【JY】減隔震設計思考Ⅱ

建源之光 - 減隔震

2023年7月16日 14:08

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寫在前文

接上期的內容，繼續和大家分享一點感悟與心得，歡迎討論。

【JY】減隔震設計思考：隔震篇

特別注意：本文只代表個人觀點，非官方觀點。

抗震？減震？隔震？

隔震不一定比減震、抗震好，抗震也不一定差！是否應用減隔震應該根據工程具體而選擇，但前提是需要滿足性能要求。

（例如：變形空間或構造不允許的情況、高寬比過大的情況等等）

重點：抗震取消框架結構、常規減震僅應用在框架結構中、隔震重視構造。

抗震結構

抗震結構相對減隔震發展更悠久和成熟的結構體系。從各國的抗規和各專著中也可以學習到抗震精髓。

JY的建議是希望抗震設計不再采用框架結構，轉而用短肢剪力墻或剪力墻相關的結構體系。并且周期比和位移比可以相對放寬，畢竟在絕對的性能實力面前，框架結構太柔弱了。并且材料方面并不會增加多少！

更何況框架結構在很努力的去調整了很多系數去彌補強柱弱梁，實際上也是螳臂擋車，梁和樓板協同的性能太強了，很難實現強柱弱梁，不如直接放棄。

詳情可看：

【JY】這個房子應該做抗震or減隔震？

減震結構

目前減震的應用主要包括：變形類阻尼器、調諧類阻尼器

（至于搖擺墻等其他應用較少的減震措施之類，下次再談~）

變形類阻尼器的應用

（位移型阻尼器、速度型阻尼器）

層間布置阻尼器主要需要的是樓層的剪切變形，而在高層中，大部分采用帶剪力墻體系，幾乎是彎曲變形占主導，幾乎無法期待阻尼器的變形產生，除非剪力墻已經開裂等，即便在數值計算上，由于施工誤差效果也會大打折扣。即便是跨多層的層間布置，也只是稍微彌補缺陷。

因此，我們需要一個較柔的剪切體系（如框架結構），讓阻尼器提前發揮作用，以此來保護結構的安全性。因此，框架結構最好的歸屬應該是減震結構體系。

目前更多的是讓剛性子結構、剪力墻沖到第一防線，保護了阻尼器，阻尼器并無法發揮出完全的性能，期待阻尼器成為第二道防線？！這種做法是有悖于減隔震的理念的，切記我們要保護的是結構，而不是阻尼器！

所以變形類阻尼器減震設計最關鍵的是：讓結構在彈性階段時，層間剪切變形更大的釋放出來！并且構造措施要得當，特別是填充墻需謹慎施工，采取必要填充工藝，讓阻尼器可以盡力消能。

因此，若是采用常規不當的填充墻做法，開裂屬于構造不當的情況。

JY的建議：位移型/速度型阻尼器 布置在框架結構之中，而不可應用于帶有大量剪力墻的結構體系中，不要陶醉在虛假的數值計算中。

即便是高層，也可采用多阻尼器的框架結構，此時側向剛度可更多的讓位移型阻尼器提供。

即便遇到超高層，通常超高層由于側向剛度和建筑需求，基本采用框筒結構，主要變形是彎曲型變形。但是位移型/速度型阻尼器減震需要剪切變形空間。因此，當結構剪切剛度太剛時，這類阻尼器并不能很好發揮作用，此時若是強行采用層間布置變形類阻尼器只會吃力不討好、適得其反。此時，可采用外伸臂桁架加位移型/速度型阻尼器。充分利用彎曲變形產生的變形位移。

因此，減震體系不應承接抗震體系，而應該類似隔震體系一樣，繼承又獨立出一套標準進行分析。而不是減震體系≈抗震體系+附加阻尼比的形式進行分析設計。

調諧類阻尼器的應用

遇到了確實無法或較難產生相對位移時，例如超高層(除了伸臂桁架)難以產生剪切位移，樓板振動控制沒有相對出力位移點。可以采用TMD、TLD，甚至改進版的，電渦流阻尼器、慣容器、MTMD等等，這些不需要相對變形，更關注相對質量差的阻尼器進行調控。

隔震結構

隔震結構濃縮下來還是這句話：七分構造，三分算！

詳情可以看下：

【JY】減隔震設計思考：隔震篇

因此，應該在不同的情況采用不同的措施和方法，包括抗震、減震、隔震。

至陽至剛的降龍十八掌不一定比以柔克剛的太極拳差，恰當的地方選擇恰當的技術，因地制宜才是上策。

接下來討論關于減震結構的一些問題和看法！

減震的附加阻尼比？

對于減震的附加阻尼比，其實個人認為是不合理的，但迫于計算手段和歷史原因，這樣的做法只能稱作“不合理的合理”。與隔震結構的分部設計法有著異曲同工之妙。

附加阻尼比的來源是所有阻尼器共同對結構的貢獻，并且平攤到結構的每一處地方。使得整體的結構內力變小，從而得到配筋，使得結構得以落地。

因此，若是結構采用調諧型阻尼器、或者均勻密布變形類阻尼器。這樣的做法對構件的內力實際誤差會比較小。

但是，如果布置阻尼器噸位大、數量少、且集中，會使得結構附加阻尼比平攤得并不合理，低估了所謂子結構的構件內力，而可能會高估了處于距離阻尼器較遠的構件內力。因此并不能很好的反映結構真實內力。

