建筑结构中阻尼器消能减震设计关键技术的探讨

文/张希　云南省安泰建设工程施工图设计文件审查中心 云南昆明 650000



建筑结构中阻尼器消能减震设计关键技术的探讨

文/张希云南省安泰建设工程施工图设计文件审查中心 云南昆明 650000

阻尼器在建筑结构中发挥着消能减震的作用，被广泛的应用于建筑结构的设计过程中，对于阻尼器消能减震设计的关键技术包括，非线性分析方法、阻尼器形变设计、阻尼器的侧向稳定以及在阻尼器设计过程中应该注意的问题进行了介绍，为阻尼器消能减震设计起到了重要的支撑作用。

建筑结构；阻尼器；非线性分析；形变分析；侧向稳定

1、引言

建筑结构中阻尼器的应用大大提高了建筑物的抗震能力，而在目前地震活动较为频繁时期，对于建筑结构中阻尼器的研究一直都是工程领域的热点问题。随着国内在建筑结构设计中普遍应用到阻尼器，建筑领域内对于阻尼器的认识与应用也在不断的深入，包括阻尼器的设计、对阻尼器参数的计算分析、阻尼器侧向稳定性等一些关键技术。建筑结构阻尼器消能减震技术是阻尼器设计的核心技术，通过对该技术的研究为我国阻尼器性能的提高提供一定的技术基础。

2、阻尼器消能减震关键技术设计

2.1非线性分析方法

在对阻尼器进行分析的过程中，非线性分析是一种误差较小的分析算法，但是阻尼器在应用的过程中所使用的算法一般都是线性算法而非非线性算法。所以在对其进行线性分析的过程中需要在主体结构中附加一个阻尼比来进行分析，用来表示在建筑物的消能减震结构中阻尼器对建筑物的阻尼增加的影响。但是这种处理方式仍然存在一定的问题，在这种方式下建筑结构中各个阻尼器的阻尼力以及阻尼器的形变量都是未知的，因而通过这种方式计算得到的阻尼器实际上并不可靠。并且阻尼器具有刚度参数，而这种计算方式其中并没有涉及到刚度参数。在对阻尼器进行非线性分析的过程中，需要不断的进行参数结构的调整，一般将阻尼器的非线性动力学性质类比于塑铰， 然后利用软件对阻尼器进行分析，通过用塑性铰来模拟阻尼器，因而在对阻尼器的静力进行线性分析的过程中，阻尼器的力学参数如形变量以及受力都可以自行计算出来而不需要进行假设，且分析程序可自行计算出，在分析的过程中这些参数都是可以确定的，能将消能减震的结构性能参数进行有效的设计。然后通过上述方法，来对阻尼器在建筑物结构设计过程中的各种可能的反应进行相应的测试计算，将在各种情况下阻尼器所应用具有的力学参数进行相应的仿真设计。

2.2阻尼器形变极限设计

在工程设计的过程中，阻尼器不仅能够在有地震的情况下起到减震的作用，还可以在常规水平荷载下（如风载）降低建筑物可能的形变，能在一定程度上增加主体结构的阻尼，增大结构阻尼比，使得建筑结构的构件所受到的应力减小，能有效的降低主结构面的截面积，从而为工程的建设节约成本，改善建筑舒适度。在加固工程中使用阻尼器，能够通过增加有限的成本来减小地震作用对结构的影响，从而加强建筑物的主体结构。在建筑结构中加装阻尼器的基本作用，就是要利用阻尼器的消耗地震传递建筑物的能量，来降低建筑主体构件所造成的应力。为了满足上述的需求，在建筑物的消能减震结构设计的过程中，必须要保证在建筑物承受较大地震的情况下仍然能够发挥其消能减震的作用。国外阻尼器的设计一般用于中震地震，所以结合本国的实际情况我国所使用的阻尼器要在中震地震时候开始起作用，并且要保证阻尼器在大震的情况下不能够损坏。考虑到我国目前的地震级别较低，因而考虑到经济性阻尼器在很多的建筑工程中得到了实际的应用，在这种配置下要求在发生小震地震的情况下要开始发挥作用， 并要保证大震时阻尼器不坏，因而从该设计环节上可以看出，我国阻尼器性能参数要相对好很多。而对于位移类型的阻尼器来讲，国外在阻尼器设计的过程中强调的是在发生较大程度的地震情况下起到减震作用，阻尼器的极限形变程度要达到曲变形状的20倍以上，而在我国对于该参数的要求为30-40倍以上。因而在消能减震阻尼器设计的过程中需要考虑到阻尼器的阻尼比以及相应的结构刚度，还要考虑到阻尼器的极限形变的能力，进而避免阻尼器在发生地震的过程发生损坏，而在较大地震的情况下而无法发挥其能力。在对消能减震结构进行设计的过程中，需要将阻尼器的力学参数以及形变参数设计好，然后选择能够满足上述性能参数的阻尼器。

2.3阻尼器的侧向稳定性设计

阻尼器在建筑工程的应用中越来越多，在经过多次的地震作用后，发现阻尼器的侧向的稳定性非常重要，侧向稳定性甚至对于阻尼器能否在地震的过程中达到应有的效果。由于建筑结构存在的不规则以及越来越复杂的趋势，传统的平面框架的理论越来越难以起到作用。因而在消能减震设计的过程中，需要注意由于阻尼器部件的节点不会由于侧向失稳而造成阻尼器无法发挥其真正作用的情况。

3、应用实例

结构的防屈曲约束支撑布置，在轴电梯与楼梯间相互交界的地方分别布置一组防屈曲的约束支撑结构，可以从下图看出。

本文设计用于对比的普通支撑结构的仿真结果，二者的平面结构布置基本上是类似的。在地震活动较为频繁的时期，防屈曲的支撑系统还没有发挥其作用，仅仅可以起到弹性钢杆的作用。而在中等级别以上的地震情况下可以将位移减少到27%。从经济上考虑，且带UBB结构还能够节省大约9%的用钢量。随着地震强度的不断增大其发挥的作用越来越明显。

图1　 标准层结构布置

表1　加入阻尼器后的效果对比

4、设计过程中应该注意的问题

在阻尼器设计的过程中，阻尼器所承受的总剪力不能超过楼层抗剪承载力的30%，主体结构本身应该具备一定的抗剪能力，进而避免阻尼器在地震的过程失效，从而导致主体结构的破坏。结构频率决定了速度型阻尼器的耗能，在求解有效的阻尼比的过程中，需要根据结构不同方向的自振来计算相应的频率，而不能够使用一阶模型来计算。加装速度阻尼器作用力中的粘滞力无法进行准确的计算，因而使得结构构件的内力的计算变得非常的复杂。因而在结构构件设计过程中需要根据不同的情况进行粘滞力的计算在相对位移最大的情况下的粘滞力为0，最大相对速度粘滞力为0。消能减震装置在没有经历过地震考验的情况下，如果结构速度以及摩擦发生损耗阻尼器的情况，需要定期的对阻尼器进行检修和维护。位移阻尼器要做好防锈，也需要定期的对其进行检查维修，在发生损坏时及时更换。

结语：

目前是地震多发的时期，我国近几年多个地区发生多次的地震，地震造成了巨大的人员伤亡以及经济损失，在建筑结构采用阻尼器来抗震减震具有非常重要的意义。通过对阻尼器设计过程中的关键技术研究，为减震阻尼器在我国的应用与推广奠定技术基础，探索一条适合我国国情应用途径。

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