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【JY】减隔震设计思考Ⅱ

建源之光

10月前浏览3541

写在前文

接上期的内容，继续和大家分享一点感悟与心得，欢迎讨论。

【JY】减隔震设计思考：隔震篇

特别注意：本文只代表个人观点，非官方观点。

抗震？减震？隔震？

隔震不一定比减震、抗震好，抗震也不一定差！是否应用减隔震应该根据工程具体而选择，但前提是需要满足性能要求。

（例如：变形空间或构造不允许的情况、高宽比过大的情况等等）

重点：抗震取消框架结构、常规减震仅应用在框架结构中、隔震重视构造。

抗震结构

抗震结构相对减隔震发展更悠久和成熟的结构体系。从各国的抗规和各专著中也可以学习到抗震精髓。

JY的建议是希望抗震设计不再采用框架结构，转而用短肢剪力墙或剪力墙相关的结构体系。并且周期比和位移比可以相对放宽，毕竟在绝对的性能实力面前，框架结构太柔弱了。并且材料方面并不会增加多少！

更何况框架结构在很努力的去调整了很多系数去弥补强柱弱梁，实际上也是螳臂挡车，梁和楼板协同的性能太强了，很难实现强柱弱梁，不如直接放弃。

详情可看：

【JY】这个房子应该做抗震or减隔震？

减震结构

目前减震的应用主要包括：变形类阻尼器、调谐类阻尼器

（至于摇摆墙等其他应用较少的减震措施之类，下次再谈~）

变形类阻尼器的应用

（位移型阻尼器、速度型阻尼器）

层间布置阻尼器主要需要的是楼层的剪切变形，而在高层中，大部分采用带剪力墙体系，几乎是弯曲变形占主导，几乎无法期待阻尼器的变形产生，除非剪力墙已经开裂等，即便在数值计算上，由于施工误差效果也会大打折扣。即便是跨多层的层间布置，也只是稍微弥补缺陷。

因此，我们需要一个较柔的剪切体系（如框架结构），让阻尼器提前发挥作用，以此来保护结构的安全性。因此，框架结构最好的归属应该是减震结构体系。

目前更多的是让刚性子结构、剪力墙冲到第一防线，保护了阻尼器，阻尼器并无法发挥出完全的性能，期待阻尼器成为第二道防线？！这种做法是有悖于减隔震的理念的，切记我们要保护的是结构，而不是阻尼器！

所以变形类阻尼器减震设计最关键的是：让结构在弹性阶段时，层间剪切变形更大的释放出来！并且构造措施要得当，特别是填充墙需谨慎施工，采取必要填充工艺，让阻尼器可以尽力消能。

因此，若是采用常规不当的填充墙做法，开裂属于构造不当的情况。

JY的建议：位移型/速度型阻尼器 布置在框架结构之中，而不可应用于带有大量剪力墙的结构体系中，不要陶醉在虚假的数值计算中。

即便是高层，也可采用多阻尼器的框架结构，此时侧向刚度可更多的让位移型阻尼器提供。

即便遇到超高层，通常超高层由于侧向刚度和建筑需求，基本采用框筒结构，主要变形是弯曲型变形。但是位移型/速度型阻尼器减震需要剪切变形空间。因此，当结构剪切刚度太刚时，这类阻尼器并不能很好发挥作用，此时若是强行采用层间布置变形类阻尼器只会吃力不讨好、适得其反。此时，可采用外伸臂桁架加位移型/速度型阻尼器。充分利用弯曲变形产生的变形位移。

因此，减震体系不应承接抗震体系，而应该类似隔震体系一样，继承又独立出一套标准进行分析。而不是减震体系≈抗震体系+附加阻尼比的形式进行分析设计。

调谐类阻尼器的应用

遇到了确实无法或较难产生相对位移时，例如超高层(除了伸臂桁架)难以产生剪切位移，楼板振动控制没有相对出力位移点。可以采用TMD、TLD，甚至改进版的，电涡流阻尼器、惯容器、MTMD等等，这些不需要相对变形，更关注相对质量差的阻尼器进行调控。

隔震结构

隔震结构浓缩下来还是这句话：七分构造，三分算！

详情可以看下：

【JY】减隔震设计思考：隔震篇

因此，应该在不同的情况采用不同的措施和方法，包括抗震、减震、隔震。

至阳至刚的降龙十八掌不一定比以柔克刚的太极拳差，恰当的地方选择恰当的技术，因地制宜才是上策。

接下来讨论关于减震结构的一些问题和看法！

减震的附加阻尼比？

对于减震的附加阻尼比，其实个人认为是不合理的，但迫于计算手段和历史原因，这样的做法只能称作“不合理的合理”。与隔震结构的分部设计法有着异曲同工之妙。

附加阻尼比的来源是所有阻尼器共同对结构的贡献，并且平摊到结构的每一处地方。使得整体的结构内力变小，从而得到配筋，使得结构得以落地。

因此，若是结构采用调谐型阻尼器、或者均匀密布变形类阻尼器。这样的做法对构件的内力实际误差会比较小。

但是，如果布置阻尼器吨位大、数量少、且集中，会使得结构附加阻尼比平摊得并不合理，低估了所谓子结构的构件内力，而可能会高估了处于距离阻尼器较远的构件内力。因此并不能很好的反映结构真实内力。

