隔震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(完全版)

1、隔震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計 隔震案例 減震案例 隔震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)的特點及與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的區(qū)別 隔震結(jié)構(gòu)的案例隔震結(jié)構(gòu)的案例 10.6 隔震結(jié)構(gòu)工程設(shè)計實例隔震結(jié)構(gòu)工程設(shè)計實例 10.6.1工程概況工程概況 某中學(xué)教學(xué)樓，地上5層，每層高度皆為3.6m，總高18m，隔震支座設(shè)置于基礎(chǔ)頂部。上部結(jié)構(gòu)為全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓蓋為普通梁板體系，基礎(chǔ)采用肋梁式筏板基礎(chǔ)。丙類建筑，設(shè)防烈度8度，設(shè)計基本加速度0.15g，場地類別類，地震分組第一組，不考慮近場影響。 根據(jù)現(xiàn)行中小學(xué)建筑設(shè)計規(guī)范、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范、建筑抗震設(shè)計規(guī)范相關(guān)規(guī)定對上部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)

2、布置如圖10.9所示，各層的重量及側(cè)移剛度如表10.3所示。圖10.9 框架平面柱網(wǎng)布置圖表10.3 上部結(jié)構(gòu)重量及側(cè)移剛度層號重力荷載代表值(KN)側(cè)移剛度（KN/mm）16095.7867826095.7859736095.7859745897.8659755600.4559710.6.2 初步設(shè)計初步設(shè)計1.是否采用隔震方案是否采用隔震方案(1)不隔震時，該建筑物的基本周期為0.45s，小于1.0s。(2)該建筑物總高度為18m，層數(shù)5層，符合建筑抗震設(shè)計規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。(3)建筑場地為類場地，無液化。(4)風荷載和其他非地震作用的水平荷載未超過結(jié)構(gòu)總重力的10%。以上幾條均滿足規(guī)范中關(guān)

3、于建筑物采用隔震方案的規(guī)定。2.確定隔震層的位置確定隔震層的位置 隔震層設(shè)在基礎(chǔ)頂部，橡膠隔震支座設(shè)置在受力較大的位置，其規(guī)格、數(shù)量和分布根據(jù)豎向承載力、側(cè)向剛度和阻尼的要求通過計算確定。隔震層在罕遇地震下應(yīng)保持穩(wěn)定，不宜出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形。隔震層橡膠支座在罕遇地震作用下，不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力。3.隔震層上部重力設(shè)計隔震層上部重力設(shè)計 上部總重力為如表10.3所示。10.6.3 隔震支座的選型和布置隔震支座的選型和布置 確定目標水平向減震系數(shù)為0.50，進行上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并計算出每個支座上的軸向力。根據(jù)抗震規(guī)范相應(yīng)要求，丙類建筑隔震支座平均應(yīng)力限制不應(yīng)大于15MPa，由此確定每個支座的直徑（隔震裝

4、置平面布置圖如圖10.10所示，即各柱底部分別安置橡膠支座）。圖10.10 隔震支座布置圖GFvevkkNN25.536083 . 15 . 0(2 . 1豎向地震作用活載）恒載kNN39.1546中kNN02.1134邊1.1.確定軸向力確定軸向力豎向地震作用 柱底軸力設(shè)計值 中柱柱底軸力 邊柱柱底軸力 2.2.確定隔震支座類型及數(shù)目確定隔震支座類型及數(shù)目中柱支座：GZY400型，豎向承載力1884KN，共22個。邊柱支座：GZY400型，豎向承載力1884KN，共22個。其支座型號及參數(shù)如表10.4。mmkNKKjh/048.9244092. 2292. 0048.92292. 0092.

5、 244hjjegKK10.6.4 10.6.4 水平向減震系數(shù)水平向減震系數(shù)的計算的計算多遇地震時，采用隔震支座剪切變形為50%的水平剛度和等效粘滯阻尼比。由式(10.2)由式(10.3) 。sTSgKGTgh0 . 24 . 05527. 12157. 07 . 106. 005. 012egeg78. 055 . 005. 09 . 0egeg5 . 037. 0)/()/(29 . 0012ggTTTT由式(10.1) 。 由式(10.6) 即水平向減震系數(shù)滿足預(yù)期效果。10.6.5 10.6.5 上部結(jié)構(gòu)計算上部結(jié)構(gòu)計算1.1.水平地震作用標準值水平地震作用標準值216. 024.

