1、 分类号UDC密学级号 1108140748硕士学位论文设置金属阻尼器建筑的减震性能分析及方案优选赵乐乐学科门类：学科名称：指导教师：申请日期：工学结构工程李哲教授2014年 2月 摘要论文题目：设置金属阻尼器建筑的减震性能分析及方案优选学科名称：结构工程研究生：赵乐乐指导教师：李哲签名：签名：摘要消能结构的减震效果显著，这一优点使得这种结构在高烈度地区的实际工程中有广泛的应用前景，尤其在新建建筑和震后建筑的加固中应用形式和范围更广。近几十年来，国内外学者进行了大量研究，主要对各种消能装置进行试验研究和理论分析，取得了诸多研究成果，现实意义重大，消能减震技术也愈发成熟，我国建筑抗震设计规范(G2、B50011-2010)中，也有消能减震的相关内容，金属阻尼器是其中的一项。我国学者对于金属消能阻尼器也做了理论和试验的研究，并取得了一些成果。目前，金属阻尼器在结构中应用，但对其使用效果的详细分析并不多见，有必要进行进一步的研究。在此背景下，基于已有的消能减震研究成果，本文进行了以下几个方面的工作：（1）分析介绍了金属阻尼器的力学性能和计算模型，阐述了金属阻尼结构的分析与设计方法。（2）采用有限元软件ANSYS，以一个12层的框架剪力墙结构为研究对象，建立无控结构、消能结构和支撑结构三种不同的结构模型，经过模态分析得出三种结构的自振特性，并选取适当的地震波，对三种结构模型进行罕遇地震下的时程3、分析。分析结果表明，在结构中加金属阻尼器，减震效果明显。（3）对金属阻尼器布置方案进行优选，以设置了金属阻尼器的12层框架-剪力墙结构为研究对象，在使用相同数量阻尼器的情况下，采用两种布置方式，对比其控制效果。分析结果表明，以层间位移角为控制函数的布置方案能有效的控制层间位移；均匀布置方案减震效果明显，布置方法简单，在实际工程中可行性较高。关键词：消能减震；金属阻尼器；时程分析；优化布置I 摘要Title: Analysis and Optimization Selection of Metal DampersInfluence on the Structure under the Earth4、quakeMajor: Structure EngineeringName: Lele ZhaoSignature:Signature:Supervisor : Pro. Zhe LiAbstractPassive energy dissipation structures have effective reduction of structural response. Theadvantages make the structure have extensive application prospect in high intensity areas inpractical engineer5、ing, especially in the construction of new buildings and reinforcement ofbuilding after an earthquake. In recent decades，studies on experiments，theoretical analyses anddesign methods of various energy dissipation devices have made great development, which is ofgreat significance. Energy dissipation 6、damping technology is also increasingly mature. Atpresent，contents related to passive energy dissipation have been written to the China SeismicCode(GB50011-2010).Among it, the use of mental dampers is the technology needed to beemphasized and popularized. Chinese scholars for the metal energy dissip7、ation dampers alsomade theoretical and experimental research, and obtained some achievements. At present, themetal damper applied in the structure, but detailed analysis of its use effect does not see more,there is a need for further research. In this background, based on the energy dissipation damp8、ingof the existing research results, this article has carried on the following several aspects work:(1)The paper analyze mechanics capability and computation models of the mental damper ,expatiate the analytical and design methods, and discuss the application and optimize dispose ofthe mental damper9、 in the frame shear wall structure control.(2)A finite element method ANSYS Program is used to analyze the frame building with12-layer frame shear wall structures. Established three difference structural models withstructure without dampers, structure with support, structure with dampers, we can get10、themselves vibratory features by modal analysis. And then chooses representative seismic wave,to carry on the dynamical time-historical analysis and discusses the dynamic response anddamping performance of the structure under severe earthquake. Analysis results show that，Addmetal dampers in structur11、e, damping effect is obviously well.(3)With 12-layer frame shear wall structures as the research object in optimize dispose ofmental dampers. There are two ways of optimize dispose in the framework, compared thecontrol effect between different methods. Analysis results show that，it can effectively c12、ontrolthe displacement between the layers using interlayer displacement angle as the control functionof layout scheme ; The effect of uniform layout damping is obvious and method is simple. TheIII most important thing is that, engineering feasibility is higher in the practical.Key words：energy dissi13、pation；metal damper； time-history analysis ;optimum arrangement 目录目录1绪论. 11.1选题背景及意义.11.2结构减震控制分类.41.3耗能减震结构的优点及应用.61.4消能减震技术的研究进展和现状.71.5本文主要研究内容.102金属阻尼器.112.1阻尼器的参数研究.11引言.11阻尼器的参数研究.112.2确定恢复力模型.122.3主体结构分析模型.14结构分析模型分类.14结构层间模型.15a.层间剪切型模型.16b.层间弯剪型模型.17c.等效的层间剪切型模型.172.4结构时程分析的参数确定.18阻尼装置的分析模型14、.18恢复力模型.19运动方程.19刚度矩阵.20刚度修正.22阻尼矩阵.223金属阻尼器减震结构的分析与设计方法.253.1金属阻尼器减震结构的分析方法.25时程分析法.25选择地震波.26恢复力模型.283.2金属阻尼结构减震设计方法.29消能减震结构的适用范围.29消能减震结构设计的性能标准.29 消能器选择和布置原则.30a.选择消能器.30b.布置消能器.30设置金属阻尼器结构的设计步骤.313.3设置金属阻尼器结构的减震设计过程.32确定金属阻尼器的数量.32金属阻尼器的布置位置.33a.以层间位移角（或层间位移）为控制函数.33b.以控制力为控制函数.33c.以层间位移和层位移为15、控制函数.33d.