被动减震结构设计简述
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被动减震结构的基本概述 减震原理 耗能减震装置 盲分析简介 ETABS模型的建立和分析 Excel设计分析 有关的学术期刊和论文
根据减震构件的种类分类
1 3
油阻尼器
2
粘滞阻尼器
3
粘弹性阻尼器
4
摩擦阻尼器
直接型：直接将变形传给 减震构件。
间接型：将层间变形通过 梁或短柱传给减震构件。
Freque ncy cyc/sec 1.138 1.172 1.583 3.629 3.687 4.833 7.14 7.334 9.403 11.25 11.693 14.789
给建筑物附加刚度和阻尼，其附加的程度可 用储存刚度和损失刚度来表示 若能评估阻尼器的储存刚度和损失刚度，就 可以评估系统的储存刚度和损失刚度，进而 求得等效自振周期和阻尼比。
粘滞阻尼器
粘滞阻尼器主要有筒式粘滞阻尼器、粘滞阻 尼墙系统等。 筒式粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘滞流 体组成。活塞上开有小孔，并可以在充有硅 油或其他粘性流体的缸内作往复运动。当活 塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞的 小孔内通过，对两者的相对运动产生阻尼， 从而耗散能量。
第1层和第4层阻尼器轴向位移的最大值和最小值。各 参赛队提供的以上各项指标与实验结果之间误差的均方 根作为评定名次的指标。 盲分析比赛分两步进行。第一步是前分析，参赛队 输入的地震波是振动台预计输入到结构上的地地震波， 而确切的振动台运动要需在实验过程中通过加速度传感 器测量后后才知道，所以盲分析比赛的第二步——后分 析也是必要的，在后分析中，参赛队使用振动台真实的 运动情况评估结构的地震响应。比赛的评估参数主要集 中在15% Takatori记录和100% Takatori记录作用下的地 震响应。
楼层刚度
Story Acceleration X 18407 15974 13868 11760 8221 Acceleration Y 17036 12233 10675 11669 7764 Acceleration Z 1548 4134 4079 3766 4328 Story Story5 Story4 Story3 Story2 Story1
功能：建模功能 分析功能：反应谱分析 线性时程分析 非线性时程分析 静力非线性分析（push-over方 法）
ETABS建模主要步骤
（1）新建轴网 （2）定义材料、框架截面、板截面 （3）绘制结构构件 （4）指定约束 （5）定义荷载模式、质量源、时程函数、反应谱函数 （6）定义荷载工况 （7）运行分析、查看分析结果
楼层加速度
减震结构楼层加速度
Case Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al
Mod e 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Peri od sec 0.879 0.853 0.632 0.276 0.271 0.207 0.14 0.136 0.106 0.089 0.086 0.068
其他形式：利用总体变形 或设置放大装置将层间变 形放大的装置。
从能量角度分析 单质点体系减震结构力学原理和性能 各阻尼器的特性
传统抗震结构 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh 耗能减震结构 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed
Ein——地震过程中输入结构体系的能量； Ev ——结构体系的动能； Ec——结构体系的粘滞阻尼耗能； Ek——结构体系的弹性应变能； Eh——结构体系的滞回耗能； Ed——耗能（阻尼）装置或耗能元件耗散或吸收的能量。
Model File: 粘弹性阻尼 2015/5/12
