耗能减震结构设计与应用

4.1.7 采用静力弹塑性分析方法分析时应满 足下列要求： 1 消能部件中消能器和支撑根据连接形式 不同，可采用串联模型或并联模型，将消能 器刚度和支撑的刚度进行等效，在计算中消 能部件采用等刚度的连接杆代替。 2 结构目标位移的确定应根据结构的不同 性能来选择，宜采用结构总高度的1.5％作为 顶点位移的界限值。
K =

.

..
K s Ke Cs Ce
C =

原结构的阻尼矩阵一般采用Rayleigh阻尼， 通常是满足正交条件的，即
* C sj T C i s j 0

i j i j

耗能器附加给结构的阻尼矩阵通常不满正 交条件。但是简化计算可作近似处理，忽 略阻尼矩阵的非正交项，则有：
T(s)
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耗能减震建筑的地震考验
2月27日14时34分在智利（南纬35.8度， 西经72.7度）发生8.8级地震，震源深 度33公里。地震位于智利比奥比奥大 区，距离康塞普西翁（Concepció n） 100公里，距离特木科 （Temuco）110 公里,距离该国首都圣地亚哥320公里。 震源位于地下55公里。根据智利官方 报道，截止2010年4月7日，在此次大 地震中，死亡486人、失踪79人、海啸 致使 80万人受伤或无家可归，总损失 达300亿美元。灾区道路阻断、缺水短 电，有报道称震中附近的两个城市损 失惨重。地震还使200万人受到影响， 150万栋房屋被毁，6个地区进入灾难 紧急状态。
4.4 附加刚度和阻尼比计算
3.3.3 消能减震结构的总阻尼比应为结构阻 尼比和附加阻尼比的总和，结构阻尼比应 根据主体结构处于弹性或弹塑性工作状态 分别确定。 3.3.4 消能减震结构的总刚度应为结构刚度 和消能部件附加给结构的有效刚度之和。
6.3.2 消能部件附加给结构的实际有效刚度 和有效阻尼比，可按下列方法确定： 1 位移相关型消能部件和非线性速度相关型 消能部件附加给结构的有效刚度可采用等价线 性化方法确定。 2 消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下 式计算：
d Wcj / 4 Ws
j 1
n
4.5 消能减震结构分析方法
4.5.1 基于等价线性化的振型分解反应谱法
1.基本思路 利用振型分解的概念，将多自由度体系分解 成若干个单自由度系统的组合，引用单自 由度体系的反应谱理论来计算各振型的地 震作用，然后再按一定的规律将各振型的 动力反应进行组合以获得结构总的动力反 应。
有减震需求，有相对位移或相对速度
的一切结构。
3.8.2 采用隔震或消能减震设计的建筑， 当遭遇到本地区的多遇地震影响、抗 震设防烈度地震影响和罕遇地震影响 时，可按高于本规范1.0.1 条的基本设 防目标进行设计。
【说明】本次修订，1.0.1 条将设防目标分为基本目标 和专门目标两种情况，本条文字相应调整。当结构 采用隔震和消能减震设计方案，具有可能满足提高 抗震性能要求的优势，故推荐其按较高的设防目标 进行
高耸结构 大跨结构 多/高层 结构 复杂结构
☆☆☆
☆☆
☆☆☆☆
仅地震 仅地震
☆☆☆☆
防屈曲 杆件屈曲 耗能支撑 位移相关
☆☆☆☆
☆☆☆☆
摩擦 阻尼器
摩擦耗能 位移相关
☆☆
桥梁结构 自恢复能力差 耐久性差，仅地震
☆
4、消能减震结构设计内容与步骤
消能减震结 构设计内容
消能 装置选择
消能装置 布置位置
消能装置 子框架设计 布置数量
耗能减震结构： 首先必须根据耗能减震结构体系非线性的特 点对其进行一些处理，然后才能使用振型 分解法进行分析。由于某些类型耗能器的 恢复力出现较强的非线性（如软钢类耗能 器、摩擦耗能器），从而导致结构动力方 程的非线性，使其不能应用经典的振型分 解法求解，需要对耗能减震器非线性力进 行等价线性化处理。
设计地震
设计要求
无消能器结构的分析和设计 确定结构所需的阻尼比
或
选择合适的消能器位置 计算消能器的刚度和阻尼 消能减震结构的分析 否 足够的阻尼比 是 否 满足结构特性
设 计 流 程
结束
4.1 消能减震结构的概念设计
4.1.1 适用范围和设防目标
3.8.1 隔震与消能减震设计，可用于抗震 安全性、使用功能有较高要求或专门要 求的建筑。
分析方法
静力弹塑性 分析方法 静力弹塑性 分析方法 弹塑性时程 分析方法 弹塑性时程 分析方法
弹塑性 弹塑性
非线性 线 性
线 性
线 性
非线性
线 性
振型分解反 应谱法
振型分解反 应谱法
弹塑性时程 分析方法
弹性时程 分析方法
4.3 消能减震结构分析模型
4.3.1 消能减震结构分析模型


