王文超

(廣州大學(xué) 廣東 廣州 510000)

基于性能的消能減震設(shè)計(jì)研究及展望

王文超

(廣州大學(xué) 廣東 廣州 510000)

詳細(xì)論述了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想的發(fā)展歷史，詳細(xì)介紹了消能減震設(shè)計(jì)思想的由來(lái)以及研究現(xiàn)狀。介紹了目前常用的消能減震設(shè)計(jì)方法，并對(duì)基于性能的消能減震設(shè)計(jì)考慮經(jīng)濟(jì)效益提出了展望。

基于性能;消能減震

一、引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的進(jìn)一步完善，我國(guó)對(duì)工程建設(shè)的規(guī)范和要求也在進(jìn)一步提升。眾所周知，我國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，我國(guó)的東部沿海地區(qū)和西南地區(qū)又處在頻發(fā)地震的地震帶上，每年的地震給我國(guó)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和財(cái)產(chǎn)損失。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的一步步發(fā)展，我國(guó)對(duì)工程的抗震研究也越來(lái)越深入，從以前的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)思維到避震設(shè)計(jì)思維再到耗能減震設(shè)計(jì)思維。耗能減震結(jié)構(gòu)是指在結(jié)構(gòu)中某些部位設(shè)置耗能元件或耗能器的結(jié)構(gòu)。它利用耗能元件或耗能器的滯回變形耗能來(lái)吸收和消耗地震輸人結(jié)構(gòu)的能量，以減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而減輕其破壞，達(dá)到減震控震的目的［1］。耗能減震這項(xiàng)技術(shù)首先是由美國(guó)提出，后來(lái)參考之前的基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法發(fā)展到基于性能的消能減震設(shè)計(jì)。我國(guó)的基于性能的消能減震設(shè)計(jì)研究還遠(yuǎn)落后于美日等發(fā)達(dá)國(guó)家，目前的研究對(duì)我國(guó)工程抗震的前進(jìn)具有重要意義。

(一)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想

上世紀(jì)九十年代，人們發(fā)現(xiàn)允許結(jié)構(gòu)破壞來(lái)消耗地震能量來(lái)抗震造成的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大。美國(guó)學(xué)者Bertero為了解決工程在抗震設(shè)計(jì)方面投入與經(jīng)濟(jì)效益不成正比的問(wèn)題，提出了以達(dá)到特定的抗震性能目標(biāo)而進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的思路。隨后，1992年，美國(guó)應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)ATC－33第一次把基于性能的抗震設(shè)計(jì)的理論運(yùn)用于實(shí)際工程中，對(duì)一棟建筑進(jìn)行了加固;美國(guó)加州工程師協(xié)會(huì)SEAOCvision2000報(bào)告在1995年對(duì)基于性能的概念進(jìn)行了比較具體的論述，并且對(duì)于將這一理論運(yùn)用于實(shí)踐過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題做出了詳細(xì)的解釋;隨著對(duì)該理論的完善，2003年美國(guó)國(guó)際規(guī)范委員會(huì)ICC又頒布了《建筑物及設(shè)施的性能規(guī)范》，對(duì)采用該理論的結(jié)構(gòu)需要滿足什么樣的性能要求作出了比較系統(tǒng)的統(tǒng)一［2］。隨后，在2005年洛杉磯又頒布了Analternative procedure for seismic analysis and design of tall buildings located in the losangelesregion(2005Edition)”［3］簡(jiǎn)稱《洛杉磯性能高規(guī)2005》，這標(biāo)志著美國(guó)正式進(jìn)入基于性能的高層建筑抗震設(shè)計(jì)階段，這對(duì)高層建筑領(lǐng)域設(shè)計(jì)是一個(gè)非常大的進(jìn)步。