6、00 . 145. 040. 09 . 0max210TTgkNGFeqek4 .20238 .25317216. 037. 00非隔震結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù) 由式(10.8) kNGi/iGekFiFiViV計算層間剪力標準值,其結(jié)果見表10.5。 表10.5 上部結(jié)構(gòu)層間剪力標準值層數(shù)/kN/kN/kN/kN55600.4529785.652023.40380.45380.4545897.86400.65781.1036095.78414.101195.2026095.78414.101609.3016095.78414.102023.403.3.上部結(jié)構(gòu)層間位移角上部結(jié)構(gòu)層間位移角表10.

7、6 上部結(jié)構(gòu)層間位移角層數(shù)/KN側(cè)移剛度（KN/mm）層間位移(mm)層高(mm)層間位移角限值5380.455970.6436001/56501/5504781.105971.3136001/275231195.205972.0036001/179921609.305972.7036001/133612023.405973.0036001/1207由表10.6可知，上部結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)計要求。eesTg4 . 0mmkNKKjh/504.5344216. 1131. 0504.53131. 0216. 144hjjegKKsgKGTh66. 12171. 0131. 07 . 106. 013

8、1. 005. 017 . 106. 005. 012egeg 10.6.6 10.6.6 隔震層水平位移驗算隔震層水平位移驗算罕遇地震時，采用隔震支座剪切變形不小于250%時的剪切剛度和等效粘滯阻尼比。 1. 1.計算隔震層偏心距計算隔震層偏心距本結(jié)構(gòu)和隔震裝置對稱布置，偏心距=0。2.2.隔震層質(zhì)心處的水平位移計算隔震層質(zhì)心處的水平位移計算 根據(jù)場地條件，特征周期為。由式(10.2) 由式(10.3) 由式(10.1) 83. 0131. 055 . 0131. 005. 09 . 055 . 005. 09 . 0egeg20. 1max261. 020. 171. 066. 14 .

9、0)(83. 0max211TTgeqmmmKGuheqsc179179. 0)(115. 1immmmuucii85.20517915. 1 mmui220mmummuii22085.205kNGVsc49.9601)(1設(shè)防烈度8度(0.15g)罕遇地震下。由式(10.12) 3.3.水平位移驗算（驗算最不利支座）水平位移驗算（驗算最不利支座） 本工程隔震層無偏心，對邊支座。由式(10.11) 驗算支座GZY400 故支座變形滿足要求。10.6.7 10.6.7 隔震層下部計算隔震層下部計算各隔震支座的剪力按水平剛度分配。隔震層在罕遇地震作用下的水平剪力計算為,隔震層的總剛度為53504K

10、N/m。每個GZY400隔震支座受到水平剪力為218.22KN。上部結(jié)構(gòu)隔震層2/sm2/ sm2/ sm10.6.8 10.6.8 隔震結(jié)構(gòu)時程分析驗算隔震結(jié)構(gòu)時程分析驗算1 1分析模型分析模型圖10.11 隔震結(jié)構(gòu)時程分析模型2 2輸入地震波輸入地震波本工程8度(0.15g)設(shè)防，時程分析所用地震加速度時程曲線的最大值取為：多遇地震1.10罕遇地震5.10輸入地震波如表10.7：表10.7時程分析地震波參數(shù)最大加速度地震波相位特性時間間隔(s)時長(s)峰值時刻(s)ART EL CENTROEL CENTRO 1940 NS0.0182419.02.22ART HACHINOHEHACH

11、INOHE 1969 EW0.01163.84392.6217.3ART KOBEJMA KOBE 1995 NS0.01163.83945.56)(kN)/(2sm)/(smmm2/1 . 1sm3 3 時程分析結(jié)果時程分析結(jié)果采用時程分析程序進行結(jié)構(gòu)在多遇地震下結(jié)構(gòu)隔震與非隔震的時程分析，以及在罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)時程分析。多遇地震下時程分析計算結(jié)果如表10.8：表10.8 多遇地震時程分析的主要計算結(jié)果層間剪力加速度速度位移項目波形非隔震結(jié)構(gòu)隔震結(jié)構(gòu)1層2層3層4層5層隔震層1層2層3層4層5層EL333430362912221912171403.21191.7998.1805.

12、1568.8290.1HA458341733345239712681834.61471.81153.2902.6621.0321.5KO443637202835230613241775.61587.21385.91138.5808.3414.2EL1.211.872.132.412.581.121.101.131.211.271.31HA1.131.721.971.992.421.411.521.571.561.531.50KO1.342.152.462.272.231.311.381.451.531.551.60EL0.060.100.140.180.200.120.130.140.150.