因此，減震設計進步，需要采取更合理的計算手段。目前來說，并未見到更合理的等效線性的快速設計方法，期待學界的研究。合理選波的FNA法和動力彈塑性（直接分析法）可能具有一定離散性，但不失為一種接近真實表現的方法。顯式隨機模擬法是目前解決減震結構設計的良藥。

子結構彈性/不屈服

上述減震的附加阻尼比會低估了所謂局部子結構的構件內力，并且我們要保護好阻尼器能時刻與結構相互作用。好家伙！既然這樣一拍腦袋，直接把子結構做到大震彈性或者大震不屈服，把子結構構件做到最強！好一對臥龍鳳雛的做法。

構件定義

主結構：主要承受豎向荷載、同時能抵抗地震·風等水平荷載的結構，由柱、大梁、支撐、抗震墻等結構構件所構成。
減震構件：主要以消耗地震、風等水平動力荷載所產生能量為目的的結構構件，結構形式有支撐型、墻型、中間柱型、角撐型、剪切連接型等。此外，減震構件由 “減震阻尼器”和與主結構相連接的“連接構件”所構成。
減震阻尼器：主要用以消耗地震、風等水平動力荷載所產生能量的部分，即具有粘滯阻尼裝置或塑性滯回裝置的部分。當連接構件作為產品的一部分與阻尼器形成整體時，也可將連接構件包括在阻尼器之內。
連接構件：將減震阻尼器連接到主結構上的構件。
減震結構：主結構特定結構平面內設置有減震構件的結構。
粘滯阻尼裝置：利用高分子化合物的粘滯性或粘彈性材料的剪切變形所產生的阻尼抗力來消耗能量的裝置，以及利用高分子化合物或油在管道內流動時產生的節流阻抗力來消耗能量的裝置。本手冊研究的阻尼器是使用粘滯阻尼裝置的“油阻尼器”、“粘滯阻尼器”、“粘彈性阻尼器”。
塑性滯回裝置：主要是指利用金屬材料（鋼材、鉛）的塑性滯回產生的阻尼抗力消耗能量的裝置。同時也包括利用金屬材料界面的摩擦所產生的阻尼抗力消耗能量的裝置。本手冊研究的阻尼器是利用塑性滯回裝置的“軟鋼阻尼器”、“摩擦阻尼器”。

通常我們會采用下圖作為子結構的定義：

我們很希望在阻尼器極限位移或極限速度對應的阻尼力作用下，與阻尼器連接的支撐、墻、支墩應處于彈性工作狀態，且阻尼部件與主體結構相連的預埋件、節點板等應處于彈性工作狀態，不出現滑移或拔出等破壞。

如果阻尼器與連接構件處于串聯關系，那么連接構件或節點的損壞將大大降低阻尼器的有效變形，甚至失效，所以連接構件和節點應處于彈性工作狀態。這是我們對于子結構高性能要求的目的和想法。我們怕阻尼器還沒發揮完全的性能就失效了！但是我們又不能忘記，我們需要給阻尼器釋放的位移空間，不能鎖死。

理解了這一點本質，再談子結構的性能需求。一棒子打死，硬性提高子結構性能是不可取的，不如把子結構整個替換成剪力墻來得更實在。需要分情況進行討論。

直接連接型

直接連接型是指將減震構件直接與上部及下部樓層的主結構相連接，可直接將層間變形傳遞給減震構件。具體的形式有：支撐型、墻型、剪切連接型。對于直接連接型減震結構，由于阻尼器和子結構構成并聯關系，并聯關系！子結構在預期部件產生塑性鉸不會降低阻尼器的有效變形，不會影響阻尼器性能的發揮，所以子結構的大震性能不需要過強。子結構的內力和損壞程度主要取決于在地震下的變形，與消能部件沒有直接關系。過強的子結構性能只會鎖死阻尼器的發揮。

間接連接型

間接連接型是指將層間變形通過梁或短柱等的彎曲變形間接傳遞給減震構件，由梁或短柱變形引起的減震構件的變形將小于層間變形。具體的形式有：中間柱型、角撐型、節點型。對于間接連接型減震結構，由于梁或柱兼起連接構件的作用，所以與消能部件連接的梁或柱構件不應損壞，需要提高構件性能！但是帶來的問題依然是過強的子結構性能只會鎖死阻尼器的發揮。JY建議是在梁柱上增加鋼鉸節點，釋放位移！

其他類型

其他類型是指利用主結構的總體變形或設置放大裝置將層間變形放大的類型。具體的 2形式有：柱型、懸臂型、放大裝置型等。其中的柱型減震構件容許高寬比大的建筑物產生受拉變形獲取減震效果，故也稱為階梯柱型。

不論哪種類型的子結構，我們始終保護的是結構，而不是阻尼器！消能子結構作為主體結構的一部份，若加強子結構則由于能量集中到加強的構件上而難以被阻尼器吸收，同時層間變形的減小也導致能量吸收的減小，所以消能子結構的性能定義太高對阻尼器耗能是不利的，且不如直接將子結構換成剪力墻，轉而采用抗震設計。

因此減震子結構設計本質上需滿足兩點：

1、阻尼器極限位移或極限速度子結構連接可靠！

2、子結構彈性下需要釋放足夠的變形空間給到阻尼器工作！

二者矛盾又統一，缺一不可。