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摘要：抵抗地震灾害这个课题一直深受学者们关注，土木工程中抗震设计是结构设计的重要内容，消能减震结构设计是近来较为热门的抗震设计思路，由于该技术在计算机分析上较为复杂，一般工程设计人员常产生畏难情绪，期望有相对简化一些的设计方法出现。本文提出一种新的消能减震结构设计方法，并结合工程实例验证了此方法的合理性和适用性，介绍了新方法的具体步骤，此种方法为消能减震结构设计提供一种新的思路，工程设计人员进行结构设计时可参考本文。
关键词：消能减震；黏滞阻尼器；新设计方法；工程实例；
Abstract: The earthquake resistance has been well received by scholars in civil engineering, seismic design is an important aspect of structural design. Design of energy dissipation structure become more popular in recent seismic design .Because of the technology in computer analysis is complex, general engineering designer often have the fear of emotions, they expect to discover relatively simplified design method.This paper presents a new design method of structure with energy dissipation, and combined with the engineering examples verify the applicability of the proposed method,some research results in this paper can help the engineering designer .
Keywords: energy dissipation ;viscous dampers；new design method; engineering example;
中圖分类号：TU318文献标识码： A
0 引 言
自抗震理念建立后，人们在传统抗震方法—即利用结构自身的强度和变形能力抗震的方法方面已经进行了大量研究，使其日益丰富和完美，在建筑抗震领域发挥了很大作用，近些年来，随着经济发展、科研水平的提高和震害经验的丰富，人们对传统抗震理念和方法所具有的局限性，如抗震潜力有限，震后使用的保障能力不足以及造价高昂等有所认识，在此基础上，提出和发展了一些新的抗震理念及方法，消能减震技术即为其中之一，该技术因其具有施工简便、造价不高、效果良好的特点而广受关注，得到日益广泛的应用。
1 消能减震结构设计新方法的提出
特别是最近十多年间，国内外均在工程结构振动控制领域取得一系列重要进展，不同于传统的提高结构本身的刚度来抵抗地震的抗震设计方法，结构（消能减震结构）振动控制的方法是通过消能装置来减少地震能量输入到上部结构或直接消耗地震能量降低或减轻主体结构的地震反应[1]，此外在目前常用的推算分析中对于附加阻尼器的消能减震结构的处理比较复杂。
当采用黏滞阻尼器进行结构消能减震设计时，可在初步简化设计中近似忽略其附加质量和附加刚度作用，即假定=[0]、=[0]，即：
（1）
对于式（1），可直接采用隐式Newmark迭代法求出结构时程反应，或者通过Fourier参数变换，应用离散Fourier变换法进行求解。式中值得一提的是：当结构附加黏滞阻尼器处于弹性状态时，恢复力项为弹性；而当结构振动进入弹塑性阶段，则恢复力项也出现非线性。显然，对于消能减震结构设计而言，该式仅余下附加阻尼一个不确定项，因而可由此作为附加黏滞阻尼器支撑设计的切入点[2]。基于这一思想，此处针对附加黏滞阻尼器结构消能减震设计提出一种简化设计方法。
新的消能减震结构设计方法—降度设计，这种新方法与常规设计方法有所不同，常规方法以满足原设防烈度（或性能目标）要求为目的去设置和选用消能器；而降度法则是以降低设防烈度（降半度或一度）为目标去设置和选用消能器。消能减震结构降度设计方法相对常规方法具有目标相对明确，操作相对简单的优点，既可适用一般要求的新设计，也可用于抗震加固设计，其设计步骤如下：确定主体结构的抗震设防烈度，主体结构设计分析，设定黏滞阻尼器减震结构性能水准，阻尼器支撑布置与参数设计，减震控制效果分析，局部构件验算，成本分析和综合效益评价等。
2 工程实例分析验证
2.1 工程实例分析
采用可模拟阻尼器单元的有限元软件ETABS建立模型，并将结构在小震、中震、大震下情况下计算分析，然后与8度设防下地震作用对比。
原结构是按照比当地设防烈度低一度进行的结构构件截面抗震设计，因此减震后结构不仅需要满足在9度地震作用下层间位移角的要求，同时需要减震结构在9度地震作用下的楼层剪力小于未减震结构在8度地震作用下的楼层剪力。只要9度下的剪力能满足这一要求，结构总体上就无需重新进行设计和截面调整。
未减震结构在8度地震作用下的时程分析采用单方向输入，由于截面设计依据小震作用，因此只验算小震作用。下表列出了小震作用下二者基底剪力的对比：
各层剪力时程包络数值如下表（单位kN）：
x y
楼层 8度减震前 9度减震后 误差率 8度减震前 9度减震后 误差率
12 2024.78 1843.82 8.94 1844.93 1021.64 44.62
11 3741.72 2061.36 44.91 3361.63 2801.05 16.68