13、160.16HA0.060.120.170.200.220.150.160.190.200.220.23KO0.060.130.170.200.230.140.160.170.180.190.20EL4.929.8513.6917.2319.1323.7826.5229.0831.0232.3032.92HA6.7613.7519.2422.9824.8131.0934.4837.4439.5140.7841.36KO6.5412.7717.1219.8021.3030.0933.6937.2340.0942.1043.15注：加速度時程曲線最大值。)(kN)(kN通過結(jié)構(gòu)隔震與非隔震兩種情況

14、下各層最大層間剪力的分析對比確定隔震結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)，計算結(jié)果見表10.9：表10.9 水平向減震系數(shù)計算隔震剪力非隔震剪力層次波形剪力比值平均值最大值5EL290.11217.00.2380.2680.345HA321.51268.00.254KO414.21324.00.3134EL568.82219.00.2560.289HA621.02397.00.259KO808.32306.00.3503EL805.12912.00.2760.316HA902.63345.00.270KO1138.52835.00.4022EL998.13036.00.3290.323HA1153.24173

15、.00.276KO1385.93720.00.3731EL1191.73334.00.3570.345HA1471.84583.00.321KO1587.24436.00.358由表10.8可知，結(jié)構(gòu)在隔震與非隔震兩種情況下各層最大層間剪力比值為0.345。因本工程水平向減震系數(shù)設(shè)計為0.5。按本章節(jié)表10.2規(guī)定，水平向減震系數(shù)為0.5時，層間剪力最大比值為0.35。而表10.8中，其值0.345未超過層間剪力比限值，因而認為該隔震結(jié)構(gòu)滿足水平向減震系數(shù)要求。隔震后上部結(jié)構(gòu)層間角位移見下表10.10：表10.10 隔震后上部結(jié)構(gòu)層間位移角層次波形層間位移(mm)層高(mm)層間角位移限值5E

16、L32.9236001/58071/550HA41.3636001/6207KO43.1536001/34294EL32.3036001/2813HA40.7836001/2835KO42.1036001/17923EL31.0236001/1856HA39.5136001/1740KO40.0936001/12592EL29.0836001/1407HA37.4436001/1217KO37.2336001/10171EL26.5236001/1314HA34.4836001/1062KO33.6936001/1000mm2/1 . 5smmmmm220190mm12罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)的層間

17、位移計算結(jié)果見表10.11：表10.11 罕遇地震下最大水平位移（單位：）輸入波形隔震層1層2層3層4層5層ART EL CENTRO192205217225231234ART HACHINOHRT KOBE204218230239245248平均190203215223229231注：加速度時程曲線最大值。由表10.11中數(shù)據(jù)可知隔震層在罕遇地震作用下最大水平位移為，滿足最大位移限值要求。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下層間位移角限值為1/50，而本工程采用隔震結(jié)構(gòu)，彈塑性位移角限值取規(guī)定值的1/2，即1/100。由表1.11的計算可知本工程最大位層

18、間移為，位移角為12/3600=1/300，滿足要求。各地震波時程分析得到的層間最大位移圖如下：圖10.12為ART EL CENTRO波時程分析位移最大值。圖10.13為ART HACHINOHE波時程分析位移最大值。圖10.14為ART KOBE波時程分析位移最大值。05010015020025001234567樓層位移(mm)05010015020025001234567樓層位移(mm)05010015020025001234567樓層位移(mm)隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下隔震層產(chǎn)生較大位移，同時消耗地震能量，極大的減少了輸入上部結(jié)構(gòu)的能量。上部結(jié)構(gòu)的變形很小，基本保持彈性而不發(fā)生嚴重的破壞，

19、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。減震結(jié)構(gòu)的案例 粘滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及計算實例1 粘滯流體阻尼器減震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法1.1 設(shè)計流程消能減震結(jié)構(gòu)主要是通過設(shè)置各種消能減震裝置186以控制結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下的預(yù)期變形，從而達到不同等級的抗震設(shè)防目標，其具體設(shè)計內(nèi)容主要包括確定阻尼器參數(shù)和數(shù)量以及阻尼器的優(yōu)化安裝位置兩方面內(nèi)容。我國抗震規(guī)范 1 中雖然增加了消能減震的內(nèi)容，但并沒有給出具體的設(shè)計方法。因此，本文以安裝粘滯流體阻尼器的高層結(jié)構(gòu)為研究對象，給出了一種優(yōu)化設(shè)計方法，該方法預(yù)先設(shè)定消能結(jié)構(gòu)的位移角限值，進而由附加阻尼比求出所需阻尼器的數(shù)量及參數(shù)，并以層間位移角為優(yōu)化目標，采用“逐層搜索”的方法確

