張軍濤，宮　海，程美濤

(1.上海藍(lán)科建筑減震科技股份有限公司，上海 200433；2.上海建工五建集團(tuán)有限公司，上海 200062)

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耗能減震技術(shù)在抗震加固工程中的簡化設(shè)計(jì)*

張軍濤1，宮海1，程美濤2

(1.上海藍(lán)科建筑減震科技股份有限公司，上海 200433；2.上海建工五建集團(tuán)有限公司，上海 200062)

摘要：介紹了阻尼器型屈曲約束支撐和阻尼器型屈曲約束鋼板墻這兩種耗能減震技術(shù)的簡化設(shè)計(jì)方法，并通過這種簡化設(shè)計(jì)方法使阻尼器型屈曲約束支撐這種耗能減震技術(shù)在抗震加固工程中的得到了應(yīng)用，從案例分析結(jié)果看，這種耗能減震技術(shù)簡化設(shè)計(jì)方法為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供了可靠、便利的設(shè)計(jì)依據(jù)，是一種合理有效的抗震途徑或結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)手段，可應(yīng)用于抗震加固工程的設(shè)計(jì)理論和分析。

關(guān)鍵詞：阻尼器；屈曲約束支撐；屈曲約束鋼板墻；耗能減震；抗震加固

0前言

耗能減震技術(shù)屬于一種結(jié)構(gòu)被動控制措施，采取結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)，對結(jié)構(gòu)施加控制機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)，與結(jié)構(gòu)自身共同發(fā)揮作用，以減輕主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，是一種合理有效的抗震途徑(高杰等，2010)。耗能減震結(jié)構(gòu)中所用的耗能裝置一般稱作阻尼器，目前研究開發(fā)的阻尼器種類很多，筆者主要對阻尼器型屈曲約束支撐和阻尼器型屈曲約束鋼板墻在抗震加固工程中的簡化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹，并針對及其工程應(yīng)用做了相關(guān)總結(jié)與探討(GB50011—2010)。

1基本原理

阻尼器型屈曲約束支撐和阻尼器型屈曲約束鋼板墻均屬于位移型阻尼器，基本原理是其芯材的屈服耗能為主體結(jié)構(gòu)提供附加阻尼。由于它們的耗能模式不同，所以其耗能減震原理與耗能減震性能也不同，阻尼器型屈曲約束支撐是一種拉壓屈服型位移阻尼器，而阻尼器型屈曲約束鋼板墻則是一種剪切屈服型位移阻尼器(高杰等，2011)。

阻尼器型屈曲約束支撐通過在低屈服點(diǎn)鋼核心外部套管，可以完全避免受壓屈曲，是一種效率很高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件；同時屈曲約束支撐在達(dá)到其屈服強(qiáng)度極限狀態(tài)時受壓和受拉均可進(jìn)入屈服狀態(tài)，且滯回曲線飽滿，又是一種性能優(yōu)越的耗能減震器(李國強(qiáng)等，2009)，其基本組成如圖1所示。

阻尼器型屈曲約束鋼板墻是指不會發(fā)生面外屈曲的一種鋼板剪力墻，由承受水平荷載的鋼芯板和防止芯板發(fā)生面外屈曲的部件組合而成(孫飛飛等，2011)，是針對普通鋼板剪力墻易發(fā)生面外屈曲而改進(jìn)的新型抗剪、減震耗能構(gòu)件(孫飛飛等，2009)，其基本組成如圖2所示。

2簡化設(shè)計(jì)方法

2.1消能減震設(shè)計(jì)步驟

結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)采用阻尼器后達(dá)到規(guī)范規(guī)定的性能目標(biāo)，包括結(jié)構(gòu)位移、基底反力、構(gòu)件配筋(陳清祥等，2005)。消能減震設(shè)計(jì)步驟流程(翁大根等，2010)，如下：

(1)增加結(jié)構(gòu)阻尼比對原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，使其強(qiáng)度、位移均滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，則該阻尼比為結(jié)構(gòu)需要的有效阻尼比ξeff。

(2)將結(jié)構(gòu)有效阻尼比ξeff減去原結(jié)構(gòu)固有阻尼比ξ，得到阻尼器應(yīng)該提供給原結(jié)構(gòu)的附加阻尼比ξa。

(3)選擇適當(dāng)屈服承載力與屈服位移的阻尼器，并將阻尼器布置在原結(jié)構(gòu)中。

2.2阻尼器型屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)附加有效阻尼比ξa′

阻尼器型屈曲約束支撐提供給結(jié)構(gòu)的附加總阻尼比為

(1)

式中，ξa′為阻尼器型屈曲約束支撐提供給結(jié)構(gòu)的附加總阻尼比；fy為阻尼器型屈曲約束支撐的初始屈服承載力；Ai為阻尼器型屈曲約束支撐核心鋼材面積；Δi′為結(jié)構(gòu)第i層的層間位移；αi為阻尼器型屈曲約束支撐與結(jié)構(gòu)樓層水平面之間的夾角，如圖3所示；Δyi′為阻尼器型屈曲約束支撐在結(jié)構(gòu)第i層的屈服位移；Fi′為阻尼器型屈曲約束支撐所在的結(jié)構(gòu)層的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；ui′為阻尼器型屈曲約束支撐所在的結(jié)構(gòu)第i層對應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移。

2.3阻尼器型屈曲約束鋼板墻的結(jié)構(gòu)附加有效阻尼比ξa″

阻尼器型屈曲約束鋼板墻提供給結(jié)構(gòu)的附加總阻尼比為

(2)