4.1.3 在弹性时程分析和弹塑性时程分析中， 消能减震结构的恢复力模型应包括结构恢复 力模型和消能部件的恢复力模型。 4.1.6 消能减震结构采用弹塑性时程法分析法 计算时，根据主体结构构件弹塑性参数和消 能部件的参数确定消能减震结构非线性分析 模型，相对于弹性分析模型可有所简化，但 二者在多遇地震下的线性分析结果应基本一 致。
4.1.2
耗能减震结构场地
1）耗能减震结构应选择I、II类场地，且宜选 择对抗震有利的地段，避开不利地段；当无 法避开时，应采取有效措施；
4.1.3
耗能减震结构体系
2）耗能减震结构的平面、立面布 置，主体结构、支撑结构材料和 施工应满足国家《建筑抗震设计 规范》（GB2010-5001）的要求；
不要被装饰蒙蔽了双眼！
4.1.4.2 消能器的布置原则
动力特性相近
布置均匀
避免薄弱层 位移和速度最大位置
消能部件 布置
4.1.4.3 消能减震装置数量确定
期望 阻尼 比法
原结构 设计
原结构 分析
期望阻 尼比
消能器 数量
附加阻 尼比计 算
减震结 构分析
d Wcj /4Ws
j 1
n
4.2 消能减震结构分析方法
4.2.1 消能减震结构分析选择
消能减震结构的分析方法取决于： （1）主体结构和消能器在地震作用下 所处的状态； （2）消能器的类型：位移相关型 还是速度相关型。
非线性结构/非线性耗能器
非线性结构/线性耗能器
X
线性结构/非线性耗能器
线性结构/线性耗能器
图 耗能减震结构分析的四种情况
主体结构
消能器
12.1.6 建筑结构的隔震设计和消能减震设计， 尚应符合相关专门标准的规定；也可按抗 震性能目标的要求进行性能化设计。 【说明】本条与2001 版的规定相比，明确提 醒可采用隔震、消能减震技术进行结构的 抗震性能化设计。
隔震与消能减震技术是实现性能化设计 的有效方法
12.1.2 建筑结构隔震设计和消能减震设 计确定设计方案时，除应符合本规范 第3.5.1 条的规定外，尚应与采用抗震 设计的方案进行对比分析。
分类
工作原理 技术水平
☆☆☆☆
需关注的问题
应用范围 应用程度
☆☆☆☆
发展方向
新型高性能 阻尼器研发 结构减振 新方案/新体系 设计/分析 (性能指标量化) 标准/规程完善 推广应用
粘滞流体 粘滞流体 阻尼器 速度相关 粘弹性 阻尼器 软钢 阻尼器 粘弹材料 速度相关 金属屈服 位移相关
超高压试验
温度影响

12.3.8 当消能减震结构的抗震性能明显提高 时，主体结构的抗震构造要求可适当降低。 降低程度可根据消能减震结构地震影响系 数与不设置消能减震装置结构的地震影响 系数之比确定，最大降低程度应控制在1 度 以内。
本条是新增的。当消能减震的地震影响系 数不到非消能减震的50%时，可降低一度。

4.1.4 消能器的选择、数量确定及布置原则
Concrete
(Mortar)
Tab Plate
Steel Tube (Buckling Restrained Part)
Buckling Restrained Brace
3.6 复合型耗能器
1．在同一种耗能机制下，可利用多个耗能元件协 同工作共同耗能； 2．在同一种耗能（阻尼）减震器中，综合利用不 同的耗能机制共同耗能；即耗能（阻尼）减震器 同时利用两种或两种以上的耗能方式耗能； 3．耗能（阻尼）减震器应具有多道耗能减震防线 （或多级耗能元件）； 4．具有良好的变形跟踪能力，其承载和耗能能力 具有随变形增大变化的自适应能力。

将耗能减震结构体系的非线性运动方 程： .. .
M


..
X C X K X F M X g
..