20、定其安裝位置， 最終達到預(yù)先設(shè)定的層間位移角減震目標，該方法主要針對給定地震波作用下的彈性結(jié)構(gòu)進行，具體設(shè)計流程如圖 1 所示，對于其中的幾個關(guān)鍵步驟將在下文中展開討論。1.2 附加阻尼比的確定消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，往往需要預(yù)先指定消能結(jié)構(gòu)所需達到的位移減震目標，并求出所需的附加阻尼比，最直接的求解方法是通過不同阻尼比的位移反應(yīng)譜曲線進行插值。但在沒有可用的位移反應(yīng)譜的情況下，需要尋找其他方法進行替代。本文的解決方法是：首先做出結(jié)構(gòu)等效單自由度體系的附加阻尼比 a 和位移減震率 d 的曲線， 再由預(yù)先指定的結(jié)構(gòu)位移減震率從曲線上直接查出所需的附加阻尼比 a 。單自由度結(jié)構(gòu)位移減震率 d 定義為

21、：式中：u 0,max 為無附加阻尼單自由度結(jié)構(gòu)位移最大值；u c,max 為附加阻尼比 a 后單自由度結(jié)構(gòu)的位移最大值。而對于實際結(jié)構(gòu)位移減震率 d 可以根據(jù)需要定義為結(jié)構(gòu)的層間位移角減小率或結(jié)構(gòu)頂點位移的減小率。同時定義結(jié)構(gòu)的底部地震剪力減震率：式中： S 0,max 為無附加阻尼單自由度結(jié)構(gòu)底部地震剪力最大值； S c,max 為附加阻尼比 a 后單自由度結(jié)構(gòu)底部地震剪力最大值。單自由度結(jié)構(gòu) a - d 曲線和 a - f 曲線可通過數(shù)值方法求解 Maxwell 模型的平衡及協(xié)調(diào)方程得到 2 。本文在計算中發(fā)現(xiàn)， 單自由度結(jié)構(gòu) a - d 曲線和 a - f 曲線主要受結(jié)構(gòu)自振周期 T、

22、結(jié)構(gòu)自身阻尼比 s 和地震波類型的影響，與地震波峰值等因素無關(guān)。為滿足下文中消能減震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的需要，圖 2 給出了一幢方鋼管混凝土框架高層 3 的等效單自由度結(jié)構(gòu)的 a - d 曲線和 a - f 曲線， 曲線所對應(yīng)的參數(shù)為： 自振周期 T=4s，結(jié)構(gòu)自身阻尼比 s =0.035，地震波為 SHW2 波，單自由度結(jié)構(gòu)質(zhì)量取實際結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量。圖中同時給出了該實際結(jié)構(gòu)的計算曲線，其中實際結(jié)構(gòu)的位移減震率 d 取層間位移角最大值的減震率。從圖中可以看出， a - d 曲線吻合較好，而 a - f 曲線雖然差別較大，但變化趨勢相同。從圖 2(b)可以看出， 單自由度結(jié)構(gòu)和實際結(jié)構(gòu)在附加阻尼比 a

23、大于 0.2后，底部地震剪力都不再繼續(xù)減小，甚至開始增大，而此時隨著附加阻尼比的繼續(xù)增大，圖 2(a)中的位移減震率仍在大幅度的減小，說明結(jié)構(gòu)的構(gòu)件層間剪力也在不斷減小，此時，由層間地震剪力和層間構(gòu)件剪力所形成的不斷增大的差額則要由不斷增大的阻尼力來填補。由此說明，過多地設(shè)置阻尼器，并不能有效地減小地震力，甚至會使地震力增大，從而使繼續(xù)增加的阻尼器主要用來抵抗增大的地震力，從而導(dǎo)致不經(jīng)濟的減震設(shè)計方案。因此，在由 a - d 曲線確定所需的位移減震率的同時，還應(yīng)參考 a - f 曲線，以保證所需的附加阻尼比不會導(dǎo)致地震力的增大，由圖 2(b)可知，對于此結(jié)構(gòu)當附加阻尼比 a 0.2 時，地震力

24、不再減小，減震效率開始降低。具體設(shè)計時，根據(jù)場地條件，選定分析所用的地震波，對無阻尼器原型結(jié)構(gòu)進行時程分析，求得最大層間位移角 0 。確定減震結(jié)構(gòu)所需滿足的最大層間位由附加阻尼比確定阻尼器的參數(shù)及數(shù)量檢驗其它地震波作用下的減震效果逐層搜索法優(yōu)化設(shè)置阻尼器的安裝位置設(shè)定減震結(jié)構(gòu)的位移減震率目標并求出所需的附加阻尼比選定計算所用地震波圖 1 本文建議的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖187移角限值 d ， 計算所需的位移減震率 d =( 0 - d )/ 0 ，根據(jù)前述結(jié)構(gòu)等效單自由度體系的位移減震率-附加阻尼比曲線（ d - a 曲線）并參考底部地震剪力減震率-附加阻尼比曲線（ f - a 曲線）確定所需

