耗能减震钢结构基于性能的抗震设计方法研究

来源:用户上传      作者: 梁景彪

　　摘要：所谓耗能减震结构，就是将耗能元件设置在建筑结构中，用于吸收地震输入结构中的能量，这一过程主要应用的是滞回变形耗能原理，这样，结构的地震反应就会被大大减低，其所产生的破坏程度自然就会下降，从而达到减震目标。将这种结构应用于建筑设计中，可以提升建筑物的抗震能力，提高其安全性能，应用前景非常广阔。本文主要探究了耗能减震结构基于性能的抗震设计方法。
　　关键字：耗能减震钢结构；性能；抗震设计方法
　　前言：为了提升城市建筑的抗震能力，人们提出了基于性能的耗能减震钢结构。耗能器运作过程中具有非线性特征，影响原有结构的动力性，对动力反应产生负面影响，耗能减震钢结构就要消除这种影响。设计这种结构的最大难点就是耗能器运作的非线性，如何采用合适的方法使设计更加简便，是设计人员需要认真研究的问题。
　　1.耗能减震钢结构模型分析
　　在对耗能器进行分类时，一般将耗能机制或者是耗能特性作为依据，目前人们研究的耗能器主要分为三类，一是位移相相关型，二是速度相相关型，三是复合型。其中位移相相关型中，主要是金属耗能器，最常用的就是钢结构，钢结构在拉伸以及弯曲等变形中耗散能量，耗能性质与相对位移之间紧密相连。金属耗能结构通常都采用双线性模型，内部需要设置若干个耗能构件，这些构件串联起来，形成耗能支撑。设计构成中，要将构件的组合刚度作为重要依据，最终支撑结构与耗能器组成耗能单元。耗能减震模型中主要包括两个部分，第一为主体结构，第二就是耗能支撑结构，二者之间在模型中体现为叠加关系，设计时要综合考虑二者的性能，设计的不同阶段，对模型分析时要采用不同的方法，保证结构可以满足不同的性能需求[1]。
　　2.耗能减震钢结构基于性能的抗震设计
　　2.1设计过程
　　本设计主要针对位移相关型耗能器，对现有研究成果进行优化和改进，实现简化目标，具体步骤如下：
　　首先，要建立一个等效SDOF体系，在设计中包括原结构和耗能减震结构，耗能减震结构SDOF体系中，我们假设主体钢结构保持良好的弹性状态，支撑结构的弹性状态始终没有发生变化，也就是说耗能器始终在理想状态下运行。然后分别计算产生屈服、位移以及不产生屈服、位移时的结构刚度，钢结构耗能支撑选择双线型模型，分析推导等效周期、等效刚度以及等效阻尼比之间的关系，得出一个关系函数，反应几者之间的关联。由于设计主要是针对耗能器工作时的非线性问题，因此要求耗能减震钢结构具有良好的稳定性，抗震能力足够强，避免被破坏。所以，滞回耗能曲线的设计要区别于一般刚才，不允许钢结构出现性能退化问题，最终将有效阻尼比模型确认为恢复力模型，具备"无退化"特性。
　　推导计算完成、模型确认以后，需要将计算结果以及模型作为依据，绘制出性能曲线，反应位移减小率与基底剪力减小率之间的关系。曲线绘制完成以后，需要分析结构的非线性时程，根据模型以及性能曲线中的参数设计钢结构，之后形成一个三维结构模型，分析其非线性时程，可以根据实际需要对其中的一些参数做出调整，在满足抗震要求的前提下尽量将设计简化，避开迭代计算过程[2]。
　　2.2实例分析
　　某小型企业的办公楼为钢结构，共有七层，层高3.7米，八度抗震设防烈度，周期折减系数为0.9，钢结构的阻尼比为3.5%。按照2.1中的步骤设计模型，计算相关参数，绘制成性能曲线。在曲线图中找出最佳阻尼比，探究该处的性能参数，如果处于小震环境下，对支撑结构的刚度没有过多要求。如果处于中震环境下，需要提升支撑结构的刚度，此时在绘制性能曲线的过程中我们会发现其中包含的性能点更多、更加密集，随着附加刚度的增加，拐点变得越来越突出，基底剪力降低率也没有发生太大变化，因此附加刚度可以适当增加，但是不能太大，否则地震作用就会被方法，反而打不到理想的减震效果，钢结构还会遭到破坏。研究以后，最后将一层至三层、四层至六层建筑钢结构的弹性刚度分别确定为每毫米350千牛和每毫米150千牛。
　　本设计中，建筑顶层并没有设置耗能支撑结构，楼层位移会对震动产生放大效应，但是从整体上来说，最大层间位移角可以抗震要求，能够起到耗能抗震目标。值得注意的是，以上分析中是将最初描述的假设作为前提，假设耗能器进入非线性反应阶段。如果想要明确所设计的结构是否能够满足实际抗震要求，需要重新对其进行非线性分析，观察实际运作中钢结构的真实反映状态[3]。
　　3.结论分析
　　首先，设计过程中要参照SDOF体系，不同性能点对应不同的等效周期，可以将此作为依据来估算耗能器的实际周期，一般情况下比等效周期小11%至16%之间，最后可以利用该数值估算钢结构起到多大的减震作用。
　　其次，在SDOF体系中，不同性能点也对应不同的有效阻尼比，可以将此作为依据估算实际结构的最大阻尼比，估算时需要参照相对位移，将最大楼层作为计算标准。减震钢结构实际运作时，耗能支撑会发生变化，耗能能力逐渐下降，减震能力也就随之下降，因此实际附加阻尼比仅仅可以达到理想值的60%至70%，可以将这一数据作为参照预估耗能减震结构的实际减震能力，为抗震设计提供参考。
　　第三，等效SDOF体系在某种角度上可以反映出耗能减震结构与地震波性能之间的变化关系，我们可以从曲线中观察出地震波特性。同时，曲线中的性能点有两个直观特性，一个是疏密程度，另一个是拐点，从这两个直观特性上可以做出以下判断：一是支撑结构的附加刚度如何，二是初始屈服位移有多大，这样耗能减震钢结构在设计时就能够与减震目标更加接近。
　　最后，有必要对高层钢结构以及不规则钢结构进行进一步研究，特别是考虑结构高阶振型影响及扭转效应等多个因素的影响，根据设计目标选择合理的性能设计方法，满足设计要求[4]。
　　总结：将建筑中的非承重构件设计成为耗能杆件，或者是在关键位置设置耗能器，可以有效吸收地震能量，提升建筑物的抗震性能。由于现代建筑中大多数钢结构居多，因此本文对耗能减震钢结构的设计进行研究，设计过程中将"性能"作为基础，考虑到钢结构的刚度以及弹性形变等，针对耗能器运作过程中的非线性进行研究，将复杂的设计简化，在满足耗能减震、抗震的要求下，兼顾经济性，具有广阔的应用前景。
　　参考文献：
　　[1]周云，邓雪松.中国（大陆）耗能减震技术理论研究、应用的回顾与前瞻[J].工程抗震与加固改造，2006，06：1-15.
　　[2]高莹，黄忠海.耗能减震结构基于能量和位移的抗震设计方法研究[J].广东土木与建筑，2011，08：16-19.
　　[3]邓雪松，汤统壁.耗能减震钢结构性能水准与目标的初步研究[J].防灾减灾工程学报，2008，01：104-109.
　　[4]翁大根，张瑞甫.基于性能和需求的消能减震设计方法在震后框架结构加固中的应用[J].建筑结构学报，2010，S2：66-75.
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