1 模型简化 本次设计采用有限元分析软件Etabs建模，模型中各个构 件的截面尺寸、材料属性以及物理性能是从盲分析资料 中提取的。其中做了几点简化或变化：1 各种钢材均采用 了其平均弹性模量；2 次梁与主梁的连接采用刚接，主梁 沿全长采用等截面；3楼面及楼层附重在其对应空间内采 用均布荷载的形式；4一、二层外墙采用均布线载施加在 对应主梁上；5楼梯采用质量等效的方式换算成厚度均匀 的钢板，没考虑其横向刚度对楼层刚度的影响； 6 通过 调整附重使得模型楼层重量与资料中提供的楼层质量基 本一致 2 承重结构截面尺寸及材料详见盲分析资料
减震结构的楼层刚度
Acceleration X Acceleration Y Acceleration Z
Story5 Story4 Story3 Story2 Story1
6674 5458 4866 4196 3581
6854 5461 4857 4231 3556
327 1525 1513 1647 1900
a）地震输人
b）传统抗震结构
c）消能减震结构
传统结构抗震分析
Ev、Ek不耗能，只做能量的转换 Ec占比很小 主要靠Eh（结构体系滞回耗能），弹塑性变形耗能，构 件会损失甚至破坏。
耗能减震结构
耗能阻尼装置在结构主体进入弹塑性变形前发挥作用，进 入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结 构体系的地震能量，则结构本身需消耗的能量很少，这 意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结 构，使其不再受到损伤或破坏。
本建筑物是地下1层、地上24层、塔楼3 层的综合建筑物，最大高度为132.6m， 主要用途为商店、县立学校、办公楼等。 标准层的平面形状为6~8.6m的柱网所构 成的24.6m×42m的矩形，另有1～7层 的低层部分。23层中设置天象仪、由 18m柱距的大空间构成。 基础为桩基础，使用钢管混凝土桩。上 部结构为钢结构（柱为钢管混凝土—— CFT），1～20层为附加阻尼器的框架结 构，21层以上为支撑结构。
在一楼到四楼X2、Y1和Y3轴线上布置，如图2-2所示，共12个阻尼器。
ETABS 是有美国CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设 计软件。ETABS已有近30年的历史，是美国乃至全球公认 的高层结构计算程序，在世界范围内广泛应用，是房屋 建筑结构分析与设计软件的业界标准。是一个完善且易 于使用的建筑结构专用分析与设计程序，具有直观、强 大的图形界面和建模、分析、设计、详图功能。
结构规划时，在以框架结构为主的主结构上设置软钢滞回阻尼 器和粘弹性阻尼器的两种阻尼器，对地震和风振两种外部扰动 实施有效的减震
由于滞回阻尼器对大地震时的能量吸 收特别有效，因此 在楼层面积大的低层部分设置，目的是希望滞回阻尼器 在吸收所在层地震能量的同时可减少对高层的输入。由 于粘弹性阻尼器在小振幅情况下也具有附加阻尼的特性， 故在强风可能作用的高层部分的短边方向设置，粘弹性 阻尼器在改善强风时居住性能的同时也可在地震时产生 附加阻尼作用。
模型
盲分析比赛采用了一个5层的钢框架模型，没有加阻尼器的钢 框架模型见图2-1。此模型长度方向定义为Y向，宽度方向定义 为X向，长度方向为双跨共12米，宽度方向为双跨共10米。此 五层楼钢结构的一楼层高为3.85m，二到四层层高为3m，五 楼层高为2.985m。二到五层混凝土楼板厚度均为165mm，顶 楼的为150mm。模型的重量由钢梁、钢柱、钢承板、混凝土 楼板、内外墙、楼梯、测量仪器等组成。从二楼到顶楼，分配 到每层楼的重量为867、842、835、790、1451kN。钢材部分， 梁的材质为SN490B，冷弯箱型柱材质为BCR295，构件的主梁、 柱尺寸详见表2-1、表2-2，梁截面为宽翼断面，柱截面为中空 方管。阻尼器在一楼到四楼X2、Y1和Y3轴线上布置，如图2-2 所示，共12个阻尼器。
图 用单质点体系模型表述减震机理
图a表示直接型的支撑型，图b表示间接型的中间 柱型，图c表示阻尼器和支撑串联，然后和主体框 架并联。
图 使用各种阻尼器的减震结构中的能量吸收部分、附加体系、 系统的稳态反应
储存刚度=最大变形时的力/最大位移 损失刚度=零变形时的力/最大位移