25、的附加阻尼比 a 。上述過程也可以通過對無阻尼器原結(jié)構(gòu)進行不同阻尼比下的反復(fù)試算， 以確定達到指定層間位移角時，所需的附加阻尼比 a 。1.3 阻尼器參數(shù)及數(shù)量的確定抗震規(guī)范 1 中給出了計算消能部件附加有效阻尼比 a 的公式：式中：W s 為消能結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能；W c是所有消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗的能量，對于非線性粘滯阻尼器，W c 的計算公式如下所示式中：n 為阻尼器的數(shù)量；C j 、 j 為第 j 個阻尼器的阻尼系數(shù)和速度指數(shù)； u j 為第 j 個阻尼器兩端的相對水平位移； j 為第 j 個阻尼器的消能方向與水平面的夾角。阻尼器一般安裝在結(jié)構(gòu)層間位移角較大的樓

26、層，其兩端的相對速度最大值可以根據(jù)層間變形最大樓層的層間相對速度以及阻尼器安裝角度 j 求得，然后根據(jù)阻尼器阻尼力計算公式以及限定的阻尼器阻尼力最大值確定阻尼器的計算參數(shù) C j 和 j 。這里可以根據(jù)需要將阻尼器分成幾組不同的類型，分別設(shè)定不同的阻尼力最大值，并計算相應(yīng)的阻尼器參數(shù)。在得到阻尼器參數(shù)后， 將其帶入式(3)和式(4)就可以確定所需要的阻尼器的數(shù)量 n。1.4 阻尼器安裝位置的優(yōu)化本文所采用的阻尼器位置優(yōu)化設(shè)置方法，類似于文4所提出的連續(xù)搜索方法，基本方法是：先對無阻尼器結(jié)構(gòu)進行時程分析，確定層間位移角最大樓層，將阻尼器安裝在此樓層處，安裝數(shù)量根據(jù)具體情況而定，然后再對安裝了阻尼

27、器的結(jié)構(gòu)進行分析，再將阻尼器安裝到此時的層間位移角最大樓層，如此循環(huán)直到將所有的阻尼器安裝完畢。而在安裝過程中，需要注意的是某一層的阻尼器數(shù)量不能太多，其水平控制力總和不要大于該層地震力的 50太多 2 （如前所述，過大的阻尼力比例會引起加速度反應(yīng)的增大） ， 當某一層所需的阻尼器過多時，可以將其安裝到下面幾層中層間位移較大的樓層，計算結(jié)果證明阻尼器對其上部臨近幾層的減震效果要好于下部幾層。通過這種方法確定的阻尼器安裝位置不僅對所采用的地震波效果較好，對于其它地震波也能起到較好的減震效果。2 設(shè)計實例及效果分析本節(jié)以一幢方鋼管混凝土框架高層為研究對象 3（該結(jié)構(gòu)地上 21 層， 高約 100m

28、） ， 著重比較了三種減震設(shè)計方案的減震效果，其中兩種方案采用本文所建議的優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計，但預(yù)先設(shè)定了不同的位移減震目標，另外一種方案的阻尼器為均勻布置。2.1 阻尼器減震設(shè)計方案本節(jié)針對 7 度多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)進行減震優(yōu)化設(shè)計，計算程序采用 SAP2000，計算方法采用非線性振型分解時程分析法(FNA)，所采用的三種減震方案如下： 方案 1： 目標位移減震率定為 20， 由圖 2(a)得，所需附加阻尼比 a =0.08，采用本文建議方法進行減震設(shè)計；方案 2：目標位移減震率定為 30，由圖2(a)得，所需附加阻尼比 a =0.15，采用本文建議方法進行減震設(shè)計；方案 3：采用阻尼器均勻

29、布置方案。 各方案的最終設(shè)計結(jié)果列于表 1，其中阻尼器 D3 的參數(shù)為：阻尼系數(shù) 300kN/(mm/s) ，速度指數(shù) 0.15， 阻尼器出力控制在 500kN 左右；D6 的參數(shù)為：阻尼 系數(shù) 600kN/(mm/s) ， 速度指數(shù) 0.15， 阻尼器出力控制 在 1000kN 左右。阻尼器均沿對角斜向布置。2.2 小震下阻尼器減震效果分析表 2，圖 3 為 7 度多遇 SHW2 波作用下各減震方案的減震效果匯總。從中可以看到，方案 1 和方案 2在設(shè)計所用的地震波作用下，結(jié)構(gòu)兩個主方向的層間位移角峰值基本都達到了預(yù)先設(shè)定的減震目標，而且設(shè)計過程中，阻尼器的數(shù)量和參數(shù)均由本文的設(shè)計方法一次確