基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想在美國(guó)被提出后，該思想立馬受到我國(guó)研究人員的關(guān)注。自唐山地震以后，我國(guó)在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJll一89提出“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)［4］。隨后我國(guó)頒發(fā)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJll一2001對(duì)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJll一89做了進(jìn)一步的修訂，修改內(nèi)容包括場(chǎng)地和地基的相關(guān)規(guī)定［5］。《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》的提出剛好對(duì)國(guó)內(nèi)外的最新抗震科研成果和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了比較好的歸納。《通則》在總結(jié)結(jié)論的基礎(chǔ)上提出了一些新穎的抗震設(shè)計(jì)新概念，其中包括設(shè)計(jì)地震加速度、結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)、結(jié)構(gòu)彈塑性側(cè)移等等。 《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》的頒布有效地推進(jìn)了我國(guó)建筑行業(yè)的整體抗震設(shè)計(jì)水平的提高，對(duì)我國(guó)建筑抗震有很大的幫助［6］。

(二)消能減震設(shè)計(jì)思想

由于強(qiáng)烈的地震并不是經(jīng)常發(fā)生，但設(shè)計(jì)者在經(jīng)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)又必須要考慮抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，這樣在抗震設(shè)計(jì)方面的經(jīng)濟(jì)投入往往很高卻又難有經(jīng)濟(jì)效益。1972年美國(guó)學(xué)者J.T.P.Yao為此提出了在結(jié)構(gòu)中添加另外的裝置來(lái)進(jìn)行抗震，由此開辟了結(jié)構(gòu)抗震的新思路——消能減震設(shè)計(jì)［2］。隨后美國(guó)聯(lián)邦緊急事件管理署 (FEMA) 頒布了FEMA273［7］和FEMA274［8］兩份文獻(xiàn)對(duì)消能減技術(shù)如何實(shí)施做了詳細(xì)的說(shuō)明。

而我國(guó)的消能減震技術(shù)發(fā)展比較晚，最初由王光遠(yuǎn)院士在20世紀(jì)80年代初引入結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制概念后，我國(guó)對(duì)消能減震技術(shù)的研究才開始。1998年，周云根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果并結(jié)合我國(guó)的抗震規(guī)范提出了耗能減震結(jié)構(gòu)的實(shí)用抗震設(shè)計(jì)方法。該方法提出了耗能減震結(jié)構(gòu)所采用的設(shè)防目標(biāo)和性能水準(zhǔn)，并對(duì)能采用耗能減震設(shè)計(jì)方法的建筑提出了一些基本要求，同時(shí)對(duì)實(shí)施過(guò)程中耗能器布置和選擇都做了詳細(xì)地解釋［1］。我國(guó)于2001年頒布《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011－2001)時(shí)對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法做了詳細(xì)闡述。

(三)基于性能的消能減震設(shè)計(jì)思想

消能減震設(shè)計(jì)是基于性能抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)手段，它是傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)的深化?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)主要是一種指導(dǎo)性設(shè)計(jì)思想，消能減震設(shè)計(jì)是具體的實(shí)現(xiàn)方法［9］把兩者結(jié)合起來(lái)是建筑抗震設(shè)計(jì)與加固領(lǐng)域一項(xiàng)新的研究課題。對(duì)于該領(lǐng)域我國(guó)研究?jī)?nèi)容還比較少，現(xiàn)在還沒(méi)有形成系統(tǒng)的框架理論，大部分研究還主要分散在該領(lǐng)域的各個(gè)模塊。

韓建平等人［10］根據(jù)我國(guó)抗震規(guī)范的要求，并結(jié)合黏彈性阻尼器的性能特點(diǎn)提出了一種新的彈性及彈塑性需求譜，該需求譜適用于用于黏彈性阻尼器減震結(jié)構(gòu)抗震分析。同時(shí)，提出了采用黏彈性阻尼器進(jìn)行減震的能力譜分析方法，該方法可以考慮結(jié)構(gòu)高階振型影響。蔣通等［11］對(duì)非線性粘滯阻尼器消能減震得反應(yīng)譜方法進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)數(shù)值模擬，分析出了支撐剛度對(duì)阻尼器最優(yōu)減震效果的計(jì)算公式。由于實(shí)際地震中余震常有發(fā)生，為了使結(jié)構(gòu)在余震中仍然滿足性能要求，劉淼鑫等［12］提出一種考慮結(jié)構(gòu)損傷的消能減震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法。該方法基于Park－Ang雙參數(shù)損傷模型對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)損傷程度來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的抗震性能。