油阻尼器和粘滞阻尼器的能量吸收部分的储存刚度为零 粘弹性阻尼器和软钢阻尼器的能量吸收部分的两种刚度均 存在
减震性能曲线的绘制步骤如下：Leabharlann Baidu
利用单质点体系进行初步设计
设计步骤
设计流程：
试件形状：
使用粘弹性阻尼器的钢结构24层办公楼
本实例是将大地震下能量吸收能力优良的软 钢阻尼器设置在低层，将强风时或大地震时 均可获得附加阻尼效应的粘弹性阻尼器设置 在高层，构成对地震和风振均有效的减震体 系。
摩擦耗能器是根据摩擦做功而耗散能量的原理设计的。 金属阻尼器工作特点：结构处在正常使用状态时，消能
支撑充当结构构件，为结构提供初始刚度；结构在大震
或强风作下，消能支撑率先进入屈服耗能阶段，抗疲劳 性能好，滞回环饱满，增强了耗能能力，从而提高了结 构的抗震性能。
粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板所组成。 粘弹性阻尼器的典型滞回曲线呈椭圆形，具有很好的耗能性能，
它能同时提供刚度和阻尼。
粘弹性阻尼器的性能受温度、频率和应变幅值的影响。其耗能 能力随着温度的增加而降低；随着频率的增加而增加，但在高 频下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至某一平衡值。
粘弹性阻尼器(3M) 美国世贸双塔楼1969 World Trade Center Tower 消能装置：3M 粘弹性阻尼器 共10000×2个 从10层到110层，每层100个， 每塔楼10000个，两栋塔楼 阻尼比由原来不到1%增加到3.0% 建设日期：1966-1973年 （1969年开始装设阻尼器）
效应1（附加刚度）： 周期上升，位移减小加速度上升 效应2（增加阻尼）： 阻尼增加，位移、速度、加速度均减小
在减震结构的地震反应简易预测及设计中，必须考虑减震构件 的滞回特性及其与其他构件的平衡关系、地震动的输入特性、 减震构件与主结构的制约条件，对减震构件附加给主结构的刚 度与粘滞特性所产生的效应做出适当的评估。
2009年，日本E-Ddfense研究中心用世界上最大的振动 台进行了5层楼足尺寸带减震斜撑的钢框架振动台试验， 并举行了盲分析大赛。试验用同一个钢框架结构，分别 加装不同的阻尼器进行测试，包含了金属阻尼器、油阻 尼器、粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器，最后再测试了不加 阻尼器的钢框架[7]。在试验进行前，主办单位举办了一个 结构反应预测的国际竞赛，参与此竞赛的学者专家针对 五层钢框架分别加装金属阻尼器和粘性阻尼器的地震反 应进行了预测。需要提交的预测结果包括每一层相对于 基础的位移绝对值的最大值、每一层的绝对加速的的最 大值、每一层的层间剪力和层间位移的最大值、第1层柱 以及第2层梁跨中的最大应变、第1层和第4层阻尼器轴向 力的最大值和最小值、
减震结构是依靠与主结构连接的阻尼器的附加刚 度和粘滞特性，对建筑物在地震作用下产生的位 移、速度、加速度反应进行控制。
附加刚度——系统周期缩短 粘滞特性——吸收能量，导致增加阻尼
Sd、Spv、Spa的分别表 示位移反应谱、拟速 度反应谱、拟加速度 反应谱
自振周期Tf——有阻尼 器是等效周期Teq 初始阻尼比h0——等效 阻尼比heq
3 减震前结构楼层数据
没设置阻尼器的结构模型形式如下：设置阻尼器的结构概图如下：
2 表六 表十四 表七 楼层刚度 模态周期、频率 减震结构楼层刚度 mm Sce Sec
数据对比
Story Stiffness X kN/m Story5 Story4 Story3 Story2 Story1 53066.036 60916.767 70279.217 74799.259 85164.625 Stiffness Y kN/m 54661.104 56747.471 64474.798 69559.841 77350.461 Story5 Story4 Story3 Story2 Story1 Story Stiffness X kN/m 68915.073 86390.501 103539.804 110577.868 110178.128 Stiffness Y kN/m 64341.547 76354.647 91813.894 98473.7 93691.58