30、定，在阻尼器的位置優(yōu)化設(shè)計過程中沒有進行任何增減。方案 3 的層間位移角峰值的減震效果并不理想，其阻尼器配置總數(shù)多于方案 1，但層間位移角峰值的減震率只有方案 1 的一半。而對于結(jié)構(gòu)的底層地震剪力，方案 1 和方案 2 稍有增大或減小，方案3 雖有減小但減小不多。表 3 為 7 度多遇 Pasadena 波和 El Centro 波作用下各減震方案的減震效果匯總。從中可以看出，主要針對 SHW2 波進行優(yōu)化設(shè)計的方案 1 和方案 2，對于Pasadena 波作用下的結(jié)構(gòu)仍具有較好的減震效果，而對于頻譜特性和 SHW2 波相差較大的 El Centro 波，其層間位移角減震率則偏離預(yù)定目標較多。

31、方案 3 對于 Pasadena 波的減震效果較好，主要原因是 Pasadena波作用下層間位移角峰值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的中上部，對于阻尼器均勻布置的方案 3，此處的阻尼器發(fā)揮了較大的作用，而對于 El Centro 波，方案 3 的減震效果同樣較小。值得注意的是，三種方案對于 Pasadena 波和El Centro波作用下結(jié)構(gòu)的底層地震剪力峰值的消減都有較好的效果，這與 SHW2 波作用下有所不同。圖 4 則給出了 7 度多遇 SHW2 波作用下，采用不同減震方案的減震結(jié)構(gòu)和無控結(jié)構(gòu)的層間地震剪力包絡(luò)曲線的對比。從中可以看出，各方案減震結(jié)構(gòu)的層間地震剪力基本都小于無控結(jié)構(gòu)，但差別不大，說明粘滯阻尼

32、器對結(jié)構(gòu)的剛度基本無影響，從而不會增大結(jié)構(gòu)的地震力。2.3 大震下阻尼器減震效果分析由前述分析對比可知，小震下方案 2 的減震效果最好，因此，本節(jié)著重對無控結(jié)構(gòu)和方案 2 的減震結(jié)構(gòu)進行 7 度罕遇地震下的彈塑性時程計算，以對比分析阻尼器在大震下的消能減震效果，計算程序采用CANNY 5 ，梁、柱構(gòu)件采用 MS 模型 2,3 。表4給出了7度罕遇SHW2波和Pasadena波作用189下方案 2 減震結(jié)構(gòu)主要地震反應(yīng)的減震效果。從中可以看出，罕遇地震作用下，阻尼器的減震效果要比前述多遇地震作用下小得多，主要原因是減震方案 2 中采用了速度指數(shù)很小的非線性阻尼器，其阻尼力在大震下隨著速度的增大并

33、沒有顯著的增長，因此其耗能主要隨位移的一次方增長，而地震輸入能量卻隨著位移的平方急劇增加，因此大震下阻尼器的耗能比例大大下降， 其有效附加阻尼比也遠低于小震下的設(shè)定值，從而導(dǎo)致其減震效果的降低。圖 5 給出了 7 度罕遇 SHW2 波作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角包絡(luò)曲線。從中可用看出，阻尼器對于結(jié)構(gòu)層間位移角的減小仍有一定的作用，但由于其水平控制力比例的不足，小震下結(jié)構(gòu)中下部削平的包絡(luò)曲線此時又向外凸出。為此，一種解決方法是在前述減震設(shè)計中采用線性粘滯阻尼器，以使大震下的減震效果同小震相近，但線性阻尼器出力隨速度線性增長，大震下很容易超出其自身的承受范圍而發(fā)生損壞，從而失去作用。而另外一種解決方法是

34、，仍然采用非線性阻尼器，但以中震為目標進行減震優(yōu)化設(shè)計，或直接在罕遇地震波作用下進行減震設(shè)計，從而控制大震下的減震效果達到預(yù)定目標，其具體方法仍可按照本文建議的優(yōu)化設(shè)計方法進行。3 結(jié)論提出了一種實用的減震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，并可以通過目前常用結(jié)構(gòu)分析程序進行操作，該方法預(yù)先設(shè)定消能結(jié)構(gòu)的位移角限值，進而由所需的附加阻尼比確定阻尼器的參數(shù)及數(shù)量，并以層間位移角為優(yōu)化目標，采用“逐層搜索”的方法確定其安裝位置，最終可以達到預(yù)先設(shè)定的層間位移角減震目標。運用此方法對一幢方鋼管混凝土框架高層進行了小震下的減震設(shè)計，提出了兩種減震設(shè)計方案（方案 1 和方案 2） ，分別對應(yīng)不同的層間位移角減震目標（20

