为PKPM 系列软件，该软件由于不能模拟BRB 构件非线性性能，即其实际本构模型，故对BRB 提供的附加阻尼比不能准确计算，所以不能直接应用该软件对BRB 消能减震结构进行设计。

消能减震技术在工程中的应用1class消能减震概念结构消能减震技术主要指的是在结构的某些部位，如层间空隙、节点连接部分或者连接缝等一些位置安装消能减震装置，或者是将结构的支撑、连接件或非承重剪力墙等一些次要构件设置为能够消能的构件。

在地震来临时，这些装置或者构件可以通过摩擦、塑性变形、粘滞液体流动等一些变化，为结构提供较大的阻尼，消耗地震动输入的能量，消减主体结构的地震动反应，从而起到保护主体结构安全的作用。

与传统增大截面抵抗地震作用不同，消能减震技术主要是通过消能减震构件吸收、消耗地震能量降低主体结构地震响应，是建筑物抗震的另一个有力手段。

消能减震技术中，安装消能器增加结构阻尼的被动消能减震方法，由于其传受力明确、安装维护方便、制作成本低、适用范围广等特点，受到业内人士的青睐。

消能减震原理结构消能减震的实质是在结构中设置消能器，地震时输入结构的能量率先为消能器吸收，大量消耗输入结构的地震能量，有效衰减结构的地震反应。

消能器在地震中起到结构附加阻尼和附加刚度的作用。

相比常规设计提高结构的抗震性能只能通过增加结构构件尺寸或者钢筋的方法，更加经济合理高效，这也是消能减震结构具有经济性优势的主要原因。

结构在地震中任意时刻的能量方程为：传统结构：Ein= Ev+Ec+Ek+Eh;消能减震结构：E'in= E'v+E'c+E'k+E'h+Ed;式中Ein、E'in——地震过程中输入传统抗震结构、消能减震结构体系的能量；Ev、E'v——传统抗震结构、消能减震结构体系的动能；Ec、E'c——传统抗震结构、消能减震结构体系的粘滞阻尼耗能；Ek、E'k——传统抗震结构、消能减震结构体系的弹性应变能；Eh、E'h——传统抗震结构、消能减震结构体系的滞回耗能；Ed——消能器耗散或吸收的能量。

在上述能量方程中，由于Ev和E'v、Ek和E'k仅发生能量转化，并不耗散能量，而Ec和E'c仅占总能量的很小部分（约5%左右），可以忽略不计。

阻尼器在消能减震结构中应用浅析1 耗能减震结构体系的特点（1）结合动力学和能量进行研究，通过耗能装置增加了结构阻尼，耗散结构部分能量，有效控制结构响应；（2）在风荷载或者小震作用下，耗能减震装置并未进入塑性阶段，耗能减震装置只是相当于主体结构的普通支撑，能够对侧向变形进行有效的控制，结构主体依旧未发生塑性变形，处于弹性阶段。

（3）如果遭遇了中震或者大震，在主体结构发生塑性变形之前耗能减震装置就已经进入了塑性滞回耗能状态，大大减轻了主体结构的负担，分担了很大一部分输入主体结构的能量，在很大程度上保障了主体结构的安全，以达到耗能减震保护主体结构的目的。

2 耗能减震器的分类[1]不同的材料和不同的耗能机理以及相应的构造决定了不同的消能减震装置，经过数十载的发展，各式各样的耗能减震器如同雨后春笋一般出现。

按照材料和耗能机理进行分类：金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、电磁感应阻尼器；按受力形式进行分类：弯曲型耗能减震器、剪切型耗能减震器、扭转型耗能减震器、挤压型耗能减震器、弯剪型耗能减震器。

3 主要阻尼器的耗能原理及性能3.1 摩擦阻尼器摩擦阻尼器主要是依靠装置自身产生相对滑移变形，依靠相关结构之间的摩擦或者阻尼力实现对地震能量的消耗。

遭遇小震或者风荷载作用下，摩擦阻尼器并未开始工作模式，主要是依靠结构自身耗能能力来完成对能量的消耗。

而在遭遇中震或者大震的情况下，主体结构在发生较大变形之前阻尼器开始发挥作用，有效的控制地震响应，实现振动控制[2]。

摩擦阻尼器的机械组合方式、摩擦介质类型较多，但是减震耗能原理都是通过摩擦来实现能量的消耗，接触界面包括钢与钢、黄铜与钢等形式。

如下图所示，X 形支撑摩擦阻尼器构造示意图。

图1 X 形支撑摩擦阻尼器3.2 粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器是由粘弹性材料以及约束钢板组成，其中所采用的粘弹性材料一般都是由弹性、粘性双重特性的高分子聚合物合成。

其消能减震主要是依靠粘弹性材料产生的剪切变形或拉压变形来实现的。

文献综述耗能减震技术在结构减震中的应用研究1. 前言传统的抗震设计是利用结构本身的抗震性能抵御地震作用，以达到抗震的目的,这是“硬碰硬”式的抗震, 是一种消极被动的抗震方法。