根据减震构件的种类分类
1 3
油阻尼器
2
粘滞阻尼器
3
粘弹性阻尼器
4
摩擦阻尼器
直接型：直接将变形传给 减震构件。
间接型：将层间变形通过 梁或短柱传给减震构件。
Freque ncy cyc/sec 1.138 1.172 1.583 3.629 3.687 4.833 7.14 7.334 9.403 11.25 11.693 14.789
给建筑物附加刚度和阻尼，其附加的程度可 用储存刚度和损失刚度来表示 若能评估阻尼器的储存刚度和损失刚度，就 可以评估系统的储存刚度和损失刚度，进而 求得等效自振周期和阻尼比。
粘滞阻尼器
粘滞阻尼器主要有筒式粘滞阻尼器、粘滞阻 尼墙系统等。 筒式粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘滞流 体组成。活塞上开有小孔，并可以在充有硅 油或其他粘性流体的缸内作往复运动。当活 塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞的 小孔内通过，对两者的相对运动产生阻尼， 从而耗散能量。
第1层和第4层阻尼器轴向位移的最大值和最小值。各 参赛队提供的以上各项指标与实验结果之间误差的均方 根作为评定名次的指标。 盲分析比赛分两步进行。第一步是前分析，参赛队 输入的地震波是振动台预计输入到结构上的地地震波， 而确切的振动台运动要需在实验过程中通过加速度传感 器测量后后才知道，所以盲分析比赛的第二步——后分 析也是必要的，在后分析中，参赛队使用振动台真实的 运动情况评估结构的地震响应。比赛的评估参数主要集 中在15% Takatori记录和100% Takatori记录作用下的地 震响应。
楼层刚度
Story Acceleration X 18407 15974 13868 11760 8221 Acceleration Y 17036 12233 10675 11669 7764 Acceleration Z 1548 4134 4079 3766 4328 Story Story5 Story4 Story3 Story2 Story1
功能：建模功能 分析功能：反应谱分析 线性时程分析 非线性时程分析 静力非线性分析（push-over方 法）
ETABS建模主要步骤
（1）新建轴网 （2）定义材料、框架截面、板截面 （3）绘制结构构件 （4）指定约束 （5）定义荷载模式、质量源、时程函数、反应谱函数 （6）定义荷载工况 （7）运行分析、查看分析结果
楼层加速度
减震结构楼层加速度
Case Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al Mod al
Mod e 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Peri od sec 0.879 0.853 0.632 0.276 0.271 0.207 0.14 0.136 0.106 0.089 0.086 0.068
其他形式：利用总体变形 或设置放大装置将层间变 形放大的装置。
从能量角度分析 单质点体系减震结构力学原理和性能 各阻尼器的特性
传统抗震结构 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh 耗能减震结构 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed
Ein——地震过程中输入结构体系的能量； Ev ——结构体系的动能； Ec——结构体系的粘滞阻尼耗能； Ek——结构体系的弹性应变能； Eh——结构体系的滞回耗能； Ed——耗能（阻尼）装置或耗能元件耗散或吸收的能量。
Model File: 粘弹性阻尼 2015/5/12
