等值线性方法于消能减震结构的应用

等值线性分析方法于消能减震结构的应用摘要：目前有关含消能减震部件的结构分析主要还是以动力非线性分析和静力非线性分析方法为主，因此含消能减震部件的结构分析具有较大的难度和需要很长的分析时间。加上由于受限于分析用之电子计算机软件中的消能减震元素，目前尚无一较适用的线性方法应用于含消能减震部件之建筑结构的结构分析。为了加速结构消能减震于工程項目上之应用，缩短分析上的繁杂程序，本文依据美国FEMA356规范，配合《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)，提出一套消能减震结构的等值线性分析方法。此方法不但可使含消能减震部件的结构分析简化，并可避免电子计算机软件的限制，在不含阻尼器元素的电子计算机软件上依然可做消能减震结构之结构分析。另外，本文并介绍应用此分析方法于消能减震结构的结构分析，以证明此分析方法的可行性。关键词：等值线性分析方法；消能减震；开孔式软钢阻尼器HADAS1前言结构抗震加固技术及工法很多，如扩大构件断面、外包型钢、碳纤维加固、增设构造柱和圈梁、增设抗震墙等已被广泛应用于建筑抗震加固。然而，多年来国内外专家及工程师发现传统的加固工法存在很多问题，例如：施工复杂，有时尚需加强基础或新增加基础；施工周期长；干扰用户及加固费用不低等问题。消能减震加固方法是通过在结构物某些部位增设阻尼器或消能部件(由消能器及其支撑构件和连接件所组成)，以达成抗震加固目标的新方法。采用消能减震技术进行抗震加固时，消能器及其支撑构件和连接件可预先制作并现场安装，因而具有施工方便简单、施工期短及不改变原有建筑风貌等优点。我国地震区已有相当数量的建筑物采用了各类隔震橡胶垫和阻尼器，积累了一定的工程经验。2001年7月20日发布、2002年1月1日实施的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）[1]中明确制定了隔震消能减震技术应用的相关规定。目前有关含消能减震部件的结构分析主要还是以动力非线性分析和静力非线性分析方法为主，因此含消能减震部件的结构分析具有较大的的难度和需要很长的分析时间。为此，国内外学者提出了多种等效线性化方法，将非线性问题化为线性问题解决。然而，由于受限于分析用之电子计算机软件中的消能减震元素，目前尚无一较适用的线性方法应用于含消能减震部件之建筑结构的结构分析。为简化消能减震分析方法，本文主要依据美国FEMA356规范[2]，配合《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)，提出一套新的等值线性分析方法[3][4]。此等值线性分析方法不但可使消能减震结构的结构分析将非线性问题化为线性，降低结构分析的难度和缩短分析时间，更可应用此等值线性分析方法于没有阻尼器元素的电子计算机软件中，做消能减震结构的结构分析。例如国内各设计院常用的PKPM软件即可应用此等值线性分析方法来做减震消能结构的结构分析。另外，本文亦介绍应用此等值分析方法于一实际建筑物增设开孔式软钢阻尼器HADAS的抗震加固工程上，由分析结果证明此等值线性分析方法的可行性。2消能减震技术之等值线性分析方法《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)对于阻尼器的设计参数规定只提及由试验确定，对于阻尼器的理论并无多加说明。本文根据美国FEMA356规范，将位移型阻尼器和速度型阻尼器之行为等效线性化，其受力与位移反应关系如下：(位移型阻尼器)(1a)(速度型固态黏弹性阻尼器)(1b)(速度型液态黏滞性阻尼器)(1c)其中，为阻尼器的有效刚度；及为速度型阻尼器的阻尼系数；为阻尼器上下两端点的相对位移；为阻尼器上下两端点的相对速度；为速度型阻尼器的速度指数。为符号函数，用以定义相对速度的正负号。消能减震部件附加给结构的有效阻尼比可依下式估算：(2)其中，为消能减震结构的附加有效阻尼比，依《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规定，不超过20%；为所有消能部件在结构预期位移下往复一周所消耗的能量；为设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。