以层间位移和顶层位移为控制函数.344、消能支撑结构的减震性能分析 .354.1有限元软件ANSYS介绍.354.2结构计算模型的建立.36模型的基本数据.36结构布置方案的选取.37金属阻尼器的分析.38结构模型说明.39模态分析.40地震波的选取.424.3三种结构的抗震性能分析.44三种结构在罕遇地震下顶层位移以及顶层加速度的比较.44三种结构在罕遇地震下各层层间位移以及各层加速度的比较.46结构基底剪力和弯矩的比较.484.4软钢阻尼器的耗能减震效果分析总结.505、消能支撑对结构的其他影响分析 .515.1无控结构和安装消能支撑结构的层间位移比较.515.2安装消能16、支撑前后结构的轴力变化情况分析.51引言.51无控结构的框架柱轴力统计.52安装消能支撑后的框架柱轴力统计.536、设置金属阻尼器减震结构的方案优选设计研究 .556.1优选方案设计原则和设计步骤.556.2优选方案设计.55 目录结构方案优选设计中的目标函数选取.55方案优选设计说明.55金属阻尼器循环布置方法及过程.566.3结构两种布置方案计算结果及比较分析.59两种方案的计算结果.59两种方案各层阻尼器布置数量的比较.65两种方案的计算结果对比分析.656.4小结.667结论和展望.677.1结论.677.2展望.68致谢 .69参考文献 .71 1绪论1 绪论1.1选题背景及意义引起17、结构振动的原因有自然振动和环境振动，自然振动分为地震和风振，环境振动分为交通振动、设备振动和机械振动等，其中以地震带给结构的灾难最为严重，本文着重介绍减小地震影响作用的控制方法。地震又称为地振动或者地动，是地壳快速释放能量过程中所造成的振动，同时会伴随产生地震波的一种自然现象。地震给人们带来的危害是巨大的，它给人们造成财产损失，严重时还有对生命的危害，它可能会引发水灾、火灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散，还会引起很多次生灾害，如：滑坡、泥石流、地裂缝等。地球上每年约发生 500多万次地震，即每天要发生上万次地震。其中绝大多数太小或太远以至于人们感觉不到；真正能对人类造成严重危害的地震大约18、有一二十次；能造成特别严重灾害的地震大约有一两次。我国处于环太平洋地震带上。我国地震主要分布在六个区域：台湾地区、西南地区、西北地区、华东地区、华北地区和东南沿海地区。图1-1世界地震分布Figure.1-1The distribution of earthquake表 1-1中国主要地震带Table.1-1 Chinas major earthquake zone台湾带海原-松潘-雅安带河西走廊带炉霍=乾宁带天山带闽粤沿海带东北深震带营口-郯城-庐江带山西带马边巧家通海带冕宁西昌鱼鲊带腾冲-澜沧带花石峡带哀牢山带兰州-天水带河北平原带渭河平原带银川带拉萨-察隅带西藏西部带地震灾害的特点：地震19、灾害具有瞬时性。地震在瞬间发生，地震作用的时间很短，最短1 几十秒，最长两三分钟就造成山崩地裂，房屋倒塌，使人猝不及防。人类辛勤建设的文明在瞬间毁灭，地震爆发的当时人们无法在短时间内组织有效的抗御行动。地震造成的伤亡大：地震使大量房屋倒塌，是造成人员伤亡的元凶。尤其一些地震发生在人们熟睡的夜间。据不完全统计，二十世纪全球灾害死亡总人数超过120万人，其中伤亡人数最多的就是1976年7月28日我国唐山7.8级地震死亡24.2万余人，重伤16.4万余人。这主要是因为以前我国的房屋抗震能力差，人口密集。统计表明，约60%的死亡是抗震能力差的砖石房屋倒塌造成的。地震的危害是显而易见的可以概括为以下几点20、：1、造成经济损失，是人类文明毁于一旦：（1）造成建筑物与构筑物的破坏，如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等，一些建筑物是人类文明的结晶，具有不可复制性，一旦在地震中被毁坏，将永久地在地球上消失，它对人类文明而言是一次浩劫；（2）灾后重建需要大量资金支持，它在一定程度上是对资源的浪费，如若不发生地震，这些重建资金将会用于经济发展和社会建设，地震的发生影响了社会发展的进程；2、威胁人身安全，造成心灵创伤：（1）对于遇难者而言，地震残酷的剥夺了他们生存的权力，使他们较早的结束了生命，使生命之花瞬间凋零；（2）对于幸存者而言，面对地震中的妻离子散和家破人亡，给他们的心灵带来了严重的甚至是不可修21、复的创伤，使他们的生活笼上了挥之不去的阴霾；3、引发次生灾害，使灾区雪上加霜：地震常常会引发滑坡、泥石流、并伴有暴雨的出现，增加了抢险救灾的难度。为了减轻地震危害，除了在地震发生前的预防工作，地震发生后的救灾工作，增强建筑结构本身的抗震性能也是一条很有效的途径。21世纪的地震频发，人们对于地震的设防也越来越重视，不仅把抗震设防作为一条强制规范，最新的抗震规范GB50011-2010更是把抗震设防措施明确细化，将抗震普及到建筑结构设计中的每一步。但是，虽然建筑结构抗震设计的理论和方法都有很大的发展，因为地震有极大的不可预见性，将降低地震灾害的途径仅仅依赖于结构自身的抗震性能，可靠性还是不能得到完22、全的保证，而且这样也不经济。此外，由于近年来经济高速发展，结构内部的设备及其功能保持的重要性和价值已经远远超过了结构自身，在强震下，即使结构没有倒塌，没有造成人员伤亡，所造成的经济损失和社会损失可能也是巨大的，无法弥补的。2011年3月11日日本东北部海域发生的9.0级大地震，引起40.5m海啸，东北地方部分城市遭到毁灭性的破坏，期间所引发的福岛核泄漏事故更是被日本子能安全保安院列入国际核事故中最严重的第七级，与前苏联切尔诺贝尔核灾难看齐。大地震导致大规模的地方机能瘫痪和经济活动停止，政府要追加预算，推动震后重建。至2013年6月，311大地震的经济损失已经达到2100亿美元，是阪神大地震的123、.8倍。下表为2000年以来世界地震发生的人员伤亡和经济损失。2 1绪论图1-2 2008年5月12日汶川地震Figure.1-2The Wenchuan earthquake on May 12, 2008表1-2近十年地震人员伤亡和经济损失Table.1-2 Nearly a decade earthquake casualties and economic losses发生时间地点强度6.28.77.38.08.07.38.87.19.0伤亡人数2300232010654692271000222600802直接经济损失阿尔及利亚印尼苏门答腊印尼爪哇岛中国汶川8451亿萨摩亚群岛海地77.24、5亿300亿33.25亿12044亿智利康塞普西中国玉树268915645日本东北部海域因此，随着建筑使用功能要求的日益提高，对结构抗震性能也不再是以不倒塌为设防目标，而是要保证在震时和震后仍保持良好的结构性能，维持或者不影响其正常使用功能。至今，工程结构抗震已经不单单是为了防止结构的倒塌破坏，而是要保证整个结构地震响应控制在一定范围以内，既保证使用的安全性，而且不要造成较大的经济损失。为了减少地震灾害，近年来土木工程领域一直在进行结构抗震的研究，传统的结构抗震体系主要有以下几种：刚性结构体系：结构具有很高的抗侧刚度和较大的承载力。这种体系的刚度大、自振周期小，所受的地震作用力较大，在大多数情25、况下不经济，难以实现。柔性体系结构：结构的抗侧刚度较低。这种体系由于刚度较低，所以建筑物的位移较3 大，导致建筑装饰等非结构构件损坏严重，并且在风荷载或者多遇地震下变形较大，影响正常使用。柔软底层结构体系：保证了结构的上部刚度，但是吧结构的底层刚度降低，使结构在地震时能进入非弹性状态。这种结构可以有效的减少上部结构的地震响应，但是，由于结构底层的p-效应很大，容易导致底层柱严重破坏，甚至引起结构倒塌。而且，国内外的很多次地震灾害都说明了这种体系是失败的。延性结构体系：适当的控制结构的刚度和必要的承载力，并保证结构的构件（梁，柱，墙，节点等）具有良好的延性，地震来临时，这些构件可以进入非弹性状态26、，耗散大量的地震能量，减轻地震反应，从而使结构达到“坏而不倒”。但是这种结构是以主要构件进入非弹性状态为代价来避免结构在地震中的倒塌破坏，在震时能起到作用，但是在震后，往往很难修复。并且，很重要的一点，这种结构体系虽然能在设防烈度内避免结构倒塌，但是非结构构件及内部贵重的仪器设备会遭到严重的破坏。所以，这种结构体系也是很不经济的。综上，上述四种结构体系存在着这样或那样的不足，不能满足结构对抗震越来越高的要求。在传统的以“抗”为主的抗震设计面临尴尬的情况下，以“控”为主的结构抗震技术应运而生，并且得到了迅速的发展。结构的减震控制，就是造结构上设置减震机构，由该机构和结构共同抵御地震力，以此来减少27、结构的动力响应，满足结构的安全性、适用性、耐久性和舒适性的要求。1.2结构减震控制分类结构减震控制，根据是否需要外部能量输入可以分为五类：被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制以及智能控制，如下图1-3所示。（1）、被动控制（Passive Control）将耗能装置或子结构系统加在结构中，并且进行构造上的一些处理，使得结构自身的构件发生一些变化，以此来改变结构的动力特性。对于被动控制，它不需要通过外部能量来控制，控制过程也不依赖结构反应和外界干扰信息。被动控制有很多优点，它的构造相对简单、造价也比主动控制低廉、适用范围广、维护方便，最主要的是，它不需要外部能源的支持等，所以工程界对被动控制28、广泛关注，被动控制也是目前开发和应用的热点，它的技术现在已日趋成熟，在实际工程中得到应用。（2）、主动控制（Active Control）主动控制与被动控制最大的区别就在于，主动控制需要外加能源，控制装置为其提供控制力，实时监控输入的激励和结构的反应，根据计算和分析的结果利用外加能源主动给结构施加控制力，把结构在地震力和其他动力荷载作用下的响应控制在一个可接受的范围之内，从而达到保护结构和设备的目的。主动控制系统由施力作动器、运算器和传感器组成，是将自动控制技术和现代控制理论相结合应用到结构控制中的新技术。主动控制的效果比被动控制要还一些，但是控制系统的结构非常复杂，造价也很高，而且还需要很大29、的外部能量输入，4 1绪论广泛应用到实际工程还是有比较大的困难。（3）、半主动控制（Semi-Active Control）半主动控制是以被动控制为基础，再加以少量的外加能源控制，他的控制力虽然也是由控制装置自身的运动而被动产生的，但是在控制的过程中，控制装置可以用外加能源主动调整自身的参数，起到调整控制力的作用。跟主动控制相比，半主动控制具有被动控制的良好的可靠性，同时又具有主动控制的较强适应性。半主动控制也有几种形式：主动调谐参数质量阻尼系统、可变刚度系统、可控摩擦式隔震系统、可变阻尼系统等。