目前基于性能的消能減震抗震設(shè)計(jì)的理論框架還不夠成熟，雖然對(duì)該課題的研究比較多并且在各個(gè)小模塊已經(jīng)取得了不少的成就但還需要對(duì)該課題進(jìn)行總結(jié)，這也是我國(guó)消能減震領(lǐng)域需要繼續(xù)研究的方向。

二、基于性能的消能減震設(shè)計(jì)

總結(jié)大量研究［13－14］發(fā)現(xiàn)，對(duì)基于性能的抗震設(shè)計(jì)主要內(nèi)容基本概括為性能目標(biāo)的確定、實(shí)現(xiàn)多性能目標(biāo)的通用設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)性能評(píng)估三個(gè)部分?；谛阅艿南軠p震設(shè)計(jì)也是在基于性能的抗震設(shè)計(jì)發(fā)展而來(lái)，目前比較常用的設(shè)計(jì)方法主要包括基于位移的設(shè)計(jì)方法和基于能量的設(shè)計(jì)方法。

(一)基于位移的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

基于位移的抗震設(shè)計(jì)DBSD(Displacement－based Seismic Design)是指:在一定水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)地震作用下，以預(yù)期的結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震作用下的預(yù)期性能要求。直接基于位移的方法自20世紀(jì)60年代提出以來(lái)取得了一系列的發(fā)展成果［15－18］。

Lin等人于2003年提出了基于位移的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并給出了設(shè)計(jì)流程。這為以后研究人員對(duì)此方法的驗(yàn)證和改進(jìn)奠定了重要基礎(chǔ)。劉鵬飛等認(rèn)為消能減震結(jié)構(gòu)應(yīng)該主要考慮結(jié)構(gòu)本身性能，阻尼器應(yīng)作為輔助工具為結(jié)構(gòu)構(gòu)件提供抗震能力?；诖嗽O(shè)計(jì)思想，可將結(jié)構(gòu)等效為單自由度體系進(jìn)行抗震分析，該方法可以比較精確地反映結(jié)構(gòu)的性能水平。同時(shí)，他以傳統(tǒng)抗震設(shè)防目標(biāo)為原型，結(jié)合基于基于位移的消能減震設(shè)計(jì)方法，對(duì)消能減震性能水平與層間位移角的關(guān)系進(jìn)行量化，通過(guò)數(shù)值模擬分析表明在各性能水平上該層間位移角均滿足要求?？偨Y(jié)得出，采用基于位移的設(shè)計(jì)方法所得的安全系數(shù)較高。蒲武川等提出多自由度結(jié)構(gòu)的基于等價(jià)剛度調(diào)節(jié)的阻尼器分配方法，并對(duì)比分析了層間位移角與殘余變形分別作為控制指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。蔣建等發(fā)現(xiàn)附加粘滯流體阻尼器的減震結(jié)構(gòu)采用基于位移的方法設(shè)計(jì)時(shí)真實(shí)位移反應(yīng)譜與通過(guò)轉(zhuǎn)換得到的位移反應(yīng)譜的差值隨著場(chǎng)地特征周期的增大而增大。湯統(tǒng)壁等采用位移相關(guān)型耗能器進(jìn)行減震，對(duì)原結(jié)構(gòu)建立了等效SDOF體系，分析“最佳阻尼比”處結(jié)構(gòu)的性能變化可預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)安裝阻尼器后的有效周期。等效SDOF體系性能曲線的疏密程度也基本可作為判斷安裝阻尼器位置處的附加剛度較優(yōu)值的指標(biāo)。