因此，减震设计进步，需要采取更合理的计算手段。目前来说，并未见到更合理的等效线性的快速设计方法，期待学界的研究。合理选波的FNA法和动力弹塑性（直接分析法）可能具有一定离散性，但不失为一种接近真实表现的方法。显式随机模拟法是目前解决减震结构设计的良药。

子结构弹性/不屈服

上述减震的附加阻尼比会低估了所谓局部子结构的构件内力，并且我们要保护好阻尼器能时刻与结构相互作用。好家伙！既然这样一拍脑袋，直接把子结构做到大震弹性或者大震不屈服，把子结构构件做到最强！好一对卧龙凤雏的做法。

构件定义

主结构：主要承受竖向荷载、同时能抵抗地震·风等水平荷载的结构，由柱、大梁、支撑、抗震墙等结构构件所构成。
减震构件：主要以消耗地震、风等水平动力荷载所产生能量为目的的结构构件，结构形式有支撑型、墙型、中间柱型、角撑型、剪切连接型等。此外，减震构件由“减震阻尼器”和与主结构相连接的“连接构件”所构成。
减震阻尼器：主要用以消耗地震、风等水平动力荷载所产生能量的部分，即具有粘滞阻尼装置或塑性滞回装置的部分。当连接构件作为产品的一部分与阻尼器形成整体时，也可将连接构件包括在阻尼器之内。
连接构件：将减震阻尼器连接到主结构上的构件。
减震结构：主结构特定结构平面内设置有减震构件的结构。
粘滞阻尼装置：利用高分子化合物的粘滞性或粘弹性材料的剪切变形所产生的阻尼抗力来消耗能量的装置，以及利用高分子化合物或油在管道内流动时产生的节流阻抗力来消耗能量的装置。本手册研究的阻尼器是使用粘滞阻尼装置的“油阻尼器”、“粘滞阻尼器”、“粘弹性阻尼器”。
塑性滞回装置：主要是指利用金属材料（钢材、铅）的塑性滞回产生的阻尼抗力消耗能量的装置。同时也包括利用金属材料界面的摩擦所产生的阻尼抗力消耗能量的装置。本手册研究的阻尼器是利用塑性滞回装置的“软钢阻尼器”、“摩擦阻尼器”。

通常我们会采用下图作为子结构的定义：

我们很希望在阻尼器极限位移或极限速度对应的阻尼力作用下，与阻尼器连接的支撑、墙、支墩应处于弹性工作状态，且阻尼部件与主体结构相连的预埋件、节点板等应处于弹性工作状态，不出现滑移或拔出等破坏。

如果阻尼器与连接构件处于串联关系，那么连接构件或节点的损坏将大大降低阻尼器的有效变形，甚至失效，所以连接构件和节点应处于弹性工作状态。这是我们对于子结构高性能要求的目的和想法。我们怕阻尼器还没发挥完全的性能就失效了！但是我们又不能忘记，我们需要给阻尼器释放的位移空间，不能锁死。

理解了这一点本质，再谈子结构的性能需求。一棒子打死，硬性提高子结构性能是不可取的，不如把子结构整个替换成剪力墙来得更实在。需要分情况进行讨论。

直接连接型

直接连接型是指将减震构件直接与上部及下部楼层的主结构相连接，可直接将层间变形传递给减震构件。具体的形式有：支撑型、墙型、剪切连接型。对于直接连接型减震结构，由于阻尼器和子结构构成并联关系，并联关系！子结构在预期部件产生塑性铰不会降低阻尼器的有效变形，不会影响阻尼器性能的发挥，所以子结构的大震性能不需要过强。子结构的内力和损坏程度主要取决于在地震下的变形，与消能部件没有直接关系。过强的子结构性能只会锁死阻尼器的发挥。

间接连接型

间接连接型是指将层间变形通过梁或短柱等的弯曲变形间接传递给减震构件，由梁或短柱变形引起的减震构件的变形将小于层间变形。具体的形式有：中间柱型、角撑型、节点型。对于间接连接型减震结构，由于梁或柱兼起连接构件的作用，所以与消能部件连接的梁或柱构件不应损坏，需要提高构件性能！但是带来的问题依然是过强的子结构性能只会锁死阻尼器的发挥。JY建议是在梁柱上增加钢铰节点，释放位移！

其他类型

其他类型是指利用主结构的总体变形或设置放大装置将层间变形放大的类型。具体的 2形式有：柱型、悬臂型、放大装置型等。其中的柱型减震构件容许高宽比大的建筑物产生受拉变形获取减震效果，故也称为阶梯柱型。

不论哪种类型的子结构，我们始终保护的是结构，而不是阻尼器！消能子结构作为主体结构的一部份，若加强子结构则由于能量集中到加强的构件上而难以被阻尼器吸收，同时层间变形的减小也导致能量吸收的减小，所以消能子结构的性能定义太高对阻尼器耗能是不利的，且不如直接将子结构换成剪力墙，转而采用抗震设计。

因此减震子结构设计本质上需满足两点：

1、阻尼器极限位移或极限速度子结构连接可靠！

2、子结构弹性下需要释放足够的变形空间给到阻尼器工作！

二者矛盾又统一，缺一不可。