杨烽、李秋松、杨盛乔、吉承统、唐画
中国建筑第八工程局有限公司 海南省 海口市 570000
摘要：通过对富力首府项目D16地块建筑的数值仿真分析，研究了复合金属阻尼器在高层建筑中的受力特点和应用效果，指出经过合理的设计和布置，高层建筑层间位移角明显减小，墙与连梁的破坏程度减小，达到了良好的耗能减震效果，复合金属阻尼器可有效提高高层建筑的抗震性能。
关键词：金属阻尼器，高烈度区高层中，设计分析
引言
目前隔震技术的应用多集中在多层结构中，由于隔震体系与传统抗震体系相比上部结构所受地震作用大幅度降低，使得上部结构构件和节点的断面、配筋减少，构造及施工简单。近年来，隔震技术已不仅仅局限于中低层建筑，在高层建筑中也有所应用。相对于中低层建筑，对高层结构进行隔震无疑更具有性价比优势。高层结构应用隔震技术后，增强了建筑物的抗震性能，能大大降低一般设计中的地基基础造价，且所有支座和阻尼器都可在现场安装，从而大大地缩短工期，带来很好的经济效益。
一.减震设计流程及目标
设计流程位移型剪切软钢消能器为金属阻尼器中最为常用的一种，其阻尼力主要是由软钢的塑性应变量，即塑性位移决定。本工程的减震设计流程为：初定减震目标→YJK初步建模→确定附加阻尼比及附加刚度→确定阻尼器布置方案→建立结构弹性模型→合理选择地震波及模拟阻尼器→弹性时程分析（FNA法）→复核附加阻尼比→中、大震弹塑性时程分析（直接积分法）→复核减震目标是否实现→消能部件设计。
常用的消能装置（也称为耗能器、阻尼器）根据消能机理不同主要分为速度、位移相关型两种。前一种分为粘滞消能器和粘弹性消能器；后一种分为摩擦消能器与金属消能器。其中金属消能器主要分为复合金属、软钢阻尼器。由于摩擦耗能器取决于结构的运动来发挥其功能，具有一定局限性，相对而言，无论是在制作成本，结构构造还是在耗能能力上，复合金属阻尼器的表现更好,所以在工程应用上越来越普遍。如今，高层建筑日益普遍，而采用剪力墙结构的高层住宅约占高层住宅的90%。对于高层剪力墙结构的消能减震的需求愈来愈大。已有许多学者研究了改善剪力墙结构抗震性能的方法。已有研究主要集中在设缝和耗能装置等方面，比如带缝耗能剪力墙、组合填充耗能剪力墙及摇摆耗能剪力墙等，相比于普通剪力墙结构的延性、滞回性能均有明显优化。这些方法有其合理性，但施工较麻烦。
二.消能减震方案
1.由于金属阻尼器的初始刚度较大,既可为上部结构提供一定刚度,又可以在小震下屈服后给整个结构提供一定的附加阻尼。由于本工程中结构体系为框架结构,若选择屈曲约束支撑，对于建筑的使用功能特别是较大门窗洞口影响较大,故最终选择埋置在墙体内部的金属阻尼器。根据《JGJ297-2013消能减震技术规程》(中华人民共和国住房和城乡建设部,2013)第3.1.4条,采用“对称、周边、易维护”的基本原则,将阻尼器布置在结构体系中变形较大部位,能够充分发挥阻尼器的减震效果。
2.阻尼调节：阻尼器小震阶段保持弹性，在中震阶段进入塑性耗能，降低中、大震地震作用，同时阻尼器率先屈服可以保护主结构。结合建筑布置和上述分析，消能减震方案选用墙式布置的金属剪切型阻尼器（MD)。该类型阻尼器一方面在小震下可以提供一定的刚度，中震下屈服又能够耗能，具有刚度条件和阻尼调节的双重作用。同时，由于利用建筑隔墙位置采用墙式布置，不影响建筑功能。
三.高层隔震