35、%和 30%） ，并結(jié)合前述稍加修改的阻尼器均勻布置方案（方案 3）對本文結(jié)構(gòu)進行了計算分析，結(jié)果表明，在設(shè)計所用地震波作用下，方案 1 和方案 2 均達到了預(yù)先確定的層間位移角減震目標，效果比均勻布置的方案 3 提高很多。在此基礎(chǔ)上，對小震及大震下本文結(jié)構(gòu)的消能減震效果進行了較全面的分析研究，得出了一些有參考價值的結(jié)論。參 考 文 獻1 GB 50011-2001 建筑抗震設(shè)計規(guī)范S北京：中國建筑工業(yè)出版社，20012 孟春光復(fù)雜體型方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能和減震研究D同濟大學(xué)，20063 呂西林, 孟春光, 田野. 消能減震高層方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究和彈塑性時程分析J. 地

36、震工程與工程振動, 2006,26(4):231-2384 SOONG T T, DARGUSH G F. 結(jié)構(gòu)工程中的被動消能系統(tǒng)M/董平譯. 北京: 辭學(xué)出版社, 2005.5 李康寧, TETSUO KUBO, CARLOS E. VENTURA建筑物三維分析模型及其用于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的可靠性J建筑結(jié)構(gòu)，2000，30(6)：1418隔震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)的特點及與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的區(qū)別地震是一種突發(fā)性的、嚴重危害人類生 命和財產(chǎn)安全的自然災(zāi)害。近年來，全球范 圍內(nèi)發(fā)生了多次未預(yù)測到的大地震，例如前 幾年的汶川、海地地震，破壞力之大，震驚 世界。在如此巨大的地震作用之下，作為地 震荷載主要

37、載體的建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生的破壞、倒 塌是造成人們生命財產(chǎn)損失的主要原因，因 此，建立并推廣更加安全可靠的抗震結(jié)構(gòu)就 顯得尤為必要了。 1 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的基本原理是通過增強結(jié) 構(gòu)本身的抗震性能（強度、剛度）來抵御地 震作用，即依靠結(jié)構(gòu)本身和承重構(gòu)件的損壞 來儲存、轉(zhuǎn)換和消耗地震能量1。在傳統(tǒng)抗 震結(jié)構(gòu)中，通常采取提高結(jié)構(gòu)自身強度和剛 度，即加強結(jié)構(gòu)、增大構(gòu)件截面尺寸、加多 配筋，允許結(jié)構(gòu)局部損壞（硬傷）的措施來 抵御地震作用，結(jié)構(gòu)抗震能力主要取決于結(jié) 構(gòu)的彈塑性變形能力與滯回環(huán)耗能能力，而 結(jié)構(gòu)本身不具備自我調(diào)節(jié)的能力，可以說是 被動消極的抗震措施。1995年日本發(fā)生了震 驚世界的阪神地

38、震，當時日本的主流思想就 是用所謂“硬抗”的方法來抵抗地震，即靠 一味提高結(jié)構(gòu)的強度而非利用結(jié)構(gòu)延性消能 思想來抵御地震作用，所設(shè)計出的梁柱截面 尺寸都非常大，但最終還是發(fā)生了大量的房 屋脆性倒塌。事實證明，此種只單純依靠提 高結(jié)構(gòu)強度的方式很難抵抗地震尤其是大震 帶來的破壞，而且，大大加大了經(jīng)濟投入， 可謂得不償失。2 常規(guī)延性抗震結(jié)構(gòu) 我國現(xiàn)有延性抗震思想是通過控制構(gòu) 件間或構(gòu)件內(nèi)不同受力形式間承載能力差， 即通常所說的“強柱弱梁、強剪弱彎、強連 接弱構(gòu)件、強壓弱拉”概念，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生 不合理的倒塌破壞機構(gòu)，增強結(jié)構(gòu)的耗能能 隔震、消能減震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的比較分析力，保證結(jié)構(gòu)形成耗能能