（4）、智能控制（Intelligent Control）智能控制系统的原理与主动控制系统的原理基30、本相同，不同的一点是，实加控制力的作动器是由智能材料（形状记忆合金、磁变电流、电流变液、压电材料等）制作的智能阻尼器或者智能驱动器。如果用智能控制算法，不需要有像主动控制系统那样精确的结构计算模型，控制力也不需要很大。（5）、混合控制（Hybrid Control）在同一个结构上，同时运用主动控制系统和被动控制系统，或者同时运用不止一种控制系统，有效的发挥利用每一种控制装置系统的优点，克服各种装置系统的缺点，获得更好的控制效果。与单独的主动控制和被动控制相比，混合控制可以通过被动控制耗散大量的振动能量，也可以利用主动控制系统来确保控制的质量效果，而且比单独的主动控制耗能要少。五种控制技术相比较31、：被动控制造价低，耗能少，但是减震效果很明显，其中的基础隔震技术已经很成熟，不且得到广泛的推广应用；智能控制和主动控制的效果非常好，但是耗能很大，需要的外加能源多，而且控制装置和算法复杂，一般的中小型建筑不能满足他的要求，所以他的应用受到限制，推广应用较少；半主动控制介于主动和被动控制之间，他的造价比主动控制低，效果要比单独的被动控制好，精确度高，并且耗能也不是很大，所以他的发展前景比较好；混合控制综合了几种控制方法的优点，避免了缺点，控制效果也很好，所以他的前景也很广阔。5 图1-3结构减震控制分类Figure.1-3 Classification of structural vibrati32、on damping control1.3耗能减震结构的优点及应用耗能减震结构与传统的抗震结构体系对比，具有以下的几种优点：（1）安全性在传统的结构抗震中，主要承重构件（梁、柱和节点等）作为结构本身的“耗能”构件。按照传统的抗震设计方法，出现不同程度的损坏在结构抗震中是允许的。但是由于地震本身有很大的不确定性，结构抗震设计也和实际有误差，所以结构在地震时的损坏程度是很难控制的，特别是在罕遇大震下超过结构本身的抗震设防烈度时，结构的安全就更加难以保证。对于耗能减震体系，耗能构件是非承重的，不承担结构的荷载，他的使用功能是在结构发生变形过程中发挥消能的作用，也就是说，它不对结构的承载力和安全性能不33、构成任何影响或者威胁；结构的消能减震元件具有极大的耗能能力，如果在结构中特别设置耗能构件或者耗能装置，在大震时他们能率先耗散掉大部分的地震能量，从而迅速衰减结构的地震反应。（2）经济性传统的结构抗震是采用“硬抗”的途径，也就是通过加强结构强度、加大梁柱断面、加大配筋等途径图稿结构的抗震性能，这样做使结构的成本造价明显提高。耗能减震体系是通过“柔性”来减小地震响应，即：减少结构中剪力墙数量，减小结构的断面，减小配筋，增加耗能构件，从而使结构的抗震性能反应提高。耗能结构体系与传统的结构抗震结构相比较，可以节约造价约 5%-10%左右。6 1绪论（3）技术合理性传统结构抗震是通过加强结构，提高结构的34、侧向刚度以满足结构的抗震要求，但是结构的刚度越大，地震作用下的响应也越大，这种方法在结构的安全性和经济性上都有一定的局限性，同时对于高层建筑和超高层建筑，还有跨度较大的结构以及桥梁等的发展也会造成一定的制约。耗能减震结构是在结构中设置耗能构件或者是设置消能装置从而实现消能减震效果的，它能够在结构出现大变形的时候能够迅速耗散掉大量能量，是结构在大震中保证安全。减震的效果也和结构的高度、柔度和跨度有关，这三个参数越大，减震的效果也就越明显。今后，如若采用高强轻质材料的高柔结构，消能减震技术将会成为实现这些结构的合理的新途径。耗能结构抗震体系具有上述的各种优点，它已被广泛的应用到工程结构减震中，特别35、是以下几种结构：高层、超高层结构；高柔结构，高耸塔架；大跨度桥梁；柔性管道、管线；已有建筑的抗震加固。1.4消能减震技术的研究进展和现状消能减震技术中用到的主要结构是阻尼器， FEMA274将其分为速度相关型阻尼器、6 39位移相关型阻尼器40和其它类型，这种分类方法与我国现行的抗震设计规范一致。速度相关型阻尼器的阻尼特性与加载频率有关，其恢复力特性即与阻尼器两端相对变形有关，又与速度和加速度有关，常见的有粘弹性阻尼器和粘滞性阻尼器。位移相关型阻尼器的耗能有40 38两个影响因素，即它自身的形变和相对滑动位移，当位移达到设定的起动限时，阻尼器就开始发挥消能作用，常见的位移型阻尼器有摩擦阻尼器和36、金属阻尼器。消能减震设计标准的发展7-11：近年来，随着各国在消能减震体系方面研究的深入，许多国家相继制订出台了相应的消能减震结构设计、施工规范和规程。1992年，美国消能研究组织(EDWG)制订了一系列试行条款，这些条款规定了粘弹性阻尼器、金属消能器、粘滞流体阻尼器的设计方法，并提出，在设计的地震荷载作用下，假定消能器已经进入了弹塑性工作状态，而主体结构仍然保持弹性工作状态。我国的建筑结构抗震设计规范(GB50011-2010)中也已经增加了消能减震方面的相关内容，为加速实施该项技术。规范对消能装置的性能以及安装技术等都提出了要求，并对消能减震结构的分析提出计算原则。耗能减震技术的应用非常广37、泛，即可以用于新建建筑的振动控制，也可以用于现有建筑的抗震加固。1993年，Bracel研究了一种利用粘弹性阻尼器对钢筋混凝土结构进行抗震加固的方法，并且做了实验，在一个1:3的三层结构的振动台上。实验结果得出，将粘弹性阻尼器增加在非延性的钢筋混凝土结构中，结构在强震作用下的抗震性能能够有效地改善。消能减震技术在我国的工程应用方面也得到了迅速发展。十多座单层、多层工业厂房结构中已采用摩擦耗能器，国产的JARRET粘滞弹簧阻尼器也使用到北京饭店和北京火车站等结构的7 加固工程中，宿迁市交通大厦的减震设计中应用到粘弹性阻尼器17。上述提到的消能减震技术，是国内外的在已建建筑加固及新建建筑设计方面消38、能减震技术的工程应用，但是国内外在消能减震技术理论方面的研究起步、成果少11。近些年来，有人以我国规范中的“小震不坏、中震可修、大震不倒”作为抗震设计目标，提出了消能减震结构“三阶段”性能设计方法，这些方法需结合实际情况发挥各自的优点，避免缺点，进行研究和深化，找出普遍合理适用的设计方法，广大设计人员才可以在这些相关的规范指导下进行设计17。我国新修订的减震抗震设计规范（GB50011-2010）中也规定了消能减震结构的设计，规定中指出，消能减震设计通常情况下宜采用非线性时程分析方法或静力非线性分析方法，可通过线性分析方法简单估算主体结构处于弹性工作阶段时的性能。同时也给出了计算消能部件附加的39、有效阻尼比的公式。本文主要说明位移阻尼器中的金属阻尼器。在结构中加金属阻尼器，地震来临时，利用金属材料的非弹性变形来耗散结构的能量，是一种比较有效的方式。上世纪70年代，skinner和Kelly 等通过大量的实验和理论研12究，提出了一种设计方法：在结构中安装金属阻尼器，通过阻尼器自身耗散大部分地震能量。金属材料具有良好的滞回性能37，尤其是在进入塑性以后，金属阻尼器即是利用了金属材料的这一特性，阻尼器用屈服点较低的材料制作，在地震来临时，阻尼器先于结构发生屈服，耗散掉大部分地震传给结构的能量，以此来达到消能减震的目的。金属阻尼器有很多优点：稳定的滞回性能、良好的耗能能力、构造简单、造价相对40、来说也不算高、对环境有良好的适应能力和便于维修维护等，正是由于这些优点，国内外学者对其广泛关注，研究和开发了多种形式的阻尼器类型，比较常用的有软钢阻尼器、铅和形状记忆合金阻尼器等。其中，软钢阻尼器的应用最为广泛。下面着重介绍几种形式的软钢阻尼器：Skinner等12学者最早研究并研制出几种软钢阻尼器，主要包括扭转梁软钢阻尼器、弯曲梁软钢阻尼器和u型软钢阻尼器。最初开始研究金属阻尼器，以上的几种阻尼器的发展和设计都不成熟，但对于实际抗震来讲，有很大的意义。Tyler研制了一种锥形钢棒耗能器，它可以在任何方向上变形，给结构提供任意方向13上的阻尼，当地震来临时，这种锥形钢棒耗能器可以耗散各个方向上41、的地震能量。上世纪90年代，美国学者Whitter等和台湾学者Tsai 等分别对以下阻尼器进行了14 15研究：多块X形或三角形钢板叠加而成的X形和三角形软钢阻尼器。这两种阻尼器有个优点，它们都是平面外受力的元件，在同一高度上，应力应变是相同的，当钢板发生侧向弯曲时，相同厚度的钢板同时进去屈服状态，几乎同时进入塑性，充分发挥了材料的性能，是装置的耗能能力大大提高16。YasushiKurokawa等人提出了一种蜂窝状的软钢屈服耗能器，这种阻尼器安装在墙和17梁间，用来增加墙体和框架的耗能。将这种阻尼器安装在梁间有一个比较明显的优点，就是不用给结构增加额外的支撑，使建筑功能布局更加灵活。另外日本42、Kajima公司还开发了钟8 1绪论型耗能器和Tsudumi耗能器，将这种阻尼器安装在相邻建筑之间，通常即使是相邻建筑，振动频率也有一定的差异，利用这种差异也可以消耗地震能量18。1997年Mito等通过试验研究了一种矩形剪切板阻尼器。2003年Tirca 等提出了一19 20种平面内受力形式的钢阻尼器。这两种阻尼器均采用钢板平面内受力的方式，在很大程度上提高了金属阻尼器的初始刚度及屈服力。我国学者对于各种新型金属阻尼器的研发在90年代也逐步开展起来。欧进萍、周40 21云、李宏男 、邢书涛等都针对以往阻尼器的不足，设计了新型的软钢阻尼器并进22-25 26-27 28行了相关的试验研究。金属43、阻尼器的研究历史虽然不长，但是也不乏一些应用到实际中的例子。新西兰一幢六层办公楼是最早应用金属阻尼器的建筑，它在预制板的斜撑中安装了一种钢管耗能装置。在意大利那不勒斯，锥形软钢阻尼器30被应用于钢结构中，悬挂在建筑的核心筒和楼板中间。日本是一个多灾多震的国家，在抗震方面的实例也很多，在金属阻尼器的消能减震方面也不乏范例，主要包括无粘结支撑、蜂窝状耗能器和低屈服点钢阻尼器31-32。x形软钢阻尼器的研究和开发比较早，是一种形式简单的耗能装置，应用也相对广泛。在墨西哥，x形软钢阻；在美国，x形软钢阻尼器还被应用到桥梁尼器被应用到三幢钢筋混凝土建筑加固工程中33的抗震加固中34-35。金属阻尼器在我44、国的发展起步相对就要晚一些，但是也有一些工程应用实例。在台湾的一些新建结构中，三角形软钢阻尼器和无粘结支撑阻尼器应用的较多。台湾的金华城休闲购物中心，位移型和速度型阻尼器减震对比研究及优化设计中心采用了270组三角形软钢阻尼器3641。李宏男等人在大连理工大学综合实验楼中设置了双X形和单圆孔形软钢阻尼器，在地震作用下，这种阻尼器也显示了良好的控制效果18。