目前采用的隔震技术多指基底隔震，基底隔震的基本原理是通过设置于建筑物底部与基础顶面之间的隔震消能装置，吸收并耗散地震能量，这些隔震系统是一种侧向刚度很小的振动控制装置，它可以延长整个建筑物的振动周期，使地震所引起的建筑物变形集中到隔震装置上，隔断大部分地震能量的上传，这在很大程度上减少地震时上部结构的加速度和层间位移，从而大大减少上部结构的地震反应。对于超高层建筑，上部结构满足刚性假设，整个结构可简化为由上部结构和隔震层组成的单质点模型。刘文光教授给出了三质点隔震结构模型，用于计算大高宽比的高层隔震结构，但其没有给出可操作的模型参数计算公式。目前对大高宽比隔震建筑领域的研究没有系统的展开，少数学者对隔震房屋抗倾覆稳定性和隔震结构高宽比限值进行了一些研究。
四.金属阻尼器设计相关问题探讨
1.众所周知，延性系数越大，结构在强震作用下可以承受大的塑性变形而不破坏倒塌的能力越强。延性系数对阻尼器耗能能力、减震效率（位移、剪力降低率）影响明显，地震反应降低率Rd、Ra表示成附加体系刚度比Ka/Kf及系统最大延性系数μ2个基本参数的连续函数。系统延性系数μ在一定范围内增大，系统的位移、剪力降低率均增大。XJJ075—2016《建筑消能减震应用技术规程》规定，金属屈服型消能器位移达到其设计位移，计算延性系数宜不小于6。根据笔者接触过的产品，建议控制剪切型金属阻尼器设计延性系数为10~30。
2.对于高烈度区建筑,消能减震技术的应用能够提高结构的整体抗震性能,为高烈度区重点设防类建筑提供了一种可行且有效的设计思路。小震地震作用下,结构主体弹性,金属阻尼器在小震下开始屈服耗能,阻尼器能够提供1%的附加阻尼比。箱型钢柱、H型钢梁在罕遇地震作用下,结构梁端出现塑性铰,框架柱的塑性铰开展程度较轻,结构层间位移角分别为1/85(X向)和1/90(Y向),实现了“大震不倒”的抗震性能要求,阻尼器滞回曲线饱满,说明该设计方法的抗震效果较好。
3.效能减震（隔震）结构体系：将结构的某些非承重杆件设计成消能杆件，或在结构的某些部位设置消能装置；这些杆件或装置通过摩擦、剪切（或弯曲、扭转）,弹塑性（粘弹性）以及滞回变形，为主体结构提供比较大的阻尼，消耗大部分地震波输入到结构的地震动能量；消能减震结构体系中，消能（阻尼）装置或元件，在主体结构进入非弹性状态前，率先进入耗能状态，发挥耗能作用，耗散大量输入结构体系的地震能量，使结构本身消耗的能量大大降低，塑性变形减小；既可保护主体结构构件，使其不受损伤或破坏（E2-0),又迅速地衰减了结构的地震反应，从而确保结构在地震中的安全，提高结构安全性；消能构件构造简单、维护方便、造价低廉，在震后易于修复或更换，使建筑物迅速恢复使用：利用结构的抗侧力构件（支撑、剪力墙等）作为消能构件，无须专设。
结束语：
通过对位于高烈度区的某框架结构采用金属阻尼器方案进行减震设计分析。对比减震前后的抗震性能，分析结果表明，采用消能减震技术，结构的地震响应得到有效控制，层间位移角达到预期减震性能目标结构的安全储备较高。在罕遇地震作用下结构满足“大震可修”的性能化设计目标。综合分析，位于高烈度区的框架结构采用消能减震技术是合理有效的，对于提高结构抗震性能及舒适度具有较好的应用参考意义。
参考文献：
【1】刘建,潘文,张建,等.云南省建筑消能减震设计与审查技术导则(试行)[M].云南:云南省住房和城乡建设厅，2018.
【2】[日]社团法人·日本隔震结构协会.被动减震结构设计施工手册[K].北京:中国建筑工业出版社，2008.
【3】张谨,杨律磊.动力弹塑性分析在结构设计中的理解与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2016