39、力較好的破壞機 構(gòu)。該設(shè)計方法的關(guān)鍵在于初步將控制概念 引入到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，有目的的引導(dǎo)結(jié)構(gòu) 的破壞機制和破壞模式，避免不合理的破壞 形態(tài)。2但現(xiàn)有規(guī)范只注重依靠調(diào)整梁柱等 抗彎抗剪比例系數(shù)的方式來保持結(jié)構(gòu)的延性 消能，而在汶川地震中，發(fā)現(xiàn)這樣的措施并 不足以能引導(dǎo)結(jié)構(gòu)達到預(yù)期的破壞機制和破 壞模式，依照常規(guī)延性抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的建筑 在地震中也出現(xiàn)了不同程度的破壞。事實證 明，此種抗震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，雖 然大大提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力，但也存在結(jié) 構(gòu)的安全性難以保證、適用性和全面性受到 限制、經(jīng)濟性欠佳以及震后修復(fù)難度大等問 題。 3 隔震和消能減震 近年來，以結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)為主要 設(shè)計

40、依據(jù)的隔震、消能減震結(jié)構(gòu)得到了迅速 發(fā)展。結(jié)構(gòu)減震控制的概念可以簡要的表述 為：通過對結(jié)構(gòu)附加控制技術(shù)或裝置，由控 制技術(shù)或裝置與結(jié)構(gòu)共同承受振動作用，以 調(diào)節(jié)和減輕結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)，使它在外界干 擾下的各項反應(yīng)值被控制在允許范圍內(nèi)。 3.1 隔震結(jié)構(gòu) “隔震”即隔離地震。在建筑物上部結(jié) 構(gòu)與基礎(chǔ)之間以及上部建筑層間設(shè)置的隔震 層能隔離地震能量向上部傳遞，降低上部結(jié) 構(gòu)的地震作用，達到預(yù)期的防震要求，使建 筑物的安全得到可靠保證。 隔震系統(tǒng)是在建筑物基礎(chǔ)與上部建筑 結(jié)構(gòu)間或上部建筑層間設(shè)置隔震裝置（或系 統(tǒng)）形成隔震層，把上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離開 來，同時，上部建筑結(jié)構(gòu)通過層間建筑隔震 也可以減小下

41、部結(jié)構(gòu)的振動，利用隔離裝置 來隔離或耗散地震能量，以避免或減少地震 能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸，從而減輕建筑物的地 震反應(yīng)，實現(xiàn)地震時隔震層以上主體結(jié)構(gòu)只 發(fā)生微小的相對運動和變形，使建筑物在地 震作用下不損壞或倒塌。 3.2 消能減震結(jié)構(gòu) 消能減震結(jié)構(gòu)是把建筑物的某些非承 重構(gòu)件（如支撐、剪力墻等）設(shè)計成“消 能”構(gòu)件，或在建筑物的某些部位（節(jié)點、 連接縫或連接件）裝設(shè)阻尼器，以及在樓層 空間、相鄰建筑間、主附結(jié)構(gòu)間設(shè)置消能裝 置。在輕微地震作用時，這些消能構(gòu)件或消 能裝置處于剛彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)物具有足夠的 側(cè)向剛度以滿足正常使用的要求；在強烈地 震發(fā)生時，隨著結(jié)構(gòu)受力和變形的增大，這 些消能構(gòu)件和裝

42、置率先進入非彈性變形狀 態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地 震能量，避免主體結(jié)構(gòu)進入明顯的非彈性狀 態(tài)并迅速減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而保護主 體結(jié)構(gòu)在強地震中免遭損傷。 4 與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系相比, 以結(jié)構(gòu)減震 控制技術(shù)為主要設(shè)計依據(jù)的隔震、消能減 震結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢 （1）隔震、消能減震結(jié)構(gòu)體系更為安 全。傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系的耗能依賴于主體結(jié) 構(gòu)構(gòu)件的彈塑性滯回耗能,允許結(jié)構(gòu)本身及 構(gòu)件在地震中出現(xiàn)一定程度的損壞，這將導(dǎo) 致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷破壞。同時,由于地震烈 度的隨機變化性和實際抗震能力計算的誤 差,結(jié)構(gòu)的破壞位置和損壞程度難以控制， 特別是出現(xiàn)超強地震時，結(jié)構(gòu)難以確保安 全。與此相比，由于隔震裝置的水平剛度遠 遠小于上部結(jié)構(gòu)的層間水平剛度，所以，上 部結(jié)構(gòu)在地震中的水平變形從傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu) 激烈的、由下往上不斷加大的“放大晃動 型”變?yōu)楦粽鸾Y(jié)構(gòu)長周期、緩慢的、由下至 上比較均衡的“整體平動型”，從有較大的 層間變形變?yōu)閮H有很微小的層間變形，從而 保證上部結(jié)構(gòu)在強震中仍處于彈性狀態(tài)，提 高了整體結(jié)構(gòu)的安全性。同樣的，消能減震 結(jié)構(gòu)體系的耗能裝置位置明確