9 1.5本文主要研究内容本文根据金属阻尼器的国内外发展状况和研究现状，研究的主要内容基本如下：（1）分析金属阻尼器中的软钢阻尼器的恢复力模型、基本原理和参数等影响因素，并结合我国高层设计规范和大型有限元分析软件ANSYS，针对安装有金属阻尼45、器的钢筋混凝土框架剪力墙结构建立有限元模型进行分析。（2）建立传统的框架剪力墙结构（无控结构）、框架剪力墙支撑结构（支撑结构）和安装有软钢阻尼器的框架剪力墙结构（消能结构）三种模型进行计算，并且对比分析三种结构体系的减震效果。（3）通过建立不同位置的金属阻尼器模型并对其进行分析，探讨布置位置对减震效果的影响，为以后的结构设计提供参考。10 2金属阻尼器2金属阻尼器金属阻尼器是位移相关型阻尼器的一种，位移相关型阻尼器的耗能与其自身的变形和相对滑动位移有关，当位移达到预定的起动限时即可发挥消能作用。金属阻尼器是利用金属材料的非弹性变形作为其耗能原理的。1970年Skinner和 Kelly等人通过46、实验和理论研究，最先提出了将金属阻尼器安装在结构中，以此来耗散大部分地震能量。金属材料在屈服以前具有良好的滞回性能，金属阻尼器利用金属材料的这一特点，在大震来临时，由于金属阻尼器的屈服点较低，它先于结构发现屈服，耗散大部分能量，以此来达到效能减震的目的。金属阻尼器具有很多优点：滞回性能稳定、耗能能力强、构造简单、对环境和温度的适应能力强、维护方便等。由于这些优点，国内外学者对金属阻尼器广泛关注，研究并开发出了多种阻尼器的类型，有软钢阻尼器、铅和形状记忆合金阻尼器等多种形式的阻尼器，其中软钢阻尼器的应用最广泛。2.1阻尼器的参数研究引言以往对于阻尼器也进行了很多研究，但是多集中在对于阻尼器的参数47、变化研究上以及对其进行优化设计上，还有对阻尼器施加不同的激励，研究其在不同激励情况下的减震效果。在实际应用中，根据阻尼器的减震机理不同，将其适当的加在合适的结构形式中，充分发挥阻尼器的消能减震效果，这也对阻尼器的发展有很大的推动作用。对结构进行地震作用下的动力时程响应分析，主体就是结构的计算模型，必须建立适当的模型，才能进行分析并得到与实际相符的计算结果。层模型是一种比较简单的分析模型，它的自由度小，在进行薄弱层分析、层间位移分析、结构定点位移分析和结构刚度特性分析时一般都选用层模型。选用层模型进行分析可以将其分析结果与反应谱分析的结果进行对比，我国以及大多数国家已经在规范中将单自由度的层模型48、规定为反应谱分析的选用对象。但是，不管是我国的现行抗震规范还是其他规范，都没有明确的规定在进行何种计算时采用何种模型。由于框架剪力墙结构在水平地震主要是弯曲型和剪切型的综合，所以，研究者们大多选用弯剪型作为框架剪力墙结构的分析基本模型。阻尼器的参数研究大多数研究者们对阻尼器参数的研究为消能减震体系的设计提供了依据。Xia等学者对软钢阻尼器进行研究,对结构非弹性地震的影响主要有以下因素：阻尼器屈服力、屈服、屈服后刚度比、耗能体系刚度与无控结构初始层刚度11 之比SR和支撑构件的水平刚度与阻尼器初始弹性刚度比B/D等。通过研究得到以下结论：对于非弹性位移反应和阻尼器延性系数，屈服后的刚度对其的影响49、不大；屈服位移对于阻尼器的延性系数影响很大；耗能体系刚度与无控结构初始层刚度之比SR增大时，结构的位移响应会随之减小，但是没有线性关系，SR的取值不同也会对结构的非弹性产生影响，一般SR有最优值，但是不止一个。支撑构件的水平刚度与阻尼器初始弹性刚度比B/D在结构的非弹性设计时影响很小，本文暂时不考虑。阻尼器的屈服位移不同，提供给结构的能量耗散也不同，一般建议取之间。Tehranizadeh通过分析阻尼器的参数研究结果，得出以下结论：因为提高阻尼器的初始刚度可以提高结构的耗能减震效果，所以在经济状况可行的情况下，应该尽量提高耗能体系刚度与无控结构初始层刚度之比SR。但是这又有一个经济性和工程可行50、性的问题，因为要的到很大的SR值要消耗大量的钢板数量，有待进一步考虑。邢书涛进行了弹塑性动力时程响应计算，专门分析双线性滞变阻尼器。通过计算结果的分析，总结出了一些规律：变化参数,软钢阻尼器的对耗能减振体系的减振效果会产生影响，对顶层加速度增减的影响，对体系位移和基底剪力的影响等。张国真等研究了在含三角形加劲阻尼装置构架，他在设计方法中提出：T2.05的新建长周期结构SR值建议取；对于短中周期的加固结构，SR值建议取2-4，对于长周期结构，因为SR对于结构的位移控制效果并不是很大，SR值建议取较小一些。李惠等研究分析了多自由度和单自由度的形状记忆合金SMA，通过分析在地震情况下不同参数的SMA51、被动耗能装置的响应结果，给出了一些参数得建议取值范围。2.2确定恢复力模型确定了阻尼器的恢复力模型，才能进行耗能体系的抗震性能分析，学者们提出了几种阻尼器的应力应变关系模型。由于阻尼器的种类繁多，本文仅介绍被动阻尼器中的金属阻尼器中最常见的一种，即金属软钢阻尼器。在对结构进行有限元计算分析时，首先要建立能够表征阻尼器滞回性能特性的正确的计算模型。主要有两类常用的恢复力模型：一种是简单的折线形，因为运算比较简单所以得到广泛应用；另一种是用复杂的数学公式描述的曲线形，这种曲线形描述的与实际工程比较接近，但是计算非常繁琐，仍然存在不足之处。下面介绍几种常用的恢复力模型：(1)理想弹塑性模型12 2金52、属阻尼器这是相对最简单的一种恢复力模型，如下图2-1所示。装置位移取不同值时，屈服力的计算公式不同。ddy时，P=Py。其中，d为装置的位移，dy为屈服位移，K0为阻尼器初始弹性刚度，Py为屈服力。(2)双线性模型双线性模型比理想弹塑性模型复杂一些，它考虑了应变硬化如下图2-2所示。Kd为考虑了硬化的弹塑性阶段的刚度；Ke是斜率，它连接了原点和滞回曲线的峰值点，也就是有效刚度。图2-1理想弹塑性模型图2-2双线性模型Figure.2-1IdealelastoplasticmodelFigure.2-2Bilinear model(3) Ramberg-Osgood模型1943年，Ramberg53、和Osgood提出了著名的Ramberg-Osgood曲线，这条曲线是钢材的三参数应力应变关系曲线。这条曲线由滞回曲线和骨架曲线组成，常用来描述刚度退化模型，骨架曲线可以用以下公式来表达：(2.1)式中，、分别为应变和屈服应变、应力和屈服应力、；和为曲线形状系统。滞回曲线的表达式为：(2.2)力与位移的关系可以表示为13 (2.3)式中，dy和Py分别为特征点的位移和荷载；为正值常系数；是大于1的正奇数。阻尼器一周内的耗能为：(2.4)2.3主体结构分析模型结构分析模型是一种力学模型，将实际结构转化为可以用于抗震分析的模型，并且反映结构的主要动力特性。结构地震响应分析的主体就是结构分析模型它主54、要由两部分组成：几何模型和物理模型，前者反应计算模型的几何组成，后者反应材料和构件的力学性能。对结构进行非线性动力时程分析时，力学模型一般分为几种，常用的有：层模型，应力单元模型，平面杆系模型和杆系-层模型。结构分析模型分类(l)层模型层模型的基本计算单元就是层，地震过程中的层刚度随着层剪力发生变化，这一关系用层恢复力模型来反应。层模型有两点假设，假设建筑物的楼层在自身平面的刚度无限大，在地震来临时每一层的侧向位移均相同；假设建筑物的质量中心和刚度中心重合，在地震来临时结构不会发生扭转。层模型将结构看做是一个竖向的悬臂结构，类似于一个串联质点，质量都集中在各个楼层处。层间剪力和层间位移可以利用55、层模型来确定，但是层模型不能确定结构的内力和变形。层模型运用到实际工程中，可以检验结构在罕遇地震下的层间位移和层间位移角，检验是否超过规范的限值，找出结构的薄弱层，并且可以检验层间剪力是否超过其极限承载力。(2)应力单元模型学者Agrawal最早提出了应力单元模型，利用这种模型可以分析剪力墙体系。将结构划分成若干单元，按照有限元聚合法将各单元的质量和刚度矩阵聚合成结构的质量矩阵和刚度矩阵，但是由于该模型对结构的力学特性分析认识的不完善，导致得到的分析结果与实际工程并不是很符合，所以它的实际工程应用还有待加强。(3)杆系模型将结构看做是杆系体系，计算基本单元取梁、柱，结构的质量认为是集中在结构的56、各个节点上，这样形成的模型是杆系模型。它的恢复力模型采用杆件恢复力模型，可以考虑在弹塑性工作状态时杆件的单元刚度变化，以表征在地震中杆14 2金属阻尼器件的刚度随内力发生的变化，而且精确度较高。杆系模型也有缺点，它只能考虑一个抗侧力结构，例如框架或者剪力墙，而不能考虑这些结构的协同工作，计算工作量大，自由度高。在大震来临时，结构的构件必然会开裂甚至屈服，构件轴线随之发生变化，这些杆系模型都没有考虑到，所以，杆系模型现在仍然只是一种近似的分析模型。(4)杆系一层模型杆系模型与层模型结合，就形成了杆系-层模型。杆系-层模型的计算简图就是将结构的质量几种到楼层各层处，按照层模型建立运动方程并求解的。57、它与层模型有一定的区别，区别在于它的恢复力模型是按杆件体系来确定结构的层间刚度矩阵，而层模型是利用层恢复力模型来确定结构的层间刚度矩阵的。在实际工程中，杆件的恢复力模型计算工作量仍然相当大，因为每根杆件的刚度都会随内力发生变化。结构层间模型层间模型的自由度少，进行动力方程积分时运算较快，计算简单，只是计算精度上稍逊杆系模型和杆系-层模型。但是层模型可以考虑较高阶的阵型，更快的看出结构的宏观地震反应，在实践工程中应用较为广泛。本文的计算就是为了查看结构在地震下的宏观整体反应，因此，采用的计算模型就是层模型。层模型又根据不同的侧向变形特点和结构形式，可以分为剪切型、弯曲型和弯剪型，如下图2-3所示58、。例如框架剪力墙结构，它的变形就可以用弯剪型来表示。图2-3层模型Figure.2-3 Layer models15 a.层间剪切型模型框架结构，特别是典型的强柱弱梁型框架结构，横梁的刚度比柱大很多时，结构的变形就是剪切型，如下图 2-4所示。剪切型模型将结构的各层质量集中在相应的楼层用来表示结构各层剪切刚度，即为：(2.5)式中：为第 i层的层剪力；位移。由式(2.5)得，为层间位移，；为第 i层的侧向(2.6)(2.7)每层处的恢复力为将式(2.6)代入式(2.7)，可以得到侧向力与侧向位移间的关系如下：(2.8)即(2.9)式中，S为楼层处的恢复力向量；为侧向位移向量；为侧向刚度矩阵，即59、动力方程中的刚度矩阵。图2-4剪切型层模型Figure.2-4 Shear layer model16 2金属阻尼器b.