1 模型简化 本次设计采用有限元分析软件Etabs建模，模型中各个构 件的截面尺寸、材料属性以及物理性能是从盲分析资料 中提取的。其中做了几点简化或变化：1 各种钢材均采用 了其平均弹性模量；2 次梁与主梁的连接采用刚接，主梁 沿全长采用等截面；3楼面及楼层附重在其对应空间内采 用均布荷载的形式；4一、二层外墙采用均布线载施加在 对应主梁上；5楼梯采用质量等效的方式换算成厚度均匀 的钢板，没考虑其横向刚度对楼层刚度的影响； 6 通过 调整附重使得模型楼层重量与资料中提供的楼层质量基 本一致 2 承重结构截面尺寸及材料详见盲分析资料
减震结构的楼层刚度
Acceleration X Acceleration Y Acceleration Z
Story5 Story4 Story3 Story2 Story1
6674 5458 4866 4196 3581
6854 5461 4857 4231 3556
327 1525 1513 1647 1900
a）地震输人
b）传统抗震结构
c）消能减震结构
传统结构抗震分析
Ev、Ek不耗能，只做能量的转换 Ec占比很小 主要靠Eh（结构体系滞回耗能），弹塑性变形耗能，构 件会损失甚至破坏。
耗能减震结构
耗能阻尼装置在结构主体进入弹塑性变形前发挥作用，进 入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结 构体系的地震能量，则结构本身需消耗的能量很少，这 意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结 构，使其不再受到损伤或破坏。
本建筑物是地下1层、地上24层、塔楼3 层的综合建筑物，最大高度为132.6m， 主要用途为商店、县立学校、办公楼等。 标准层的平面形状为6~8.6m的柱网所构 成的24.6m×42m的矩形，另有1～7层 的低层部分。23层中设置天象仪、由 18m柱距的大空间构成。 基础为桩基础，使用钢管混凝土桩。上 部结构为钢结构（柱为钢管混凝土—— CFT），1～20层为附加阻尼器的框架结 构，21层以上为支撑结构。
在一楼到四楼X2、Y1和Y3轴线上布置，如图2-2所示，共12个阻尼器。
ETABS 是有美国CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设 计软件。ETABS已有近30年的历史，是美国乃至全球公认 的高层结构计算程序，在世界范围内广泛应用，是房屋 建筑结构分析与设计软件的业界标准。是一个完善且易 于使用的建筑结构专用分析与设计程序，具有直观、强 大的图形界面和建模、分析、设计、详图功能。
结构规划时，在以框架结构为主的主结构上设置软钢滞回阻尼 器和粘弹性阻尼器的两种阻尼器，对地震和风振两种外部扰动 实施有效的减震
由于滞回阻尼器对大地震时的能量吸 收特别有效，因此 在楼层面积大的低层部分设置，目的是希望滞回阻尼器 在吸收所在层地震能量的同时可减少对高层的输入。由 于粘弹性阻尼器在小振幅情况下也具有附加阻尼的特性， 故在强风可能作用的高层部分的短边方向设置，粘弹性 阻尼器在改善强风时居住性能的同时也可在地震时产生 附加阻尼作用。
模型
盲分析比赛采用了一个5层的钢框架模型，没有加阻尼器的钢 框架模型见图2-1。此模型长度方向定义为Y向，宽度方向定义 为X向，长度方向为双跨共12米，宽度方向为双跨共10米。此 五层楼钢结构的一楼层高为3.85m，二到四层层高为3m，五 楼层高为2.985m。二到五层混凝土楼板厚度均为165mm，顶 楼的为150mm。模型的重量由钢梁、钢柱、钢承板、混凝土 楼板、内外墙、楼梯、测量仪器等组成。从二楼到顶楼，分配 到每层楼的重量为867、842、835、790、1451kN。钢材部分， 梁的材质为SN490B，冷弯箱型柱材质为BCR295，构件的主梁、 柱尺寸详见表2-1、表2-2，梁截面为宽翼断面，柱截面为中空 方管。阻尼器在一楼到四楼X2、Y1和Y3轴线上布置，如图2-2 所示，共12个阻尼器。
图 用单质点体系模型表述减震机理
图a表示直接型的支撑型，图b表示间接型的中间 柱型，图c表示阻尼器和支撑串联，然后和主体框 架并联。
图 使用各种阻尼器的减震结构中的能量吸收部分、附加体系、 系统的稳态反应
储存刚度=最大变形时的力/最大位移 损失刚度=零变形时的力/最大位移
油阻尼器和粘滞阻尼器的能量吸收部分的储存刚度为零 粘弹性阻尼器和软钢阻尼器的能量吸收部分的两种刚度均 存在