式中，ξa″為阻尼器型屈曲約束鋼板墻提供給結(jié)構(gòu)的附加總阻尼比；Qy為阻尼器型屈曲約束鋼板墻的初始屈服承載力；Δi″為結(jié)構(gòu)第i層的層間位移；Δyi″為阻尼器型屈曲約束鋼板墻在結(jié)構(gòu)第i層的屈服位移；Fi″為阻尼器型屈曲約束鋼板墻所在的結(jié)構(gòu)i層的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；ui″為阻尼器型屈曲約束鋼板墻所在的結(jié)構(gòu)第i層對應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移。

2.4結(jié)構(gòu)有效阻尼比ξeff

結(jié)構(gòu)有效阻尼比為

(3)

式中，ξeff為結(jié)構(gòu)有效阻尼比；ξ為結(jié)構(gòu)固有的阻尼比；Wc為所有阻尼器所在預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗的能量總和；WS為阻尼器所在結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能(GB50011—2010)。

2.5迭代計(jì)算

3案例分析

某工程主體結(jié)構(gòu)為7層，在小震下對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、位移驗(yàn)算，均不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)要求(GB50011—2011)。采用上述耗能減震設(shè)計(jì)簡化方法對其進(jìn)行耗能減震設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)的1～4層布置阻尼器型屈曲約束支撐，X方向A軸上1軸～2軸之間和G軸上6軸～7軸之間各布置了8根，Y方向1軸上D軸～E軸之間和5軸上E軸～F軸之間也各布置了8根，采用人字型布置，總計(jì)布置32根尼器型屈曲約束支撐，如圖4所示。采用同一技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)的阻尼器型屈曲約束支撐，其屈服位移均為1mm，屈服承載力均為300kN。

在小震作用下，通過對本工程原結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)有效阻尼比ξeff達(dá)到10%可滿足結(jié)構(gòu)位移、配筋、基底反力的要求，而原結(jié)構(gòu)固有阻尼比ξ為5%，因此，阻尼器型屈曲約束支撐應(yīng)該提供給結(jié)構(gòu)的附加阻尼比ξa為5%。

在考慮阻尼器型屈曲約束支撐剛度的前提下，經(jīng)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的周期和位移比參數(shù)，并與未設(shè)置阻尼器型屈曲約束支撐的模型進(jìn)行計(jì)算結(jié)果對比(表1)。

從表1中可以看出，其周期和位移比參數(shù)變化不大，即阻尼器型屈曲約束支撐對原結(jié)構(gòu)的剛度變化影響較小(王瑾等，2010)。

4結(jié)論及建議

本文的研究結(jié)論表明，對結(jié)構(gòu)采用阻尼器型屈曲約束支撐的耗能減震技術(shù)設(shè)計(jì)方案后，原結(jié)構(gòu)的剛度變化影響較小，而且能給原結(jié)構(gòu)提供滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求需要的附加阻尼比，使采用阻尼器型屈曲約束支撐這一耗能減震技術(shù)措施的結(jié)構(gòu)的總的有效阻尼比要比原結(jié)構(gòu)明顯提高。

耗能減震技術(shù)簡化設(shè)計(jì)方法是一種在抗震加

表1　采用與未采用阻尼器型屈曲約束支撐的模型的計(jì)算結(jié)果對比

固工程中行之有效的抗震加固設(shè)計(jì)方法與途徑，既可以簡化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)步驟，又可以較便捷地計(jì)算出結(jié)構(gòu)采取耗能減震技術(shù)措施后的有效阻尼比，為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供了可靠、便利的設(shè)計(jì)依據(jù)。

本文在撰寫過程中得到了胡大柱博士的幫助，在此表示衷心感謝。

參考文獻(xiàn)：

陳清祥，潘琪，呂西林，等.2005.等值線性分析方法于消能減震加固技術(shù)上的應(yīng)用探討[J].結(jié)構(gòu)工程師，(增刊)：383-388.高杰，薛彥濤，王磊，等.2010.JY-S金屬剪切型阻尼器試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用進(jìn)展[J].土木建筑與環(huán)境工程，32(增刊2)：357-359.高杰，薛彥濤，王磊，等.2011.JY-SS-I型金屬軟鋼阻尼器試驗(yàn)研究[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)，28(3)：336-338.

李國強(qiáng)，孫飛飛，宮海，等.2009.TJ型屈曲約束支撐工程應(yīng)用分析[J]//中國土木工程學(xué)會，中國建筑設(shè)計(jì)研究院.第二屆全國建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會論文集[C]，607-610.

凌宏華.2011.新型阻尼器的工作機(jī)理及在抗震加固工程中的應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學(xué).

孫飛飛，戴成華，李國強(qiáng)，等.2009.大寬厚比開縫組合鋼板墻低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，30(5)：72-81.

孫飛飛，王鵬志，金華建，等.2011.考慮高寬比和梁變形影響的防屈曲開縫鋼板墻剛度研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，32(12)：154-161.

王瑾，閆維明，王維凝，等.2010.耗能減震技術(shù)在新建結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究[J].土木建筑與環(huán)境工程，32(增刊2)：444-447.

翁大根，夏敬德，任曉崧，等.2010.消能減震技術(shù)在學(xué)校建筑的框架結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用[J].土木建筑與環(huán)境工程，32(增刊2)：418-423.

GB50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)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.

中圖分類號：TV352

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：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