层间弯剪型模型框架剪力墙结构，或者是横梁和柱的刚度比不是很大的框架结构，他们变形时就是弯剪型，同时用弯曲性和剪切型来描述它们振动是的特点。弯剪型考虑了相邻层间的相互影响作用，而剪切型则做不到这一点。假定弯剪型层模型各层质量都集中在相应的楼层，它的第i层的弯曲刚度为EIi，各层质量mi，剪切刚度GAi，层高hi，可以求出其侧向柔度矩阵。在各层施加单位水平力Pi=1，求出第i层的水平位移ij，即可得到侧向柔度矩阵：(2.10)侧向刚度矩阵将柔度矩阵求逆即可得出。可以看出，想要求出60、，必须已知弯曲刚度EIi和剪切刚度GAi。在整个结构中，可以通过先求出侧向荷和弯曲变形转角，在由层模型的特点，结构各层处的侧向位移和转角相同的性质，换算出弯曲刚度EIi和剪切刚度GAi。载作用下的侧移或者，也可以用包含结点侧向位移和其他位移分量的总刚矩阵，通过缩聚的方法得到。c.等效的层间剪切型模型位移型阻尼器对于弯剪型和剪切型结构的控制效果是不行同的，为了进行这个不同点的比较，设计两种结构，他们的基本周期和第一阵型相同，通过动力等效准则，将弯剪型结构换算成一个等效的剪切型结构，过程如下：首先，求出剪型模型的结构刚度矩阵；其次，根据孔二狗皮的质量刚度矩阵求出弯剪型模型的基本周期和第一阵型，根据61、周期求出频率；再次，结构的第一频率和第一阵型根据结构动力特性而相等，求出剪切型模型每层的等效刚度；最后，由公式（2.5），建立等效层剪切型模型弹性侧移刚度的三对角矩阵。上面主要是利用了结构的等效动力原则，得出了剪切型层模型的各层等效刚度，具体过程如下：一个具有 n个自由度体系的无阻尼自由振动方程为(2.11)去体系第一振型，可以得到下面等式(2.12)式中，为结构的第一振型，。将上式展开，可以写成下面等式17 即(2.13)等式左边可以整理为(2.14)将(2.14)式代入(2.13)式，进一步整理，可以得到下面等式(2.15)利用高斯消元法，求出上式层剪切型结构各层的等效刚度。2.4结构时程62、分析的参数确定阻尼装置的分析模型不管是位移型阻尼器还是速度型阻尼器，通常都是与支撑相连接使用的，通过支撑将阻尼器串联布置在结构中，将这种支撑和阻尼器合在一起的装置称为阻尼装置。阻尼装置因为有两个构件协同工作，它的恢复力模型与单独阻尼器的恢复力模型是有区别的。金属阻尼器属于位移型阻尼器，下面就位移型的阻尼装置来说明。通常取双线性模型为金属阻尼器的恢复力模型，支撑的工作状态认为一直处18 2金属阻尼器于弹性工作状态，所以恢复力曲线为直线型。由图2-5知，金属阻尼装置的恢复力模型，在二者相同变形的情况下，可以用阻尼器的恢复力模型和支撑的恢复力模型合成，进行叠加使用，叠加以后的模型仍然是双线性模型，可63、以用图2-5来表示合成过程：图2-5阻尼器装置的力和变形关系Figure.2-5 Force - the relationship of the deformation of the damping mechanism恢复力模型恢复力模型包括结构的很多力学特性，如构件的强度、刚度、延性以及吸收外界能量的能量等。结构构件的恢复力模型因结构的材料、构件类型和不同的受力状态而异。文章对结构加金属阻尼装置，结构形式为框架剪力墙结构，分析结构在地震作用下的动力时程响应，选用的模型为双线性模型。运动方程对结构进行弹塑性动力响应时程分析，其动力方程为：(2.16)根据上一节的分析，设置金属阻尼装置的结构体系64、在地震动作用下运动方程可以表示为：(2.17)式中，M为主体结构的质量矩阵，为结构的阻尼矩阵；为主体结构的加速度，为速度，为位移向量；为地面加速度向量；为阻尼装置的附加阻尼，的恢复力向量。为刚度矩阵；为由主体结构恢复力模型确定的结构本身在地震作用下，安装金属阻尼装置的结构体系的运动方程可以写成：(2.18)19 上式中，量。是根据金属阻尼器和支撑的力学模型确定的阻尼装置的恢复力向刚度矩阵当选用层间剪切型模型作为结构的振动模型时，模型的总刚矩阵具有对角矩阵的特征，即(2.19)式中，是结构第 i层的层间刚度。如果仅对结构进行弹性阶段的分析，则接哦故的层间刚度可以根据结构力学中的 D值法进行计算；65、如果还要对结构进行弹塑性动力时程分析，则要按照非线性的方法计算结构的剪力和位移的恢复力曲线，从而进行求解。学者们对弯剪型模型进行研究分析，提出了不同的方法来确定结构的总刚矩阵，文章中采用缩聚法来确定取一个分析对象，第 i层单元，将它看成一根进行弯剪型变形的杆，如图 2-5所示。其受力可以表达为：(2.20)其中，u为水平位移，为转角。刚度系数具体形式为：(2.21)其中，是按照下面公式计算的考虑剪切变形的影响系数，：(2.22)其中，为截面剪应力不均匀系数，矩形截面取 1.2，圆形截面取 10/9，其它截面形状取值可参考有关资料；为层高；为结构层间等效弯曲刚度，为剪切20 2金属阻尼器刚度。图66、2-6层间单元Figure.2-6 Interlayer unit弯剪型模型和剪切型模型不同，二者的区别在于，弯剪型模型考虑了楼层处的转角，并且，在实际的计算中，这种考虑并不增加结构动力方程中的自由度的个数。这样在集成结构的总刚矩阵是，不考虑结构的转动效应。最后，不考虑阻尼项的结构自振方程为：(2.23)可以解出：(2.24)代入上式，可得(2.25)整理(2.26)式(2.26)即为弯剪型模型的等效结构侧移刚度矩阵，其中(2.27)21 (2.28)(2.29)其中，各刚度系数可以参照式(2.21)进行求解。刚度修正对结构用数值积分法求解结构动力微分方程时，刚度矩阵是否可变，是结构线性和非线67、性地震反应分析的主要差别。对结构进行弹塑性分析，首先要对结构的刚度矩阵各元素进行修正，也即是刚度修正，然后再计算增量反应，由此重新形成总刚矩阵。弯剪模型与剪切模型的修正刚度方法在结构进行弹塑性分析时是有很大差别的，剪切模型是根据剪力和位移的关系之间修正层间刚度，而前者是需要分别根据弯矩-曲率关系和剪力-位移关系修正EIi和GAi。武藤清是一位日本学者，他认为，在弯曲变形时弯剪型模型一般不会进入塑性阶段，可以将非线性界点弯矩定的比较高，只对层间剪切变形进行非线性处理。也即是假定剪切变形是弹塑性的而弯曲变形是弹性的。阻尼矩阵阻尼在结构中一直存在，表现为，不管结构受到何种情况的自由振动，这种振动总是68、会衰减并最终停止。阻尼在结构的动力分析中很重要。阻尼自身的机理很复杂，它不仅与结构和周围的介质以及他们的相互作用关系有关，而且还与结构自身的本构关系相关，因此，阻尼矩阵很难确定，只能用一些比较近似的方法来模拟。用这种近似法模拟阻尼矩阵的原理也是比较合理的，因为阻尼本身对结构的影响要比结构自身的刚度和惯性要小得多。按分布类型的不同将阻尼矩阵分为三种：刚度型阻尼矩阵、质量型阻尼矩阵和Rayleigh阻尼矩阵。文章采用Rayleigh阻尼矩阵，它是质量矩阵和刚度矩阵通过线性组合而成：(2.54)22 2金属阻尼器其中，a和b与振型阻尼比和频率有关，是Rayleigh阻尼的比例常数，关系如下：(2.569、5)其中，为第i振型的圆频率，为第j振型的圆频率；为第i振型的阻尼比，为第j振型的阻尼比。在高层结构中，通常i、 j可取为1，3。23 24 3金属阻尼器减震结构的分析与设计方法3金属阻尼器减震结构的分析与设计方法3.1金属阻尼器减震结构的分析方法对于传统的结构，也就是没有在结构中设置任何消能器或者阻尼器的结构，它在地震作用下的动力时程响应就主要取决于结构自身的一些特性，根据理论计算方法的不同，将结构分析计算依据分为静力法、静力弹塑性分析法、反应谱法和时程分析法等。如果在结构中设置了消能器或者阻尼器，也就是消能结构，那么主体结构就会受到耗能器的影响。地震作用较小时，主体结构还没有进入塑性状态，70、耗能器就开始耗能，表现为非线性；地震作用较大时，耗能器进入非线性工作状态，主体结构也进入弹塑性工作。我国建筑抗震设计规范（GB50011-2010）规定，宜用非线性时程分析法或者是静力非线性分析法来对结构进行消能减震性能分析。目前，国内外研究者已经针对金属阻尼器进行了大量的研究分析，提出了许多切实可行的分析思路，为正确求解设置金属阻尼器的各种体系的动力响应奠定了基础。时程分析法时程分析法，也称为直接动力法、动态分析法，用逐步积分的方法对选定的地震波恢复力曲线进行积分，计算出结构在每一个瞬时的响应：速度、加速度、位移，通过这些响应来观察分析结构在大震作用下的状态：是进入了弹塑性还是处于弹性工作状71、态，内力发生了哪些变化，构件是处于开裂还是已经损坏以致结构已经倒塌。时程分析法和底部剪力法和振型分解反应谱法不同，它可以计算结构在任意时刻的响应，它是最普遍和最常用的求解线性和非线性问题的方法。目前，多用逐步积分法求解任意动荷载作用下的结构响应，但是逐步积分不能的到精确解，只能求得近似解。为了得到较为精确的结果，就只能缩小时间步长，但是这么一来，计算量就会很大，用时太长。采用时程分析法是，为了不漏掉某些峰值，将步长取得最好小于结构基本周期的1/10，一般取。时程分析法有以下几种功能：（1）为了全面考虑地震三要素对结构地震响应的影响，在对结构进行地震反应分析前，首先要输入地震动的加速度时程曲线；72、（2）为了得到确切、具体细致的结构的弹塑性地震反应，用结构弹塑性全过程恢复力特性曲线来表征结构的力学性质，；（3）用时程分析可以判断结构的屈服机制，因为它能够给出结构中各构件和杆件出现塑性铰的顺序和时刻；（4）能够找出非等强结构结构的薄弱环节，计算出薄弱楼层的塑性变形集25 中效应。（5）能很好的体现在不同地震地质环境、场地条件和实际及场地土下不同工程的特性。多自由度层间剪切框架模型在地震作用下的反应方程为：M +C +Kx=-M g(t)(3.1)式中：M、 C分别为结构的质量矩阵、体系阻尼矩阵；K、 x分别为体系的刚度矩阵、结构楼层相对于地面的位移矩阵； 、 分别为响应的速度矩阵、加速度矩73、阵； g(t)为地震地面运动的加速度。在层框架之间设置金属阻尼器支撑时，结构的运动微分方程为：M +（Cs+Cd） +（Ks+Kd）x=-M g(t)(3.2)式中：Ks、 Cs分别为原结构刚度矩阵、阻尼矩阵；Kd、 Cd分别为阻尼器的等效水平刚度矩阵和等效阻尼矩阵。安装有效能器的结构在进行地震作用下的动力时程分析时，随着时间的变化结构的阻尼矩阵和刚度矩阵都会发生一些变化，这是就要求用增量方程来代替微分方程对结构进行数值求解。根据消能装置作用方式的不同，将耗能减震结构体系的微分方程也分为增量方程和运动方程。