耗能减震技术[1]原理是通过附加的子结构或者耗能装置，以消耗地震传递给结构的能量为目的，以减小主体结构地震反应或减轻其破坏, 达到抗震的目的。

1972 年新西兰的Kelly等人[2]首先提出金属屈服耗能器，并进行了软钢耗能器的研究和试验。

为了改善地震作用下结构的工作性能，近年来国内外已开发出了各种耗能阻尼器。

目前, 已开发出多种耗能减震装置, 它们可归纳为以下三类:(1) 金属阻尼器;(2) 摩擦耗能减震装置;(3)粘弹性阻尼器。

因其减震效果好、构造简单、造价低廉、适用范围广、维护方便等特点，受到各国研究者和工程师的重视。

加拿大、意大利、日本、墨西哥、新西兰和美国等国家已将耗能减震装置应用到建筑中以减轻建筑物的地震反应, 以及在某些情况下减轻建筑物中设备振动损害的危险性。

本文总结了国内外耗能减震技术研究和工程应用的最新进展。

2. 耗能能减震的概念及原理消能减震技术属于结构减震控制中的被动控制，它是指在结构某些部位设置阻尼装置，通过阻尼装置产生摩擦，弯曲（或剪切，扭转）弹塑性滞回变形消能来消散或吸收地震能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震抗震的目的。

装有阻尼（消能）装置的结构称为耗能减震结构。

耗能减震的原理[8]可以从能量的角度来描述，如图1所示，结构在地震中任意时刻的能量方程为：（a ）地震输入； （b ）传统抗震结构； （c ）消能减震结构图1 结构能量转换途径对比传统抗震结构：in v c k h E E E E E =+++ (1)耗能减震结构：''''in v c k h d E E E E E E =++++ (2)式中：E in 、E in ′——地震过程中输人结构体系的能量；E v 、E v ′——结构体系的动能；E c 、E c ′——结构体系的粘滞阻尼消能；E k 、E k ′——结构体系的弹性应变能；E h 、E h ′——结构体系的滞回消能；E d ——消能(阻尼)装置或消能元件消散或吸收的能量。

・综　述・软钢阻尼器耗能减震结构的研究与应用综述3章丛俊　李爱群　赵　明(东南大学土木工程学院　南京　210096) 摘　要:对软钢阻尼器消能减震结构进行了综述,包括国内外软钢阻尼器研究与应用状况,软钢阻尼器耗能减震结构体系的分析与设计方法及标准化发展,并提出了软钢阻尼器耗能减震技术有待进一步研究的若干问题。

关键词:软钢阻尼器　滞回曲线　耗能　减震　耗能减震结构体系SU MMAR Y OF RESEARCH ON AN D APP LICATIONS OF PASSIVE ENERG YDISSIPATION SYSTEMS OF MI LD STEE L DAMPERZhang C ongjun Li Aiqun Zhao M ing(C ollege of Civil Engineering ,S outheast University Nanjing 210096)Abstract :I t is summarized that the passive energy dissipation systems of mild steel dam per ,including the studies and applications of the new techniques both at home and abroad ;the per formance ,design methods and codes of structure systems with energy dissipaters.S ome problems to be further studied are presented.K eyw ords :mild steel dam per hysteretic curve energy dissipation seismic reduction structure systems with energy dissipation3国家自然科学基金资助项目(编号:59978009)。

9．3 耗能减震结构设计9．3．l 结构耗能减震原理与耗能减震结构特点结构耗能减震技术是在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置耗能（阻尼）装置（或元件），通过耗能（阻尼）装置产生摩擦，弯曲（或剪切、扭转）弹塑（或粘弹）性滞回变形耗能来耗散或吸收地震输人结构中的能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控震的目的。

装有耗能（阻尼）装置的结构称为耗能减震结构。

耗能减震的原理可以从能量的角度来描述，如图9．11结构在地震中任意时刻的能量方程为：传统抗震结构E in=E v+E c+E k+E h耗能减震结构E in=E v+E c+E k+E h+E d式中E in——地震过程中输入结构体系的能量；Ev ——结构体系的动能；Ec——结构体系的粘滞阻尼耗能；E k——结构体系的弹性应变能；E h——结构体系的滞回耗能；Ed——耗能（阻尼）装置或耗能元件耗散或吸收的能量。

图 9.11 结构能量转换途径对比a ）地震输人b ）传统抗震结构c ）消能减震结构在上述能量方程中，由于Ev 和Ek 仅仅是能量转换，不能耗能,Ec 只占总能量的很小部分（约5％左右），可以忽略不计。

在传统的抗震结构中，主要依靠Eh 消耗输入结构的地震能量，但因结构构件在利用其自身弹塑性变形消耗地震能量的同时，构件本身将遭到损伤甚至破坏，某一结构构件耗能越多，则其破坏越严重。

在耗能减震结构体系中，耗能（阻尼）装置或元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结构体系的地震能量，则结构本身需消耗的能量很少，这意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。

一般来说，结构的损伤程度与结构的最大变形Δmax 和滞回耗能Eh （或累积塑性变形）成正比，可以表达为：),(max h E f D ∆=在耗能减震结构中，由于最大变形和构件的滞回耗能较之传统抗震结构的最大变形和滞回耗能大大减少，因此结构的损伤大大减少。