等效线性化后按振型分解法求解，运 动方程可写为：
M X C X K X M X g
* C ej T C i e j 0
i j i j

忽略非经典阻尼矩阵非正交项的结构反应 误差不超过10%，大多数情况下误差不超过 5%，即使振型阻尼比大于20%时仍能保持 这样的精度。
3.2 粘弹性阻尼器
3.3 钢阻尼器

金属耗能器根据金属材料的不同可分为钢 耗能器、铅耗能器和形状记忆合金耗能器。 钢耗能器又包括软钢制成的耗能器和低屈 服点钢制成的耗能器。
3.3.1

软钢耗能器
由于软钢在进入塑性范围后具有良好的滞 回特性，因此被用来制造各种类型的耗能 减震装置。
（a）X形加劲耗能器
3.5
防屈曲耗能支撑
Buckling
F
F
No Buckling ( Yielding )
Conventional Brace Tension P
Compression
Buckling Restrained Brace Tension P
Compression
Core Steel Member Unbonding Materials
普通结构按离散方式来划分模型，主要可分 为层间模型、杆系模型和有限元模型 （FEM）。

耗能减震结构体系则是由主体结构和耗能 支撑（包括耗能器和支撑）所组成，故其 分析模型可采用与普通结构相同的分析模 型，唯一的差别就是必须考虑耗能支撑对 结构模型的影响。
4.3.2 消能器的恢复力模型
在分析模型中，与消能器连接的支撑必 须真实模拟，不能假设支撑的刚度；不能改 变消能器与支撑的连接方式。
（b）三角形耗能器 （c）开孔式加劲耗能器 图2.3-1 加劲耗能器
3.4 摩擦耗能器
发展始于20世纪70年代末。可以分为4种类型： 摩擦耗能节点；板式摩擦耗能器； 筒式摩擦耗能器；复合型摩擦耗能器。
板式垫片 垫片
外板
蝶形垫片
刹车片
摩擦面 外板 中板
不锈钢板
（1）板式摩擦耗能器
（2）钢管摩擦耗能器
（3.5.1 结构体系应根据建筑的抗震设防类别、 抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地 基、结构材料和施工等因素，经技术、经 济和使用条件综合比较确定。）
消能减震结构设计是结构抗震设计的手段方
法之一！ 消能减震设计是实现结构“小震不坏、中震 可修、大震不倒”的有效、可靠、经济的方 法！ 消能减震设计是实现结构性能化抗震设计的 最为直接、最有效的手段和方法！
一幢带消能减震钢支撑超高层建筑 一幢设有金属球颗粒阻尼器高层建筑 这也是近年来鲜有的经历大地震考验的消能 减震高层及超高层结构工程实例。
3
消能减震装置的类型与性能
3.1
粘滞阻尼器
图2.1-1 典型粘滞耗能器示意图
粘滞耗能器是根据流体运动，特别是当 流体通过节流孔时能产生粘滞阻力的 原理而制成的，是一种无刚度、速度 相关型的耗能器。 常见的粘滞耗能器主要有： 缸式粘滞流体耗能器 粘滞阻尼墙 圆筒式粘滞耗能器
【说明】2008 年局部修订改为非强制性要求。本次修 订，将使用功能“特殊”要求改为“较高或专门” 要求，并明确用于抗震安全性较高要求的建筑，不
限于2001 版的8、9 度设防地区。
12.1.4 消能减震设计可用于钢、钢筋混凝土、 钢-混凝土混合等结构类型的房屋。
消能部件应对结构提供足够的附加阻尼，尚 应根据其结构类型分别符合本规范相应章 节的设计要求。
耗能减震结构设计与应用
周 云
广州大学土木工程学院
2013年05月20日
1 耗能减震的概念与原理
1.1 耗能减震的概念
1.1耗能减震的概念
1.2 耗能减震的原理
0.12
0.10
隔震结构 传统结构
0.08

附加阻尼增加
阻尼比0.05 阻尼比0.10 阻尼比0.15 刚度刚度
0.06
0.04
0.02
0.00 0 1 2 3 4 5 6