（3.2）式的增量方程即为：M +C +Kx=-M g(t)（3.3）式中：C= Cs+74、Cd；K= Ks+Kd； 为加速度、 为速度、x为位移增量； g(t)是加速度增量。用逐步积分将上式求解出来，求解方法为：在微小的时间段t内，用数值积分法（比如Wilson-法、Newmark-法、线性加速度法）采用一些假定对增量方程进行求解，得到结构在地震反应的增量，以t+t再作为下一个时段的开始阶段，得到下一个增量，如此反复迭代，就能求出地震作用下结构在每一个时间点的振动反应。选择地震波对结构进行时程分析，首先要输入地震波。输入的地震波要具有合理性，否则会对结果造成很大的差异，误差高达几倍甚至十几倍，这是因为地震本身具有很大的随机性，即使是在同一个场地上，同样的地震对来临时，记录到的数据也75、会存在很大差异。在进行时程分析时，一般选用三种地震波：最常用的是过去典型的强震记录，再者是与拟建场地类型相同的场地上的实际地震记录，还有就是人工波。选择地震波的时候，要尽可能的选择与实际情况相符合的地震波。与拟建场地类型相同的场地上的实际地震记录是最好的选择，但是要是拟建场地上没有实26 3金属阻尼器减震结构的分析与设计方法际的地震记录，实践中就比较难做；而且即使有这种记录，因为地震有很大的随机性，得到的记录也不一定能再次真实的反应这一次的情况。如果是选择过去典型的强震记录，必须选择与拟建场地状况类似的记录，例如：滦河地震记录属于类场地地震记录，ElCentro、Taft波属于类场地的地震记录76、，宁河地震记录属于、类场地等，不能将不同场地记录到的地震波用到其他场地中去。典型地震记录在实际工程中的应用相对比较多。人工波比较特殊，它不是记录到的实际地震波的真实数据，它是用概率方法，根据拟建场地的具体情况，人工拟合的一种随机地震波，但是它也符合频谱特性、震动持时、地面运动加速度峰值和地震能量等指定条件。一般都将人工波作为一种补充加到所选地震波中。不同的地震波对结构产生的影响各不相同，在选择地震波时，要考虑振幅、频谱特性和持续时间这三种地震要素，如：（1）在进行振幅的选择时，多遇地震与罕遇地震作用下的设防烈度要求的加速度峰值与所选地震记录的加速度峰值要相等，如果不相等，调整所选地震记录加速度77、峰值，做法如下：（t）=(t)Amax/Amax(3.4)式中：（t）表示调整后的地震加速度、Amax表示调整后的地震峰值；(t)表示原地震加速度、Amax表示原地震峰值，见下表3-1。表3-1时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值（cm/s2）Table 3-1 The maximum value by the history of the earthquake acceleration time history(cm/s )2地震响应多遇地震罕遇地震6度18-7度35（55）220（310）8度9度14062070（110）400（510）注：设计基本地震加速度为0.15g和0.3g时取括78、号内数值。（2）谱形状、峰值和卓越周是影响频谱特性的几个因素。选择地震波时，拟建场地的地震周期与所选地震波的卓越周期应尽可能与一致，震中距也尽可能保持一致。（3）地震所含能量与地震时间相关，持续时间不同的地震，结构对其的反应不同，能量损耗也不同。选择地震波是，应该选故包含地震记录最强烈的持续时间部分；持续时间较短适合在对结构进行弹性最大地震反应分析时使用；持续时间较长适合在对结构进行弹塑性分析最大地震反应分析或耗能过程分析时使用；一般取结构基本周期的5-10作为所选地震波持续时间。27 恢复力模型恢复力曲线，也称为滞回曲线，它是结构在受到外界干扰并且产生变形以后，试图恢复到结构原有状态的一种特79、性，也就是变形和恢复力的关系曲线。恢复力曲线可以反映结构的一些力学性能，如结构自身的刚度、强度和延性等。将滞回曲线画出来，它所包含的面积就是结构耗能能力大小的反应，以此为依据可以对结构进行抗震性能分析。在地震情况下，结构的反应通常都比较复杂，将其曲线简化为直线或者折线，得到结构的恢复力模型。钢筋混凝土结构一般采用退化双线性模型或者三线型模型，钢结构一般采用双线性模型。双线性模型比较理想，一般认为双线性模型的材料正向加载和反向加载的曲线一样，而且是弹性刚度，加载和卸载的刚度均保持不变，本文的金属阻尼器的金属软钢即是采用这种模型，如下图3-1所示。图3-1双线型恢复力模型Figure.3-1 Do80、uble linear restoring force model28 3金属阻尼器减震结构的分析与设计方法3.2金属阻尼结构减震设计方法消能减震结构的适用范围在抗震设防烈度为8度和9度的高烈度地区，对结构进行消能减震设计比较经济，还有有特殊使用功能要求的建筑也比较适合进行减震设计。为了提高结构的安全性，对结构进行消能减震设计，所以，效能减震设计结构的设防目标，比常规的抗震设计要高，也就是高于三水准的我国建筑抗震设防规范（GB50011-2010）规定抗震设防目标。对于框架剪力墙结构，进行弹塑性分析时，层间位移角限值为1/100。规范规定的设防目标为“小震不坏，中震可修，大震不倒”，这是从经济81、的角度考虑的；消能结构提高设防目标，改为“中震不坏，大震可修”准则设计40的结构，地震来临时，即使是受到设防烈度比本地区的罕遇地震作用时的烈度都打的地震作用，结构也不会发生不可修复的损坏，或者是仅仅只是修理以后就可以使用；在遇到小于本地区设防烈度的地震时，结构基本不损坏或者不用经过修理仍然可以使用。“中震不坏，大震可修”的设防准则考虑了几个因素，主要为：（1）耗能减震结构可以提高结构的地震安全性，使其具有较好的减震效果。增设耗能减震装置并不改变主体结构的抗震可靠度，反而可以提高抗震可靠度，在地震来临时实现中震不坏的设防目标。（2）虽然已经对耗能减震结构进行了深入研究，但是它毕竟是一种新型的抗震82、结构，结构在实际地震中的减震效果尚待检验，而且我们也没有足够的设计经验。为了达到经济目的而盲目利用耗能元件或阻尼器减震，会导致与相同条件下的非消能减震结构相比，主体结构抗震可靠度的降低。目前我们能做的就是，利用耗能器或者耗能元件，在保持结构的抗震可靠度不变的前提下，来进一步提高结构的可靠度和安全性。（3）人民的生活水平的不断提高，我国的经济也在不断的发展，对结构的要求越来越高，尤其是对结构可靠度和居住的舒适性要求也越来越高。消能减震结构设计的性能标准以下是几种消能减震结构应该满足的性能标准要求：1、设置耗能装置后对结构对其他方向上不产生不利的影响，只对设置耗能装置的水平方向的地震地面运动具有减83、震效果；2、在消能装置没有开始耗能之前，耗能减震结构应该具备传统结构抵抗使用荷载的一切功能：有适当的刚度、有一定的强度和延性；3、对各种频率成分的地震，耗能减震结构都能够耗散；4、即使在遭遇到意想不到的大震或者是难以判断的荷载时，耗能减震结构29 也能通过可靠的耗能机制耗散掉，结构不致于失效；5、在主震来临时，耗能减震结构应保证必须完成其消能减震的功能；在余震来临时，耗能减震结构也要保证不经修复对余震完成其减震功能；6、在遭遇水灾、火灾时，或者是气候比较极端和腐蚀性强的地区，不经过维修和更换，耗能减震装置要能与建筑同时完好存在；7、施工产生必然会受到耗能减震结构的影响，但是这些影响应具有一定的84、宽容度，有一个限值，在这个限值以内，耗能减震装置必须保持有效。消能器选择和布置原则a.选择消能器选择消能器主要是选择耗能器的规格和类型。选择消能器的类型要综合考虑消能器的力学性能及耗能机理、消能器的价格、消能器的维修费用、结构类型、周围环境、设防目标、安装及施工费用等因素。b.布置消能器消能部件主要就用来控制结构变形和消耗地震能量的，但是消能器不能随意布置，应该遵循一定的原则。如果结构的跨数不同层数不同，布置结果也会相差很大，消能部件并不是布置的越多越好。消能器在结构中的布置有很多中方法，有各层均匀布置、隔层布置和只在其薄弱层布置，他们的优劣度是不相同的，均匀布置较好，其次是隔层布置。隔层布置85、加大了个别层的层间刚度，布置以后要考虑相邻层的层间位移放大现象。可以仅在一个主轴方向设置消能器，或者根据需要沿结构的两个主轴方向分别设置消能器。只要能使结构满足变形要求，合理的选择位置安放消能器，使用消能器的数量较小，或者消能器的数量一定，但是耗散的能量是最多的，也可以达到经济的目的。（1）结构的刚度中心和质量中心的差异不能太大在结构中安装消能装置，结构的刚度中心和质量中心的差异不能太大，应改尽量缩二者的差异，保持结构对称最好。水平地震作用来临时，如果是对称结构，结构一般只发生平移，因为水平地震作用下，按刚度分配的各内力，结构的各构件的侧移量就是相等的，结构的受力就比较均匀，不会发生局部破坏；86、如果结构非对称，结构的刚心偏在一边，与质心不重合，即使只有水平地震，结构也会产生扭转振动，这样就会出现一种结果，离刚心较近的构件受力较小，离刚心较远的刚度较小的构件，地震作用也显著加大，侧移量就也随之很大，很容易超出构件的允许变形极限而发生破坏，严重的还会产生因为一侧构件失效而整个结构倒塌的悲剧。所以，在布置消能部件时，在平面上应该遵循规则、对称的原则，结构的刚30 3金属阻尼器减震结构的分析与设计方法度中心和质量中心的差异不能太大，避免结构发生扭转效应；如果结构有偏心，那么在布置消能装置时，尽量在远离刚心的一端布置，以此来减小甚至消除结构的扭转效应。（2）布置消能器时以层间位移为指标通常，为87、了控制结构的层间位移，在结构中设置消能装置。分析结果表明，在结构中设置消能装置，对结构位移变化的规律影响比较大，比对速度和加速度变化的规律的影响要强一些。所以，在设置消能装置时，控制指标选为位移更加合理恰当，不能随意布置，要遵循几条原则：将消能装置应布置在层间位移较大的楼层，这样能使其所在层的层间位移降低最大；当层间位移相等时，将消能装置布置在楼层较低的位置，因为相比于下部邻近层的位移控制效果，消能装置设置在低层对上部邻近层的位移控制效果要好很多；消能装置尽量在竖向上每层均匀布置，或者至少做到各楼层的屈服强度系数大致相等，因为在某些情况下，相比于原结构的层间位移，设置消能装置结构的部分层的层间88、位移要更大，所以，为了防止某些层产生较大的层间位移，出现塑性铰集中效应，消能器尽量均匀布置。设置金属阻尼器结构的设计步骤图3-2金属阻尼器减震结构的设计流程Figure.3-2Metal damping structure of the flow chart31 3.3设置金属阻尼器结构的减震设计过程普通的结构在进行设计之前，一般只需确定结构的最基本的参数，比如：梁、柱截面尺寸和配筋等。