在不计及扭转影响时，可为(3)式中，为质点的水平地震作用标准值；为质点对应于水平地震作用标准值的位移。依据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规定，当主体结构基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分析方法作简化估算。为此，本文依据美国FEMA356规范，提出一个等值线性分析方法，其分析步骤简单描述如下：凉计算与阻爆尼器相接爸合的斜撑度、墙体或干梁等支撑级构件的刚魂度高，疑代表第散个阻尼器纲。捡设定阻尼桐器的初始蚁设计参虑数串刷(秘如责，米)雪及初始的自消能减震进结构之有坡效阻尼比演。挨将阻尼器竖的有效刚是度辆和支撑构蚕件的刚度原，利用串辟联关系计弓算求得各酿消能减震扇部权件桥(摇含阻尼器距及其接合两的支撑构僚件波)鄙的等值刚壤度什。要利用街将各消能头减震部件闭转换为等任值斜撑或芦等值柱，揭并求得其透断面性质花。孟将消能减斩震结构的万初始有效乞阻尼比和扬各等值斜诱撑或等值摊柱的断面天性质放入注分析模型企中，并依棋据《建筑促抗震设计且规范添》由(GB瘦5001婚1-20南01写)芝规定，采戒用底部剪稍力法、振以型分解反轰应谱法和译时程分析铜法做结构际分析。暴经由结构捎分析求得垂各楼层的宜水平剪力弃、水平相夜对位移及催各等值斜压撑或等值渔柱的剪力吹和相对位旅移劫。梢利用各楼广层的水平往剪力、水猫平相对位萌移或利用睡公当式畜(3崖)卫计算结构较在水平地封震力下的乳总应变能甩。址依能量相抚等法则，西如窄图威1探所示，利凶用各等值爹斜撑或等唱值柱的剪摇力哪和相对位激移肤可崇求得第枣个阻尼器怀在地震作根用下实际谜的阻尼力唤及位移喊。图图1能量相等法则示意图级由阻尼器呢的阻尼力词及位移议计算求得醋所有阻尼衫器所做的疾功玩。劳重新修正帅各个阻尼羡器的设计送参紫数代(玻，毫)睛，并利用摘下式计算济结构有效院阻尼比：监只劲率瞒郑患助(4)虾式中，帽为结构有灯效阻尼比伏；金为阻尼器践所提供的合有效阻尼晒比；区为结构固沸有的阻尼栋比。叨将步齿骤盘1钱0馒计算所求计得之结构辣有效阻尼匙比及各个环阻尼器的盆参数作为尘初始值，婆并重复步绿骤扯2喝至步批骤砌1辰0唤。反复迭燕代，直至糖步六骤湖2端使用的初意始结构有踢效阻尼比安与步篮骤戴1起0拼计算所得焰的结构有盆效阻尼比辩相等为止覆。况由上述之让分析步骤奖可看出，提阻尼器的纸非线性行袍为利用等汗效的观念老及线性迭拐代的方法省简化为线柱性行为，叶使分析过忘程不具有彩非线性问更题的存在馅。另外，颜此分析方骂法是将阻扰尼器和其没支撑构件木转换为等页值斜撑或币等值柱放这入结构分秀析模型中演做结构分勒析，使消婶能减震结赤构在结构葛分析模型桑中可不需配要阻尼器停的元素，裳依然可做葬消能减震就结构的结汤构分析。祖如此，在导任何做结昨构分析的给电子计算凉器机件中酱，皆可应若用此等值谎线性分析乳方法来做题消能减震遣结构的弹盗性线性分员析。隐3沟哑应用芒等值线性己分析方法兴于某大楼赞增切设驱HADA陷S存之抗震加签固的结构个分析建开孔式软睁钢阻尼器译（巨HADA倡S家）速[5]数，如专图吓2据所示，是供属于位移蚀型消能阻茎尼器，其弹具有双向愿消能机理障，藉由其灯滞回阻尼督特性鸭（粱hyst虎eres累isl疲oo股p向）来达到炒吸收地震漫能量的目缘的，如鸦图寸3园及委图芽4饺所示，不办但可应用宅于新建建桌筑，亦可炊应用于现境有建筑结逃构的抗震给加固改造闯。由中国擦台湾地震醉工程研究希中心振动浓台试验体[6]戚和中国建悔筑科学研锈究院测试帅[单7己]搞证明旗，斑HADA钢S爱具有良好无的消能功捐能，令在查1m寿m臣以内的变资形即可发疼挥消能效凤果，并可套经历上百枯次地震而耽不破坏，犁证明其具伴有高度的删稳定性及笑耐用性。攻某大楼位剖于上海闸比北区，房运屋建筑面祥积宽1200叙0m推2糟，地下一兽层、地上达九层。地羞下室层苍高宜2.9迈m顷，一层层恢高印5.2龄m折，其它层启层高怀为猛4.2缘m穷。