杨博士专刊 | 减震结构设计求真之三（子结构要多坚强？）

上一篇文章《减震结构设计求真之二》（这些误区要尽量避免）得出如下结论：

1) “抗规”给出的消能减震装置附加阻尼比估算方法具有一定的前提假定，超出适用范围时可能夸大消能减震装置的减震效果，使得减震结构设计结果偏于不安全；

2) 应避免减震与抗震概念混淆，采用柔性结构形式可较好地发挥消能减震装置作用，框架—剪力墙结构或剪力墙结构中布置消能减震装置的减震效果存疑；

3) 减震结构应建立较精细计算模型进行分析与设计，应正确模拟消能减震装置与主体结构的连接构造，减震结构进行非线性分析是必要的。

《建筑消能减震技术规程》JGJ 297-2013第6.4.2条规定：消能子结构中梁、柱、墙构件宜按重要构件设计，并应考虑罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应，其值应小于构件极限承载力。

消能减震子结构真的需要做到“大震弹性”吗？做不到会怎样？如何进行减震子结构合理设计？本文将对这些问题进行讨论。

（本文算例结果由辛业文提供，采用PKPM和SAUSG软件计算）

01

消能器会增大减震子结构内力吗？

算例1：速度型消能器减震结构

某框架结构，结构高度22.5米，地震烈度7度，场地分组第I组，结构三维模型及首层平面图如下所示：

 

地震作用下，进行保留和删除消能器的两个工况分析，子结构内力计算结果如下（当保留消能器大于删除消能器工况内力时，以红色表示）：

可以看出，保留消能器工况的减震子结构内力均小于删除消能器工况内力结果。

算例2：位移型消能器减震结构

某框架结构，结构高度10.5米，地震烈度8度，场地分组第II组，结构三维模型及首层平面图如下所示：

 

地震作用下，进行保留和删除消能器的两个工况分析，子结构内力计算结果如下（当保留消能器大于删除消能器工况内力时，以红色表示）：

可以看出，除部分轴力外，保留消能器工况的减震子结构内力普遍小于删除消能器工况内力结果。

通过上面两个算例分析可以看出，增加消能器并未普遍增大减震子结构内力，原因如下：

1、消能器存在“阻尼力”，减震子结构内力会叠加该“阻尼力”；

2、消能器会降低整体结构地震作用下的响应，也包括减震子结构内力；

3、上述两种原因叠加，使得减震子结构的内力增减并不一定。

02

减震子结构需要保持“大震弹性”吗？

对算例1进行大震分析，“减震子结构弹性”工况为强制减震子结构保持弹性，“减震子结构弹塑性”工况中减震子结构可考虑弹塑性。

层间位移角对比如下：

“减震子结构弹性”工况能量图如下，消能器附加阻尼比为3.7%：

“减震子结构弹塑性”工况能量图如下，消能器附加阻尼比为3.8%：

典型消能器滞回耗能对比如下：

“减震子结构弹性”工况结构损伤图如下：

“减震子结构弹塑性”工况结构损伤图如下：

可以看出，比较减震子结构发生中度损伤与强制减震子结构保持弹性，无论阻尼器的耗能、附加阻尼比、结构的整体位移响应均未产生较大变化。

03

减震子结构很坚强会怎样？

将算例1的地震烈度提高到8度，层间位移角对比如下：

“减震子结构弹性”工况能量图如下，消能器附加阻尼比为2.9%：

“减震子结构弹塑性”工况能量图如下，消能器附加阻尼比为3.1%：

“减震子结构弹性”结构损伤如下：

 

“减震子结构弹塑性”结构损伤如下：

 

典型消能器滞回耗能曲线对比如下：

 

可以看出，当地震作用较大、结构损伤较严重时：

1、对减震子结构进行加强设计（保持弹性），确实可以显著降低结构的整体响应和损伤；

2、对减震子结构进行加强设计（保持弹性），消能器的耗能会明显减小。

通过上面两个现象可知：

加强减震子结构，确可减小整体结构响应和损伤，但减小的原因并非源于消能器的耗能能力，而是减震子结构的刚度增加。

04

总结

针对本文的算例分析，可以得出如下结论：

1、消能器的存在，并未普遍增大减震子结构内力；

2、减震子结构即使发生一定损伤，只要保持足够延性，消能器仍可较好发挥耗能作用；

3、对减震子结构进行加强设计，增大了结构刚度，整体结构响应和损伤可以减小，但消能器耗能也将随之减小，这与期望的消能减震设计思路并不一致。

一句话总结：

减震子结构没必要进行过分加强设计，保持恰当的延性即可保证消能器正常发挥减震耗能作用。

END

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