【行业知识】刚度 vs. 阻尼-消能减震结构阻尼器类型的选择

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引言

如何选择合适的阻尼器类型是减震结构设计的关键问题。消能系统对主体结构的作用主要体现在附加有效刚度和附加有效阻尼两方面（有效刚度也叫储存刚度，有效阻尼的作用可以用损失刚度来反映，储存刚度和损失刚度的定义如图0.1所示）。本文基于能量平衡准则，推导出满足相同位移减震目标消能系统的损失刚度与储存刚度的相对关系，从而为消能减震结构阻尼器类型的选择提供设计依据。

图0.1 储存刚度和损失刚度的定义

阻尼器的类型

阻尼器的类型主要有位移相关型和速度相关型两大类。

位移相关型阻尼器利用金属材料（钢材、铅）的塑性滞回所产生的阻尼抗力来消耗能量的装置，以及利用金属材料的界面摩擦所产生的阻尼抗力来消耗能量的装置。主要有屈曲约束支撑（BRB）、软钢剪切阻尼器（SPD）和摩擦阻尼器等，如图1.1所示。

图1.1 位移相关型阻尼器

速度相关型阻尼器利用高分子化合物的黏滞性或黏弹性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所产生的阻尼抗力来消耗能量的装置。主要有黏滞阻尼器（VFD）、黏滞阻尼墙（VFW）和黏弹性阻尼器（VED）等，如图1.2所示。

图1.2 速度相关型阻尼器

储存刚度 vs. 损失刚度

地震波输入到减震结构的总能量，主要由主体结构和消能系统所平衡。控制主体结构的最大变形相同，当结构发生最大变形时，主体结构储存和耗散的能量基本相同，其余的能量由消能系统储存或耗散掉。通常消能系统对减震结构的总质量影响较小，采用不同的减震方案，地震波对结构输入的总能量基本一至，消能系统储存和耗散能量之和基本相同，从而可以推导出消能系统对于相同位移减震目标的储存刚度Kd,S和损失刚度Kd,L的相对关系，如图2.1和图2.2所示。从图中可以看出，随着消能系统储存能量的增加，消能系统需求的储存刚度越来越大或随着消能系统储存能量的减小，消能系统需求的损失刚度越来越大，储存刚度为零时的损失刚度与损失刚度为零时的储存刚度的比值约为0.18：1，也即当消能系统起主要耗能能量作用时，减震构件的内力会比抗震构件的内力小很多，可以大大降低其对主体结构的影响。如果已知消能系统的储存刚度与损失刚度的价格相对关系（例如已知BRB和黏滞阻尼器的吨位与价格的成本曲线），理论上可以计算出对应于某一减震方案，消能系统的总成本最低。

图2.1 消能系统的储存刚度和损失刚度

(a) Ed,c/Ed=1

(b) Ed,c/Ed=.75

(d) Ed,c/Ed=.25

(e) Ed,c/Ed=0

图2.2 消能系统的滞回曲线

我国抗震规范的地震反应谱曲线

我国抗震规范的地震反应谱曲线分别如图3.1所示（拟速度反应谱反映的是地震波对结构输入能量的相对大小）。根据我国抗震规范的地震反应谱曲线，周期越长，地震波对结构输入的能量越大，特别是当结构的周期超过5Tg后，随着周期的增加，地震波对结构输入的能量陡然增大。当采用消能减震技术时，由于随着周期的延长，输量能量反而更大，增加的输入能量大大抵消了阻尼器所耗散的能量，所以有中国特色的地震反应谱曲线制约了消能减震技术在国内高层和超高层结构中的推广和应用。《建筑隔震设计标准》（征求意见稿）已对地震反应谱曲线作了修正，以更合理地考虑消能减隔震技术的有效性。

(a) 拟加速度反应谱

(b) 拟速度反应谱

图3.1 地震反应谱曲线

减震结构设计算例

根据图4.1的减震目标性能曲线，设计两种减震方案，一种是金属阻尼器减震方案，一种黏滞阻尼器减震方案。金属减震方案，等效周期为1.15秒，等效阻尼比为10%（附加有效阻尼比为5%）；黏滞减震方案，等效周期为1.3秒，等效阻尼比为13.5%（附加有效阻尼比为8.5%）。

图4.2 给出两种减震方案的消能部件布置，X向布置黏滞阻尼器，Y向布置金属阻尼器。图4.3给出根据直接设计法设计的消能部件的设计参数，由于金属消能系统附加有效刚度的影响大于黏滞消能方案，金属消能系统阻尼器的吨位和连接支撑的刚度均大于黏滞消能方案。

图4.4和图4.5分别给出两种减震方案的层间位移角和层剪力曲线，从层间位移角曲线可以看出，两种减震方案都能满足位移减震目标的要求，由于金属减震方案附加的有效刚度较大，所以层剪力也比黏滞减震方案大。图4.4和图4.5分别给出两种减震方案的能量平衡图和阻尼器的滞回曲线，由于黏滞减震方案附加的有效刚度较小，所以黏滞阻尼器耗散的能量较金属减震方案多，但黏滞阻尼器的内力比金属阻尼器的内力小。