上海华融工程设计（集团）有限公司
【摘要】我国属一个震灾严重的国家。随着经济水平的提升，整个社会对建筑物内部人员生命和财产安全的关注已越来越高，国家及各地政府对消能减震技术越来越重视，尤其是高烈度地区的教育和医疗类建筑，必须采用减隔震技术。这也大大推动了消能减震技术在我国的发展。因此，在本文中，以乌鲁木齐市某一中学的教学楼项目为例，介绍金属阻尼器在设计中的应用。
【关键词】阻尼器；减震设计；计算方法
我国地震活动具有频度高、强度大、震源浅、分布广的特点，是一个震灾严重的国家。传统的抗震结构设计思路主要在于‘抗’，通过调整结构刚度的大小和分布直至结构的整体指标合理，实现预定的抗震性能目标。但这种设计手段却存在很多局限性，尤其在地震设防烈度较高的地区，单纯按照‘抗’的思路，很难做到安全、合理、经济兼顾。而消能减震技术是通过在建筑结构中布置消能器以耗散地震输入结构的能量，是减轻地震反应和地震破坏的一种新技术和新方法。消能减震结构改变了传统抗震结构‘硬碰硬’的抗震方式，改‘抗’为‘消’。与传统抗震结构相比，消能减震结构通过在主体结构中合理布置消能器，有效的调整结构刚度，减小结构的地震反应。
近二十年来，我国的消能减震技术的研究、设计理论、消能减震产品的研发和生产，都取得了长足的进步。目前结构设计师进行消能减震结构的设计时，已经可以做到有设计理论、有规范依据、有成熟的消能减震产品可供选择、有政府支持。这一技术的应用得到了政策、审图、产品、施工各个环节的有力支持。常用的减震产品主要包括位移型、速度型和复合型三种，主要特点如下：
位移型消能器：其耗能能力与消能器两端的相对位移有关，如金属消能器、摩擦消能器和屈曲约束支持等。
速度型消能器：其耗能能力与消能器两端的相对速度有关，如粘滞消能器等；
复合型消能器：其耗能能力与消能器的相对位移和相对速度有关，如粘弹性消能器等。
本文着重介绍位移型消能器中金属阻尼器在高烈度区教育类建筑中的应用。
新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市某中学一教学楼，地上四层，无地下室。抗震设防分类为乙类，抗震设防烈度为8度0.2g。
设计思路，本工程地震作用大，框架结构刚度较弱，采用常规设计方法，框架的梁柱截面较大影响使用，经济性不佳。同时平面较为狭长，长宽比约4.5，Y向刚度较弱。针对这些问题本工程选用剪切型金属阻尼器。剪切型金属抗震阻尼器是利用钢板在平面内发生剪切变形而使得芯板进入屈服出现塑性，产生滞回耗能，从而达到吸收振动能量的目的。消能器在小震下不进入耗能，仅提供刚度。因此，反应谱分析的阻尼比无需调整，消能部位的刚度以等待构件的形式出现，且消能部位的刚度与等代构件的刚度应相等。消能器平面布置如下：
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模型如下：
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一、计算原则：
1) 根据连接墙尺寸和阻尼器参数计算消能部件的相关参数：
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2) 消能部件初始刚度
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3) 计算等代构件（等代柱）的刚度：
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由
等代柱刚度=消能部件初始刚度
可以得到初始的等代柱的构件尺寸。
4) 将等代柱按计算得到的尺寸输入到反应谱计算模型中，开始迭代计算。对建入等代柱的模型进行小震反应谱分析，读取反应谱计算结果中墙式剪切型抗震阻尼器所在位置的等代柱在阻尼器工作方向的地震工况下的出力（阻尼器实际工作方向），其中出力为调整前标准出力
5) 计算消能部件的水平位移：
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其中消能部件刚度为目前模型中等代构件的刚度。
6) 由消能部件的出力和消能部件位移，可求得下一步的附加阻尼比和等代构件的有效刚度，开始迭代直至收敛。
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，如底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法；
消能减震结构的总刚度应为主体结构刚度和消能部件有效刚度的总和；
消能减震结构的总阻尼比应为主体结构阻尼比和消能部件附加给主体结构的有效阻尼比的总和。
反应谱分析根据规范的等效线性化方法将消能部件等效为等代构件加入计算模型中：
对于墙式剪切型金属抗震阻尼器，最终阻尼器设计时需确保两段连接墙的弹性刚度与剪切型金属抗震阻尼器刚度的串联刚度（或称为串联机构的刚度，即消能部件的刚度）与小震反应谱模型中的等代框架柱的弹性刚度是相等的。
二、结构整体计算
(1) 结构总质量
各结构单元YJK模型计算的结构总质量与MIDAS GEN计算的结构总质量基本一致，计算结果见下表：
结构总质量对比
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(2) 结构周期
结构前三个周期及平动扭转情况的计算结果如下表所示，两个软件计算结果基本一致：
结构周期对比
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(3) 结构层间位移角
两软件计算结果十分接近，小震时各楼层最大位移角如下表。X、Y向的最大层间位移角分别为1/817、1/722，均满足《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第5.5.1条规定的框架结构最大位移角1/550限值的要求，体现了消能减震结构的优势。
结构位移对比
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(4) 剪力和剪重比
下表为YJK和MIDAS计算出的结构各层在小震下的楼层剪力和剪重比，计算结果十分接近，剪重比满足《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第5.2.5条的规定。
结构地震力对比
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(5) 楼层承载力
下表为YJK计算出的结构各层楼层承载力，根据“抗规”3.4.3的规定，抗侧力结构的层间受剪承载力均大于相邻上一楼层的80%，无薄弱层。
结构楼层抗剪承载力
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(6) 刚度分布及刚度比
下表为YJK计算出的结构各层刚度分布及刚度比。楼层与相邻上一层的侧向刚度的70%，或其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%的比值均大于1，根据“抗规”3.4.3的规定，本结构侧向刚度无不规则现象，无软弱层。
结构楼层刚度
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总结：
在高烈度区的多层学校建筑中，框架结构体系是最常见的，框架结构往往刚度较弱，特别是在进深方向。常规设计往往梁柱截面较大，结构指标不理想。从设计来说，金属阻尼器是很好的选择。它可同时提供附加阻尼比和增加刚度，对高烈度地区经常面对刚度不足和地震力过大的双重问题，可做到对症下药，性价比较高。
参考文献：
[1] J113686-2017 XJJ075-2016 建筑消能减震应用技术规程.
[2] JGJ297-2013 建筑消能减震技术规程.
[3] GB50011-2010建筑抗震设计规范（2015年版）.
[4] 丁洁民 吴宏磊.减隔震建筑结构设计指南与工程应用.中国建筑工业出版社.
[5] 丁洁民 吴宏磊.粘滞阻尼技术工程设计与应用.中国建筑工业出版社.