10 5084.74 2967.96 41.63 4516.84 4182.53 7.40
9 6025.7 5474.14 9.15 5334.75 3907.27 26.76
8 6589.81 6860.66 -4.11 6188.07 4532.85 26.75
7 6880.34 6471.65 5.94 6922.36 6115.34 11.66
6 7867.84 8142.95 -3.50 7594.31 7005.74 7.75
5 9320.29 9503.78 -1.97 8071.96 6968.01 13.68
4 10568.6 10142.86 4.03 8389.12 6670.24 20.49
3 11402.19 9658.3 15.29 9071.6 6668.6 26.49
2 11567.07 9825.88 15.05 10116.58 7556.97 25.30
1 10163.44 8595.58 15.43 6030.79 5841.47 3.14
由此对比可见，在小震情况下， 9度地震下加设阻尼器后的结构楼层剪力均小于原设计结构在8度地震下的楼层的剪力 （个别点的误差在5%以内）。只要9度下的层间剪力能满足这一要求，结构总体上就无需重新进行设计和截面调整。阻尼器减振后，保证了整体结构在遭遇9度的多遇地震下的结构承载的安全性，可以达到降低工程成本和增加结构地震安全性的双重目标。
2.2 对比分析得到结论
通过以上计算结果可以看出，采用72个粘滞阻尼器后结构的层间位移角和基底剪力明显减小，小震作用下层间位移角降低40%以上，基底剪力降低50%以上，达到了规范的要求；大震作用下层间位移角降低20%以上，基底剪力降低40%以上，使结构的地震安全性明显提高。也可以看出，阻尼器可以在不改变结构自身刚度的情况下有效的降低结构的地震反应，是消能减震的理想方案，由此可见只要设计合理，高层框架—剪力墙结构，采用粘滞阻尼器仍能具有很好的减震效果，说明在此工程中采用的降度设计方法是可行的。
3 本文的研究结论
本文提出了一种与现行规范和规程有所不同的粘滞阻尼器减震结构简化设计方法，即所谓“降度法”。其与现行方法的主要差别是：现行方法是与原设防烈度下首先假设附加阻尼比进入结构计算，之后通过多次迭代确定最后附加阻尼比和阻尼器布置方案，最终用静力弹塑性或动力弹塑性方法完成减震结构的设计；简化方法则是在降度目标的基础上，进行结构的无控（即无阻尼器）设计，之后，通过在其中设置阻尼器并经弹塑性分析，证明设置阻尼器后的减震结构满足原设防烈度下的各项技术要求（含附加阻尼比的限值要求），从而完成减震结构的设计。两种方法相比，简化方法具有思路清晰，操作方便，易为一般设计人员接受的优点。
工程实例证明：降度设计方法不仅适用于以剪切变形为主且变形较大的框架结构，在一定条件下（如本文实例中采用机械放大装置）也可适用于变形较大的框架—剪力墙结构。
参考文献
[1] GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2]邓小武.粘滞阻尼消能减震结构的抗震性能分析及应用[D].长江大学.2012.
关键词：消能减震；黏滞阻尼器；新设计方法；工程实例；
Abstract: The earthquake resistance has been well received by scholars in civil engineering, seismic design is an important aspect of structural design. Design of energy dissipation structure become more popular in recent seismic design .Because of the technology in computer analysis is complex, general engineering designer often have the fear of emotions, they expect to discover relatively simplified design method.This paper presents a new design method of structure with energy dissipation, and combined with the engineering examples verify the applicability of the proposed method,some research results in this paper can help the engineering designer .
Keywords: energy dissipation ;viscous dampers；new design method; engineering example;
中圖分类号：TU318文献标识码： A
0 引 言
自抗震理念建立后，人们在传统抗震方法—即利用结构自身的强度和变形能力抗震的方法方面已经进行了大量研究，使其日益丰富和完美，在建筑抗震领域发挥了很大作用，近些年来，随着经济发展、科研水平的提高和震害经验的丰富，人们对传统抗震理念和方法所具有的局限性，如抗震潜力有限，震后使用的保障能力不足以及造价高昂等有所认识，在此基础上，提出和发展了一些新的抗震理念及方法，消能减震技术即为其中之一，该技术因其具有施工简便、造价不高、效果良好的特点而广受关注，得到日益广泛的应用。
1 消能减震结构设计新方法的提出