该房屋晒的基础结闹构形式为慰钢筋混凝武土预制桩贩加地下室样筏板基础估。上部结恳构形式为痰现浇钢筋奴混凝土框纯架抗震墙具结构，结黄构标准层恩如驴图卫5光所示。该圾房屋原设谁计为综合敏通用厂房呜，繁按并7逃度丙类建赶筑抗震设虚防，现为妖通信机房乓，按规定巩应礼按抬7槽度乙类建肿筑进行抗滤震设防。肚该大楼现颠已投入使施用，一楼蛮为大堂、召食堂、交泳配电室及塌高压变电数室，二至赤八楼为通鸭信机房，粉九楼为办歌公室。该坚房屋抗震券墙布置偏历于一侧，画经抗震分券析，结构倒的层间位捷移基本满医足要求，讽但第一振雹型为明显侄扭转，不适满足抗震师设计规范虾要求，按躁结构抗震辽鉴定报告顽要求，本司结构需进铲行抗震加暴固，以满犹足疑7与度事乙类抗震畅设防要求袄。但由于兽该房屋已非投入使用瞒，大部分拴楼层为通勤信机房，勇增设抗震蠢墙会影响圈使用，并产且该房屋际内外装修岔已经完毕黄。为减少扮对房屋装仇修的破坏殿，并且不悔影响外墙尊立面，并饮经过技术玩上及经济置上之评估使，本工程搬采用设置绩开孔式软锋钢阻尼或器灭HADA乓S羞的抗震加胳固方案。箱本工程根暗据原结构葛布置情况降和现场使说用情况，疫从一层到显八层每层扎增设四丑组延HADA抢S野阻尼器，渴，如迁图铸5肝所示，共控三十二慨组饿HADA唤S仔阻尼器，妈藉以控制依结构的扭薯转并提高斑结构的阻甲尼。本工右程使用之丘开孔式软傍钢阻尼由器敲HADA粒S砍的力学参脑数为：弹侨性刚谦度考K=5支2574袜2KN梳/兆m巾；降伏位刚移盆=0.4政4736遗7m缓m渴；降伏刚熔度比碎。本工程蝴开孔式软胁钢阻尼森器洲HADA利S松之安装方偶式如源图荒6批所示。疼利用国际岸上较为通窄用素的梁ETAB净S筝软件对增锈设阻尼器批后的结构僵进行分析亿计算，指表孟1奶为结构自迷振周期。载计算结果瘦第一、第谱二振型以淘平动为主芽，第三振印型为扭转榨，且平动惊周期小于识第一周期绒的状0.瞧9歇倍，符合宾现行抗震废规范的要盲求。地震是力作用下蹄，结善构污X得向最大层糊间相对位稼移角限值梯为左1/21扮0离0贷，袖Y希向最大层吧间相对位稍移角限值印为晚1/12授5模0淋，搅X四与馆Y猴向刚度接只近，均满胳足抗震设首计规拾范省1/80少0按的要求。唯并胸应用上述言之等值线梯性分析方两法形将阻尼器极和钢斜撑钉转换为等骗值斜撑，掏利用国内疯软玩件就PKP清M滑按国内规算范进行分四析，计算假时将局部相十层会议缝室和楼电记梯间作为议第十一层历来计算，渗结构自振恳周期见打表京1影。计算结坊果第一、稀第二振型斧以平动为破主，第三洒振型为扭鸦转，且平来动周期小皇于第一周访期杰的浊0.院9透倍，同样掌符合现行扎抗震规范煮的要求。施地震力作隆用下结遇构抛X仁向最大层肆间位移角枕为馋1/10书4珠6暮，蕉Y协向最大层览间位移角中为提1/12续2登9仓，均小于暗规范要求相的仇1/80左0徐。燕图菜2洗讯开孔式软港钢阻尼器天图迹3HA奔DA张S奴之迟回曲滨线米图春4HA砖DA炸S炕横向之迟龙回曲线导图废5太谎某大楼结拌构平面及翼HADA冠S莫阻尼器布暮置示意况表胁1恋翻利用软件炮计算结构速增加阻尼巴器后的振鼓动特性存振型号虏ETAB灯S拆计算结果哀PKP慈M勺计算结果渡周期岛X杂向有效参晌与质录量陕%术Y经向有效参言与质慕量锈%柄周期辩平动系数殿（何X+尼Y叉）持1钟0.92旦51词54.4青547思0.26勿85映0.99腔76碰0.83津(0.8捏2+0.议00)闻2射0.87厘17柱0.42针07艺63.4水361祥0.93券73大1.00喊(0.0钢0+1.傻00)笑3底0.71堡91强10.1各778定0.18歇77摔0.79约87恒0.21妈(0.2泻0+0.鲜01)的4散0.27翠74似7.38救20迫0.03豆80截0.30注56酒0.61款(0.6温0+0.钻01)护5耽0.21锡83军0.30搜65度16.1露228驻0.23灾83住0.96尾(0.0姑5+0.窄91)桶6窄0.20扣39浊7.62缺78文0.33拒41害0.22弊96衔0.49慰(0.4舰0+0.电09)别7较0.17询81违1.52晨18沿0.02绝56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