3.3　消能減震措施在結構性能設計中的作用

20世紀90年代，隨著相關規范、資料文獻和標準測試步驟的出版，地震防護系統在美國橋梁工程中的應用得到了廣泛發展。1991年《隔震設計指導規程》（AASHTO 1991）給出了附加彈性支座隔震裝置橋梁的分析和設計步驟。在1999年對這個規范進行了修編并重新頒布，使其與AASHTO高速公路標準規范一致。規范中給出了摩擦隔震支座的設計步驟，介紹了界定隔震橋梁地震反應的方法。在20世紀90年代和21世紀初，促使地震保護系統得到貫徹執行的重要成果包括：HITEC的《隔震及消能裝置測試指導條文》（HITEC 1996）和《大型隔震支座和消能裝置的測試指導條文》（HITEC 2002）。

《建筑抗震設計規范》（GB 50011）提出消能減震結構按三個層次設防性能目標進行設計：設防性能目標Ⅰ為小震不壞、中震可修和大震不倒，如一般的工業與民用建筑、公共建筑等；設防性能目標Ⅱ為中震不壞、大震可修，適用于醫院、公安消防、學校、通信、動力等建筑；設防性能目標Ⅲ為大震不壞，適用于人民大會堂、核武器儲存室等建筑。

不同地震水準下，消能減震結構的性能目標見表3-1。

3.3.1　消能減震裝置

隔震裝置主要用途是：（1）減小上部結構和基礎結構中的受力（加速度）；（2）實現力的重分配。隔震可延長建筑物基本振動周期，從而降低從地面傳遞到結構的地震能量。在大多數情況下，隔震結構的基本振動周期可以延長超過3倍，周期的延長可以顯著地減小上層結構的加速度響應。結構受力（加速度）的減小顯著降低了修建成本，并且在設計地震動作用下，這些橋梁仍處于彈性階段。需要指出的是，幾乎所有的位移都發生在隔震裝置上，而不是發生在上部結構上。隔震支座包括橡膠支座和摩擦支座。橡膠支座包括高阻尼橡膠支座、低阻尼橡膠支座以及鉛芯橡膠支座。摩擦支座即摩擦擺支座。阻尼器在隔震系統中經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，對于土質松軟的場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。對于加固工程，采用隔震方式是一種非常昂貴的措施。在美國，通常對于一些重要的歷史建筑才采取隔震措施，從而最大限度降低上部結構的加固對建筑物歷史構造的沖擊。一整套隔震系統除包括阻尼器支座外，還包括其他特殊單元，如在建筑物周邊設置溝渠以配合支座水平位移。我國規范提出了建筑結構采用隔震設計應符合的要求，即結構高寬比宜小于4，且變形特征接近剪切變形，建筑場地宜為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類。

能量耗散裝置通過特定功能構件的滯回作用或黏滯阻尼特性來實現能量的消耗。附加的阻尼降低了整個結構的位移量和加速度反應以及局部樓層位移角，但應注意附加裝置產生的局部應力問題。FEMA 356給出了位移相關型裝置和速度相關型裝置。位移相關型裝置，包括表現為剛塑性的摩擦裝置、雙線性或三折線滯回的金屬屈服裝置；速度相關型裝置包括固液黏彈性裝置和液體黏滯裝置。該規范也給出了其他一些裝置，如形狀記憶合金、具有復位功能的摩擦彈簧和液體恢復力阻尼裝置。消能裝置被工程師們認為是最適合柔性建筑的，如鋼或混凝土框架結構。

與隔震結構相似，附加阻尼系統后結構反應的下降在美國系列規范中通過與有效阻尼比β有關的阻尼系數B來實現。附加阻尼結構基本振型的有效阻尼基于結構的非線性力—位移特性。

目前有多種可用于實際工程的被動消能減震裝置，這些用于地震保護系統的裝置通常包括黏滯流體阻尼器、黏彈性固體阻尼器、摩擦阻尼器以及金屬阻尼器。其他也可以歸為被動能量耗散裝置或稱為被動控制裝置，包括用于控制風振的調諧質量阻尼器和調諧液體阻尼器，自復位阻尼器和相變轉換阻尼器。此外，有一些阻尼器可稱為半主動阻尼器，這些裝置由于被動地抵抗其兩端的相對運動并且具有可控的力學特性，也稱為可控被動裝置。此類阻尼器包括可變孔阻尼器、磁流變阻尼器和電流變阻尼器。半主動阻尼器在日本被應用的實際工程較多。

3.3.2　消能減震效力——提高性能

結構中設置阻尼器的目的主要是減少消能減震結構在地震作用下的反應，降低結構構件的內力和變形。消能減震結構的抗震性能化設計可使所設計的工程結構在設計使用期內滿足各種預定的性能目標要求，可根據業主的不同需求確定不同的性能目標，是對當前基于承載力抗震設計理論框架的完善和補充。具體體現在：

（1）對于新建建筑結構，阻尼器若在設計地震作用下即發揮耗能作用，則可增加消能減震結構的總阻尼比，有利于降低結構構件的受力及變形，減小結構構件的截面尺寸，進而體現工程的經濟性。

（2）若僅提高結構抗震性能，不減小結構構件的截面尺寸，不考慮工程經濟性需求，則在相同的抗震設防烈度下，結構的安全性能得到明顯提高。

（3）對于既有建筑結構，采用消能減震技術進行抗震加固可解決既有建筑結構施工的難度、降低加固費用，并有效而可靠地提高結構的抗震性能。

圖3-1為結構不同需求譜與能力譜曲線，圖中顯示了兩條需求譜，分別為具有5％固有阻尼以及具有5％固有阻尼加上阻尼系統提供的附加黏滯阻尼。圖中也給出了結構能力譜曲線，能力譜曲線是在反應譜加速度—位移的坐標系下由一系列基本振型非線性反應組成的。

圖中需求曲線和能力曲線的交點或性能點為結構預期的性能表現。如假定結構一直處于彈性，結構性能點將在標為T1的直線上，其中T1為結構計算方向彈性基本周期。考慮到結構發生非線性行為后，結構性能將發生在標為T1D的線上，T1D為基本振型有效周期，即在設計位移SD1D下結構割線剛度對應的周期。圖中B1D為阻尼調整系數，如圖所示，有效周期處的需求譜通過阻尼調整系數而得到降低。

總體而言，有效阻尼分為以下三個部分：

固有阻尼：指除附加黏滯阻尼外，在屈服前結構的內在阻尼。對未設置阻尼器的結構系統，通常假定結構固有阻尼為5％。

滯回阻尼：結構抗力系統和阻尼系統在特定幅值下屈服后的滯回阻尼。

附加黏滯阻尼：阻尼系統的黏滯單元，對于滯回或摩擦阻尼系統，該項取零。

滯回曲線和附加黏滯阻尼均是與振幅相關的，對總有效阻尼的相對貢獻隨結構屈服后反應的程度而改變。例如，附加阻尼器的結構降低了屈服后的位移，從而也降低了由抗力系統所提供的滯回阻尼值。如果位移降低到屈服點，有效阻尼的滯回部分為零，有效阻尼為固有阻尼加上附加黏滯阻尼，如未設置阻尼系統，有效阻尼等于固有阻尼。