减震性能曲线的绘制步骤如下：Leabharlann Baidu
利用单质点体系进行初步设计
设计步骤
设计流程：
试件形状：
使用粘弹性阻尼器的钢结构24层办公楼
本实例是将大地震下能量吸收能力优良的软 钢阻尼器设置在低层，将强风时或大地震时 均可获得附加阻尼效应的粘弹性阻尼器设置 在高层，构成对地震和风振均有效的减震体 系。
摩擦耗能器是根据摩擦做功而耗散能量的原理设计的。 金属阻尼器工作特点：结构处在正常使用状态时，消能
支撑充当结构构件，为结构提供初始刚度；结构在大震
或强风作下，消能支撑率先进入屈服耗能阶段，抗疲劳 性能好，滞回环饱满，增强了耗能能力，从而提高了结 构的抗震性能。
粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板所组成。 粘弹性阻尼器的典型滞回曲线呈椭圆形，具有很好的耗能性能，
它能同时提供刚度和阻尼。
粘弹性阻尼器的性能受温度、频率和应变幅值的影响。其耗能 能力随着温度的增加而降低；随着频率的增加而增加，但在高 频下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至某一平衡值。
粘弹性阻尼器(3M) 美国世贸双塔楼1969 World Trade Center Tower 消能装置：3M 粘弹性阻尼器 共10000×2个 从10层到110层，每层100个， 每塔楼10000个，两栋塔楼 阻尼比由原来不到1%增加到3.0% 建设日期：1966-1973年 （1969年开始装设阻尼器）
效应1（附加刚度）： 周期上升，位移减小加速度上升 效应2（增加阻尼）： 阻尼增加，位移、速度、加速度均减小
在减震结构的地震反应简易预测及设计中，必须考虑减震构件 的滞回特性及其与其他构件的平衡关系、地震动的输入特性、 减震构件与主结构的制约条件，对减震构件附加给主结构的刚 度与粘滞特性所产生的效应做出适当的评估。
2009年，日本E-Ddfense研究中心用世界上最大的振动 台进行了5层楼足尺寸带减震斜撑的钢框架振动台试验， 并举行了盲分析大赛。试验用同一个钢框架结构，分别 加装不同的阻尼器进行测试，包含了金属阻尼器、油阻 尼器、粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器，最后再测试了不加 阻尼器的钢框架[7]。在试验进行前，主办单位举办了一个 结构反应预测的国际竞赛，参与此竞赛的学者专家针对 五层钢框架分别加装金属阻尼器和粘性阻尼器的地震反 应进行了预测。需要提交的预测结果包括每一层相对于 基础的位移绝对值的最大值、每一层的绝对加速的的最 大值、每一层的层间剪力和层间位移的最大值、第1层柱 以及第2层梁跨中的最大应变、第1层和第4层阻尼器轴向 力的最大值和最小值、
减震结构是依靠与主结构连接的阻尼器的附加刚 度和粘滞特性，对建筑物在地震作用下产生的位 移、速度、加速度反应进行控制。
附加刚度——系统周期缩短 粘滞特性——吸收能量，导致增加阻尼
Sd、Spv、Spa的分别表 示位移反应谱、拟速 度反应谱、拟加速度 反应谱
自振周期Tf——有阻尼 器是等效周期Teq 初始阻尼比h0——等效 阻尼比heq
3 减震前结构楼层数据
没设置阻尼器的结构模型形式如下：设置阻尼器的结构概图如下：
2 表六 表十四 表七 楼层刚度 模态周期、频率 减震结构楼层刚度 mm Sce Sec
数据对比
Story Stiffness X kN/m Story5 Story4 Story3 Story2 Story1 53066.036 60916.767 70279.217 74799.259 85164.625 Stiffness Y kN/m 54661.104 56747.471 64474.798 69559.841 77350.461 Story5 Story4 Story3 Story2 Story1 Story Stiffness X kN/m 68915.073 86390.501 103539.804 110577.868 110178.128 Stiffness Y kN/m 64341.547 76354.647 91813.894 98473.7 93691.58