金属阻尼器的耗能减震结构则不同，除了以上基本参数，还要确定耗能装置的相关参数、数量以及布置方案。如何确定这些参数、选择多少数量的金属阻尼器，以及怎样布置才能更好的抵抗地震作用的影响，一直以来都是工程设计者普遍关89、注的问题。确定金属阻尼器的数量确定金属阻尼器的数量，需要经过综合分析，它与很多因素有关：阻尼器的类型、性能参数以及地震作用等因素。一定的情况下，如果已知消能器类型和型号，先用能量法初步确定所需金属阻尼器的数量，最后就可以用时程分析法进一步确定。地震作用下，在任一时刻消能减震结构的能量方程为：Ein=Ek+Ec+Ee+Eh+Ed其中： Ein是在地震过程中结构体系接收到的总能量；Ek是结构体系的动能；(3.8)Ec是结构体的阻尼耗能；Ee是结构体系的弹性应变；Eh是结构处于非弹性变形时的滞回性能；Ed是耗能器所耗散的能量。Ek和 Ee并不耗能，它们之间只是能量转换，Ec大约占总能量的5%左右，也90、就是很少一部分，采用规范规定的准则进行设计时，Eh较小，采用加强了的准则进行设计时，Eh接近于零。因此，实际工程中，可以认为耗能器耗散吸收全部地震能量，能量设计方程为：EinEd（3.9）根据地震能量反应谱确定Ein，耗能器耗散的能量可以根据耗能器的滞回曲线求出，可以近似的表达为：Ein=nmEdi(3.10)其中：Ed等于滞回曲线所包含的面积，它表示单个耗能器循环一周所耗散能量；m表示次数，是消能器滞回循环的次数，一般能达到200-300次，设计偏于安全时一般取m=50。一般可取，它表示不同耗能器同时工作时的系数。n是耗能器的数量。32 3金属阻尼器减震结构的分析与设计方法由上式（3.9）和91、（3.10），求出耗能器的数量：nEin/(m Edi)Edi根据消能器的实际试验曲线计算，也可根据耗能器的类型和恢复力(3.11)模型进行计算。金属阻尼器的布置位置金属阻尼器的数量及布置位置问题关键在于控制函数的选取。设计人员可以根据结构不同的要求选用不同的目标函数。a.以层间位移角（或层间位移）为控制函数以各层层间位移角为控制函数，即p=ui/hi(3.12)式中，ui、 hi分别为结构第i层与第i-1层的层间位移和第i层的层高。通过对地震反应的计算，找出层间位移角最大的层（如果各层层高相同，那么通过找出层间位移最大值也是同样的结果），在层间位移角最大的一层安装阻尼器（层高相同时为在层间位92、移最大处安装），安装阻尼器后，再对结构进行计算和分析，直到在最大层间位移角处布置阻尼器（层高相同时为层间位移），层间位移或层间位移角限值满足规范要求为止。表3-2框架剪力墙结构层间位移角限值Table.3-2 The story drift limits of frame-shear wall structure框架剪力墙结构弹性层间位移角限值弹塑性层间位移角限值e1/8001/100b.以控制力为控制函数在控制力最大的地方安装金属阻尼器，所要达到的控制目标与上面控制函数的目标相同。c.以层间位移和层位移为控制函数取控制函数为：p=+(3.14)式中：、为加权函数；u=h/100；i=H(i)93、/100(非线性时程分析)，H(i)为第i层到地面的高度。每次将金属阻尼器安装在控制函数最大层，最终要求达到p1。33 d.以层间位移和顶层位移为控制函数取控制函数为：p=+(3.15)式中：=H/100(非线性时程分析)，H为建筑物总高度。若将金属阻尼器安装在第一层，可得p=p（1）；若为第二层，可得p=p（2）；若为第n层，可得p=p（n）。分别计算出这些值，并将阻尼器安装在p值最小的层，然后循环计算，安装第二个第三个阻尼器，直至最终满足要求p1。34 4消能支撑结构的减震性能分析4、消能支撑结构的减震性能分析4.1有限元软件ANSYS介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析94、于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片95、显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。ANSYS，Inc.(NASDAQ:ANSS)成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，在全球众多行业中，被工程师和设计师广泛采用。ansys软件的应用领域非常广泛，可应用在以下领域：建筑、勘查、地质、水利、交通、电力、测绘、国土、环境、林业等方面。35 4.2结构计算模型的建立模型的基本数据本文96、采用的计算模型是人字形消能中心支撑框架剪力墙结构，耗能器采用金属阻尼器。场地类别为类场地，抗震设防烈度为8度，地震分组为第一组。本模型共12层。首层层高4.5m，2-4层层高3.6m，5-12层高3m，总高39.3m。x方向总长56.4m,y方向总长25.2m，平面布置图见图4-1所示。建筑类别为丙类。图4-1框架剪力墙结构平面布置图Figure.4-1frame-shear wall structure floor plans混凝土1-4层选用C40,弹性模量EC=3.2510N/mm，5-12层选用C35,弹性4 2模量EC=3.1510 ，混凝土的泊松比=0.2，密度=2.5g/cm凝土97、构设计规范选取。金属阻尼器的材料选用软钢，厚度40mm，弹性模量E=2.0610 ,剪切模量G=7.910 ，密度=7.85g/cm，泊松比=0.2。均4N/mm23。均按混5N/mm24N/mm23按钢结构设计规范选取。主要结构构件参数见下表4-1所示。36 4消能支撑结构的减震性能分析表4-1结构模型构件参数表（mm）Table.4-1 Component model parameter table(mm)结构构件名称框架柱截面尺寸600600300600250500墙厚240板厚100板厚120钢板厚405050应用范围全模型全模型框架横梁框架纵梁剪力墙全模型全模型楼板全模型屋面板全模型98、软钢阻尼器支撑阻尼模型支撑模型、阻尼模型结构布置方案的选取为了分析安装了软钢阻尼器的框架剪力墙结构的抗震性能，本文选取三种不同的结构布置方案进行对比分析比较。模型一：框架剪力墙结构，即无控结构。模型二：以模型一为基础，在4-5轴和7-8轴交A、C轴设置人字形中心支撑，形成中心支撑框架剪力墙结构体系，即支撑结构。模型三：以模型一为基础，在4-5轴和7-8轴交A、C轴设置消能中心支撑结构，形成消能支撑结构体系，即消能结构。三种结构模型的立面布置图如图4-2所示。（1）无控结构37 （2）支撑结构（3）消能结构图4-2三种结构模型的立面布置图Figure.4-2 Three structure mo99、del of the facedlayout金属阻尼器的分析对结构的动力响应分析，首先要确定阻尼器的力学性能参数，利用有限元软件ANSYS对软钢阻尼器进行拟静力试验数值分析，分析过程中，阻尼器有限元模型利用shell63壳单元模拟建立，采用约束位移的方法进行加载数值模拟，图4-3所示为条形阻尼器模型的图。ANSYS软件能够很好地进行软钢阻尼器拟静力试验的模拟，软钢阻尼器屈服位置在物理试验和数值模拟中较为吻合，从图4-4所示的位移曲线可以看出，阻尼器的屈服刚度较低，能够满足阻尼器先于结构屈服的要求，并且，屈服后刚度变化趋于稳定，理论计算与试验结果较为接近，能够满足工程设计的要求。38 4消能支撑100、结构的减震性能分析图4-3阻尼器模型图Fig.4-3 model of metal damper图4-4阻尼器的力位移关系曲线Fig.4-4 Relationship between force and displacement结构模型说明1、计算结构的地震作用时，建筑结构的重力荷载代表值取结构的自重和可变荷载的组合，其中，楼面恒载5.0kN/m,活荷载2.0kN/m,屋面恒载6.0kN/m,2活载0.5 kN/m222。2、梁和柱节点的连接以及柱和基础的连接均按刚性连接考虑计算，支撑和阻尼器与梁节点的连接按铰接考虑计算。3、结构非线性时程分析时，忽略掉温度变化对软钢阻尼器的性能影响，各个参数101、保持不变，也不考虑大变形往复作用下软钢阻尼器刚度变化产生的退化现象。4、本结构阻尼比 = 005，阻尼矩阵按瑞利阻尼公式C =M +K计算。抗震设防烈度为8度，目标是利用金属屈服阻尼器消耗地震能量，从而达到8度“大震不倒”的设防目标。有限元模型建立时，梁柱采用BEAM188单元，楼39 板和剪力墙采用SHELL63单元，条形软钢阻尼器采用刚度和变形与图4-4一致的弹簧来模拟。三种结构ansys模型如下图4-5所示。（1）无控模型（2）支撑模型（3）阻尼模型图4-5整体有限元模型图Fig.4-5 Overall finite element model of building模态分析模态分析是极102、为关键的步骤，ANSYS进行模态分析时，不考虑材料的非线性行为，均视为弹性材料，通过模态分析得到结构的周期和振型数据，进行比较，来验证模型建立的是否正确。下表4-2为三种结构模型的自振周期、频率的对比。40 4消能支撑结构的减震性能分析表4-2三种结构方案的自振周期和频率Table.4-2 Structure of the program three frequency of natural vibration period无控结构支撑结构消能结构振型数周期频率周期频率周期频率（rad/s）1.5061.5431.6454.2026.0246.5796.7577.2997.7528.333T(103、s)0.7010.6850.6090.2470.1920.1870.1660.1430.1440.125（rad/s） T(s)1.427 0.5641.460 0.5481.642 0.5084.049 0.2265.208 0.1465.348 0.1426.024 0.1326.993 0.1166.944 0.1168.000 0.104（rad/s） T(s)121.7721.8241.9684.4226.8477.0277.5568.6158.6439.5950.6640.6480.6080.2380.1660.1520.1480.1370.1290.120345678910由上表104、可以看出，用ansys建模后分别计算出的结构的前10阶振型，得到的基本周期值与理论计算基本周期0.692s基本接近，说明模型建立正确。