3.3　消能减震措施在结构性能设计中的作用

20世纪90年代，随着相关规范、资料文献和标准测试步骤的出版，地震防护系统在美国桥梁工程中的应用得到了广泛发展。1991年《隔震设计指导规程》（AASHTO 1991）给出了附加弹性支座隔震装置桥梁的分析和设计步骤。在1999年对这个规范进行了修编并重新颁布，使其与AASHTO高速公路标准规范一致。规范中给出了摩擦隔震支座的设计步骤，介绍了界定隔震桥梁地震反应的方法。在20世纪90年代和21世纪初，促使地震保护系统得到贯彻执行的重要成果包括：HITEC的《隔震及消能装置测试指导条文》（HITEC 1996）和《大型隔震支座和消能装置的测试指导条文》（HITEC 2002）。

《建筑抗震设计规范》（GB 50011）提出消能减震结构按三个层次设防性能目标进行设计：设防性能目标Ⅰ为小震不坏、中震可修和大震不倒，如一般的工业与民用建筑、公共建筑等；设防性能目标Ⅱ为中震不坏、大震可修，适用于医院、公安消防、学校、通信、动力等建筑；设防性能目标Ⅲ为大震不坏，适用于人民大会堂、核武器储存室等建筑。

不同地震水准下，消能减震结构的性能目标见表3-1。

3.3.1　消能减震装置

隔震装置主要用途是：（1）减小上部结构和基础结构中的受力（加速度）；（2）实现力的重分配。隔震可延长建筑物基本振动周期，从而降低从地面传递到结构的地震能量。在大多数情况下，隔震结构的基本振动周期可以延长超过3倍，周期的延长可以显著地减小上层结构的加速度响应。结构受力（加速度）的减小显著降低了修建成本，并且在设计地震动作用下，这些桥梁仍处于弹性阶段。需要指出的是，几乎所有的位移都发生在隔震装置上，而不是发生在上部结构上。隔震支座包括橡胶支座和摩擦支座。橡胶支座包括高阻尼橡胶支座、低阻尼橡胶支座以及铅芯橡胶支座。摩擦支座即摩擦摆支座。阻尼器在隔震系统中经常用于限制支座位移。隔震后的建筑物周期一般在2～4s。因此，对于土质松软的场地以及高柔性的建筑物，采用隔震并不能取得很好的控制效果。对于加固工程，采用隔震方式是一种非常昂贵的措施。在美国，通常对于一些重要的历史建筑才采取隔震措施，从而最大限度降低上部结构的加固对建筑物历史构造的冲击。一整套隔震系统除包括阻尼器支座外，还包括其他特殊单元，如在建筑物周边设置沟渠以配合支座水平位移。我国规范提出了建筑结构采用隔震设计应符合的要求，即结构高宽比宜小于4，且变形特征接近剪切变形，建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。

能量耗散装置通过特定功能构件的滞回作用或黏滞阻尼特性来实现能量的消耗。附加的阻尼降低了整个结构的位移量和加速度反应以及局部楼层位移角，但应注意附加装置产生的局部应力问题。FEMA 356给出了位移相关型装置和速度相关型装置。位移相关型装置，包括表现为刚塑性的摩擦装置、双线性或三折线滞回的金属屈服装置；速度相关型装置包括固液黏弹性装置和液体黏滞装置。该规范也给出了其他一些装置，如形状记忆合金、具有复位功能的摩擦弹簧和液体恢复力阻尼装置。消能装置被工程师们认为是最适合柔性建筑的，如钢或混凝土框架结构。

与隔震结构相似，附加阻尼系统后结构反应的下降在美国系列规范中通过与有效阻尼比β有关的阻尼系数B来实现。附加阻尼结构基本振型的有效阻尼基于结构的非线性力—位移特性。

目前有多种可用于实际工程的被动消能减震装置，这些用于地震保护系统的装置通常包括黏滞流体阻尼器、黏弹性固体阻尼器、摩擦阻尼器以及金属阻尼器。其他也可以归为被动能量耗散装置或称为被动控制装置，包括用于控制风振的调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器，自复位阻尼器和相变转换阻尼器。此外，有一些阻尼器可称为半主动阻尼器，这些装置由于被动地抵抗其两端的相对运动并且具有可控的力学特性，也称为可控被动装置。此类阻尼器包括可变孔阻尼器、磁流变阻尼器和电流变阻尼器。半主动阻尼器在日本被应用的实际工程较多。

3.3.2　消能减震效力——提高性能

结构中设置阻尼器的目的主要是减少消能减震结构在地震作用下的反应，降低结构构件的内力和变形。消能减震结构的抗震性能化设计可使所设计的工程结构在设计使用期内满足各种预定的性能目标要求，可根据业主的不同需求确定不同的性能目标，是对当前基于承载力抗震设计理论框架的完善和补充。具体体现在：

（1）对于新建建筑结构，阻尼器若在设计地震作用下即发挥耗能作用，则可增加消能减震结构的总阻尼比，有利于降低结构构件的受力及变形，减小结构构件的截面尺寸，进而体现工程的经济性。

（2）若仅提高结构抗震性能，不减小结构构件的截面尺寸，不考虑工程经济性需求，则在相同的抗震设防烈度下，结构的安全性能得到明显提高。

（3）对于既有建筑结构，采用消能减震技术进行抗震加固可解决既有建筑结构施工的难度、降低加固费用，并有效而可靠地提高结构的抗震性能。

图3-1为结构不同需求谱与能力谱曲线，图中显示了两条需求谱，分别为具有5％固有阻尼以及具有5％固有阻尼加上阻尼系统提供的附加黏滞阻尼。图中也给出了结构能力谱曲线，能力谱曲线是在反应谱加速度—位移的坐标系下由一系列基本振型非线性反应组成的。

图中需求曲线和能力曲线的交点或性能点为结构预期的性能表现。如假定结构一直处于弹性，结构性能点将在标为T1的直线上，其中T1为结构计算方向弹性基本周期。考虑到结构发生非线性行为后，结构性能将发生在标为T1D的线上，T1D为基本振型有效周期，即在设计位移SD1D下结构割线刚度对应的周期。图中B1D为阻尼调整系数，如图所示，有效周期处的需求谱通过阻尼调整系数而得到降低。

总体而言，有效阻尼分为以下三个部分：

固有阻尼：指除附加黏滞阻尼外，在屈服前结构的内在阻尼。对未设置阻尼器的结构系统，通常假定结构固有阻尼为5％。

滞回阻尼：结构抗力系统和阻尼系统在特定幅值下屈服后的滞回阻尼。

附加黏滞阻尼：阻尼系统的黏滞单元，对于滞回或摩擦阻尼系统，该项取零。

滞回曲线和附加黏滞阻尼均是与振幅相关的，对总有效阻尼的相对贡献随结构屈服后反应的程度而改变。例如，附加阻尼器的结构降低了屈服后的位移，从而也降低了由抗力系统所提供的滞回阻尼值。如果位移降低到屈服点，有效阻尼的滞回部分为零，有效阻尼为固有阻尼加上附加黏滞阻尼，如未设置阻尼系统，有效阻尼等于固有阻尼。