特别是最近十多年间，国内外均在工程结构振动控制领域取得一系列重要进展，不同于传统的提高结构本身的刚度来抵抗地震的抗震设计方法，结构（消能减震结构）振动控制的方法是通过消能装置来减少地震能量输入到上部结构或直接消耗地震能量降低或减轻主体结构的地震反应[1]，此外在目前常用的推算分析中对于附加阻尼器的消能减震结构的处理比较复杂。
当采用黏滞阻尼器进行结构消能减震设计时，可在初步简化设计中近似忽略其附加质量和附加刚度作用，即假定=[0]、=[0]，即：
（1）
对于式（1），可直接采用隐式Newmark迭代法求出结构时程反应，或者通过Fourier参数变换，应用离散Fourier变换法进行求解。式中值得一提的是：当结构附加黏滞阻尼器处于弹性状态时，恢复力项为弹性；而当结构振动进入弹塑性阶段，则恢复力项也出现非线性。显然，对于消能减震结构设计而言，该式仅余下附加阻尼一个不确定项，因而可由此作为附加黏滞阻尼器支撑设计的切入点[2]。基于这一思想，此处针对附加黏滞阻尼器结构消能减震设计提出一种简化设计方法。
新的消能减震结构设计方法—降度设计，这种新方法与常规设计方法有所不同，常规方法以满足原设防烈度（或性能目标）要求为目的去设置和选用消能器；而降度法则是以降低设防烈度（降半度或一度）为目标去设置和选用消能器。消能减震结构降度设计方法相对常规方法具有目标相对明确，操作相对简单的优点，既可适用一般要求的新设计，也可用于抗震加固设计，其设计步骤如下：确定主体结构的抗震设防烈度，主体结构设计分析，设定黏滞阻尼器减震结构性能水准，阻尼器支撑布置与参数设计，减震控制效果分析，局部构件验算，成本分析和综合效益评价等。
2 工程实例分析验证
2.1 工程实例分析
采用可模拟阻尼器单元的有限元软件ETABS建立模型，并将结构在小震、中震、大震下情况下计算分析，然后与8度设防下地震作用对比。
原结构是按照比当地设防烈度低一度进行的结构构件截面抗震设计，因此减震后结构不仅需要满足在9度地震作用下层间位移角的要求，同时需要减震结构在9度地震作用下的楼层剪力小于未减震结构在8度地震作用下的楼层剪力。只要9度下的剪力能满足这一要求，结构总体上就无需重新进行设计和截面调整。
未减震结构在8度地震作用下的时程分析采用单方向输入，由于截面设计依据小震作用，因此只验算小震作用。下表列出了小震作用下二者基底剪力的对比：
各层剪力时程包络数值如下表（单位kN）：
x y
楼层 8度减震前 9度减震后 误差率 8度减震前 9度减震后 误差率
12 2024.78 1843.82 8.94 1844.93 1021.64 44.62
11 3741.72 2061.36 44.91 3361.63 2801.05 16.68
10 5084.74 2967.96 41.63 4516.84 4182.53 7.40
9 6025.7 5474.14 9.15 5334.75 3907.27 26.76
8 6589.81 6860.66 -4.11 6188.07 4532.85 26.75
7 6880.34 6471.65 5.94 6922.36 6115.34 11.66
6 7867.84 8142.95 -3.50 7594.31 7005.74 7.75
5 9320.29 9503.78 -1.97 8071.96 6968.01 13.68
4 10568.6 10142.86 4.03 8389.12 6670.24 20.49
3 11402.19 9658.3 15.29 9071.6 6668.6 26.49
2 11567.07 9825.88 15.05 10116.58 7556.97 25.30
1 10163.44 8595.58 15.43 6030.79 5841.47 3.14
由此对比可见，在小震情况下， 9度地震下加设阻尼器后的结构楼层剪力均小于原设计结构在8度地震下的楼层的剪力 （个别点的误差在5%以内）。只要9度下的层间剪力能满足这一要求，结构总体上就无需重新进行设计和截面调整。阻尼器减振后，保证了整体结构在遭遇9度的多遇地震下的结构承载的安全性，可以达到降低工程成本和增加结构地震安全性的双重目标。
2.2 对比分析得到结论
通过以上计算结果可以看出，采用72个粘滞阻尼器后结构的层间位移角和基底剪力明显减小，小震作用下层间位移角降低40%以上，基底剪力降低50%以上，达到了规范的要求；大震作用下层间位移角降低20%以上，基底剪力降低40%以上，使结构的地震安全性明显提高。也可以看出，阻尼器可以在不改变结构自身刚度的情况下有效的降低结构的地震反应，是消能减震的理想方案，由此可见只要设计合理，高层框架—剪力墙结构，采用粘滞阻尼器仍能具有很好的减震效果，说明在此工程中采用的降度设计方法是可行的。
3 本文的研究结论
本文提出了一种与现行规范和规程有所不同的粘滞阻尼器减震结构简化设计方法，即所谓“降度法”。其与现行方法的主要差别是：现行方法是与原设防烈度下首先假设附加阻尼比进入结构计算，之后通过多次迭代确定最后附加阻尼比和阻尼器布置方案，最终用静力弹塑性或动力弹塑性方法完成减震结构的设计；简化方法则是在降度目标的基础上，进行结构的无控（即无阻尼器）设计，之后，通过在其中设置阻尼器并经弹塑性分析，证明设置阻尼器后的减震结构满足原设防烈度下的各项技术要求（含附加阻尼比的限值要求），从而完成减震结构的设计。两种方法相比，简化方法具有思路清晰，操作方便，易为一般设计人员接受的优点。
工程实例证明：降度设计方法不仅适用于以剪切变形为主且变形较大的框架结构，在一定条件下（如本文实例中采用机械放大装置）也可适用于变形较大的框架—剪力墙结构。
参考文献
[1] GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2]邓小武.粘滞阻尼消能减震结构的抗震性能分析及应用[D].长江大学.2012.