(二)基于能量的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

20世紀(jì)50年代，豪斯納 (Housner，G.W.)Housner首先提出了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中基于能量來(lái)設(shè)計(jì)的思想，即將結(jié)構(gòu)在地震中的響應(yīng)視為一個(gè)能量輸入，地震能量通過(guò)結(jié)構(gòu)阻尼和阻尼器累積滯回進(jìn)行耗散，在整個(gè)過(guò)程中阻尼器將分擔(dān)結(jié)構(gòu)本身承受的一部分能量以減少地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。

在此基礎(chǔ)上，周福霖院士提出了針對(duì)耗能減震體系比較實(shí)用的能量設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)出了耗能減震體系的能量方程，給出了設(shè)計(jì)耗能減震體系的能量設(shè)計(jì)公式。其能量平衡關(guān)系可以表示為:

式中為相對(duì)輸入能量;為相對(duì)動(dòng)能;為粘滯阻尼耗能;為結(jié)構(gòu)應(yīng)變耗能;為阻尼器耗能。

周云等發(fā)現(xiàn)采用能量分析設(shè)計(jì)方法對(duì)隔震和耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，能明確體現(xiàn)地震動(dòng)三要素和結(jié)構(gòu)的非線性特性對(duì)結(jié)構(gòu)的性能分析的影響。能量設(shè)計(jì)思想對(duì)研究隔震結(jié)構(gòu)具有方法簡(jiǎn)單、概念明確、合理有效等許多優(yōu)越性?，F(xiàn)階段抗震規(guī)范中?？紤]結(jié)構(gòu)需要滿足中震彈性要求，李曉文針對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)彈性模型提出了一種新型能量設(shè)計(jì)方法，該方法雖然沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的塑性變形，但對(duì)于實(shí)際工程中的小型耗能減震結(jié)構(gòu)有較大的實(shí)用性。卜國(guó)雄等對(duì)采用TMD抗震結(jié)構(gòu)從能量角度分析能準(zhǔn)確反映TMD對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震效果。主結(jié)構(gòu)在整個(gè)地震過(guò)程中吸收的能量值最小作為優(yōu)化準(zhǔn)則，對(duì)TMD進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí)，采用能量法更能反映TMD質(zhì)量比、阻尼比、頻率比與主結(jié)構(gòu)能量的影響關(guān)系。

三、展望

基于性能的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想由傳統(tǒng)的基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想引申而來(lái)。對(duì)于基于性能的消能減震設(shè)計(jì)體系中的各個(gè)方面包括性能目標(biāo)，設(shè)計(jì)方法，破壞準(zhǔn)則等等都有待進(jìn)一步深入研究。我國(guó)基于性能的抗震設(shè)計(jì)相比于美日等國(guó)還不夠完善，我國(guó)實(shí)際工程中進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)主要還是考慮本身的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)，而經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)成本等因素還考慮得較少。對(duì)于基于性能的消能減震設(shè)計(jì)方法，從經(jīng)濟(jì)利益方面考慮該方法的有效性也是我們有待研究的重要方向。將消能減震設(shè)計(jì)思想與實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益相融合將會(huì)改變我國(guó)高耗能、高成本的工程現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的抗震設(shè)計(jì)框架理論也將會(huì)起到較大的完善作用。

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The research and prospect of the performance－based elimination and damping design

WANG wenchao
(Guangzhou University，Guangdong Province，510000)

The development history of the design based on performance is discussed in detail，and the origin and research status of the design of the shock absorber design are introduced in detail.In this paper，the design method of eliminating energy shock absorber is introduced，and the economic benefit is proposed.

performance－based，energy dissipation

王文超 (1992－)，男，漢族，湖南，在讀碩士，廣州大學(xué)，研究方向:結(jié)構(gòu)工程。