支撑结构的基本周期变化比较大，说明在结构中加入抗侧力构件后，结构的整体刚度得到显著的增加。消能结构与无控结构相比自振周期变小,但是基本变化程度不大，说明加阻尼器以后对整体结构的刚度影响不大；所以，增加阻尼器的结构，主要是增加结构的阻尼比，而不是通过改变结构的自振特性来减轻结构在地震作用下的响应。图4-6为无控结构的前三阶振型图。图4-6无控结构前三阶振型Fig.4-6 Model vibration of structure without dampers对计算105、模型的振型进行分析，由于该建筑物x方向的长度比y方向长，x方向的刚度比y方向的刚度大，所以第1振型在建筑物的长轴方向。第2振型在建筑物短轴方向，第3振型为扭转振型。综上所述，说明计算模型较为合理。41 阻尼器加在x方向，以第二阶模态振型图（图4-7）为例，可以看出，阻尼器所在的轴线变形较小，其他轴线变形较大。图4-7消能结构第二阶振型Fig.4-72 model vibration of structure with dampersnd 地震波的选取时程分析法对结构进行地震反应分析时，需要输入加速度时程曲线，但是地震波本身是一个频带比较宽的非平稳的一种随机振动，影响它的因素也很多，所以输入的地106、震波不同，结构的地震反应差别也很大。可以根据抗震设防烈度、场地类别、设计加速度来选取合适的地震加速度时程曲线。本文对结构进行罕遇地震作用下的时程分析，结构设防烈度为8度，地震分组为第一组，设计基本加速度0.2g，场地类别为类，加速度峰值400gal。选择典型的地震记录：埃尔森特罗（ElCentro）波，塔夫特（Taft）波和人工波，地震的加速度波形如下图4-8所示。42 4消能支撑结构的减震性能分析图4-8三种地震波波的波形图Figure.4-8There earthquake wave waveform由于本文结构的场地类别是类，8度设防，原地震波的峰值加速度Amax可以根据建筑抗震设计规范107、调整为罕遇地震作用下的地震加速度峰值Amax ,计算方法见下表4-3：表4-3 8度地震区的地震波放大系数Table.4-3Area 8 degrees of seismic waves magnification factor地震波 Amax（cm/s2） Amax（cm/s2）比例系数（Amax/ Amax）持续时间（s）EL CentroTaft341.715274004004001.170.262654.023017.636.84人工波0.6116本文为了更直观的对比软钢阻尼器的的耗能特性，和其他结构进行对比，只考虑在一个主轴方向输入地震波，即X方向输入单向地震波，后面章节中在优化阻尼108、器的位置时的不同布置方案中也是如此。地震加速度波形的持时选取，不论实际的强震记录还是人工模拟波形，一般持续时间取结构基本周期的510倍。本文暂定取15s。43 4.3三种结构的抗震性能分析三种结构在罕遇地震下顶层位移以及顶层加速度的比较对三种结构进行罕遇地震的作用下的分析，所得到模型的顶点位移时程曲线如下图4-9所示。图4-9三种模型顶层位移的时程曲线对比图Figure. 4-9 the top three models in the time-displacement curve comparison chart44 4消能支撑结构的减震性能分析图4-10三种模型顶层加速度的时程曲线对比图F109、igure.4-10 the top three models in the acceleration time history comparison chart以ELCentro波为例，三种模型顶层位移和加速度的最大值见下表4-5所示：表4-5三种结构模型顶层位移和顶层加速度的最大值Table.4-5 Structure of the program three top of the floor displacement and maximumacceleration无控结构16.3786.84支撑结构10.227.9消能结构9.189顶层位移最大值（cm）顶层加速度最大值（m/s2）5.2110、8可以看出：无控结构，即传统的不加任何支撑阻尼的结构，刚度较低，在罕遇地震作用下，顶层位移很大；支撑结构的顶层位移较小，说明支撑可以有效的降低结构的顶层位移最大值，但是由于结构本身的刚度比较大，地震的放大作用也很明显，顶层加速度也随之增大；消能结构，即设置了金属软钢阻尼器的结构，顶层位移和顶层加速度都降低很多，结果比较理想。三种结构与输入的地震波相比较，结构顶层的加速度比地面加速度峰值400gal都有放大，约为1.71、1.97和1.32倍。但是消能结构的放大作用最小，说明在罕遇地震作用下，消能结构能够有效的降低地震作用，充分体现了消能结构在抗震方面的优越性。45 三种结构在罕遇地震下各层层间111、位移以及各层加速度的比较以ELCentro波为例，对三种结构进行罕遇地震作用下的分析，所得到的各层层间位移最大值、各层加速度的最大值如表4-6、表4-7和图4-11、图4-12所示。表4-6三种结构模型各层层间位移最大值（mm）Table.4-6 The three modelsmaximum displacement between layers各层层间位移楼层无控结构4.384.734.524.965.417.255.794.023.142.592.8支撑结构2.222.522.493.113.295.584.263.262.883.642.012.04消能结构2.192.862.883.112、1121110982.244.814.333.253.453.612.562.3376543212.56图4-11三种结构模型各层层间位移最大值Figure.4-11 The three modelsmaximum displacement between layers46 4消能支撑结构的减震性能分析表4-7三种结构模型各层层间加速度最大值Table.4-7 The three models maximum acceleration between layers各层加速度楼层无控结构6.84支撑结构7.9消能结构5.2812111096.0165.7655.4295.3186.8316.01113、85.9434.0263.9471.6521.0197.5166.2495.2846.0467.6637.3846.8114.1533.7521.7680.9134.6234.0574.9484.5315.1715.0924.9643.018765433.0021.5430.98621图4-12三种结构模型各层层间位移最大值Figure.4-12 The three modelsmaximum acceleration between layers由表4-6、表4-7和图4-11、图4-12可以得到：三种结构的层间位移都满足规范规定的弹塑性层间位移的要求，不大于楼层平均值的1.4倍。支撑结构和114、消能结构的层间位移都比无控结构有所减少，但是支撑结构的各层加速度比无控结构和消能结构都有增加。消能结构的层间位移和各层加速度都比无控结构降低47 了，说明软钢阻尼器可以通过自身的滞回性能耗散掉一部分地震能量，可以有效的降低结构的层间位移和各层加速度，增加结构的抗震性能。结构基底剪力和弯矩的比较对三种结构在罕遇大震下进行分析，可以得到三种结构的基底剪力和基底弯矩，详见表4-8和图4-13、图4-14。图4-13Figure.4-13 the top three modelsshear curve time history comparison chart表4-8三种模型基底剪力的时程曲线对比图三115、种结构模型基底剪力和基底弯矩最大值48 4消能支撑结构的减震性能分析Table.4-8 The three models maximum shear and momentEL Centro波基底剪力（KN）基底弯矩(KN m)Taft波无控结构7361.02955557.5无控结构6854.5066850.0无控结构8580.4640957.8支撑结构8493.49557503.7支撑结构7539.9160000.0支撑结构5261.7934590.4消能结构4076.87834320.0消能结构3868.1824860.1消能结构2448.7024783.2基底剪力（KN）基底弯矩(KN m116、)人工波基底剪力（KN）基底弯矩(KN m)图4-14三种模型基底弯矩的时程曲线对比图Figure.4-14 the top three modelsmoment curve time history comparison chart由表4-8和图4-13、图4-14可以看出，在罕遇地震作用下，在结构中安装49 金属软钢阻尼器以后，消能结构的基底剪力和基底弯矩的最大值比无控结构和支撑结构都有降低，并且基底剪力和弯矩有明显的衰减，结构的内力分布更加的均匀，说明阻尼器能使地震作用下的应力和变形重新分布，变得更加均匀，峰值变小，从而改善结构的抗震性能。4.4软钢阻尼器的耗能减震效果分析总结由上述分析117、结果可以看出，软钢阻尼器在罕遇地震作用下的减震效果是很明显的。在结构中安装了软钢阻尼器以后，结构的地震响应得到显著降低，改善了结构在地震作用下的抗震性能，提高了结构的安全储备，改善建筑的可居性。在结构中适当安装软钢阻尼器，可以改善结构的内力分布，使结构的内力峰值降低，设计时结构截面可以适当减小，结构高度增加，结构跨度扩大，从经济角度来说，也降低了造价。50 5消能支撑对结构的其他影响分析5、消能支撑对结构的其他影响分析5.1无控结构和安装消能支撑结构的层间位移比较图5-1三种结构模型各层层间位移最大值Figure.5-1 The three modelsmaximum displacement118、 between layers图4-10是ELCentro波作用下的三种结构的各层层间位移的最大值图，可以看出，结构的最大层间位移出现在5、6和7层之间。其中，最大位移值出现在5、6、7层的B轴线处，也就是安装阻尼器框架的相邻框架。出现这种现象的原因有两个，一是四层以上的结构形式发生了变化，立面缩进一部分，结构的整体刚度发生变化，比底层的刚度降低，所以层间位移增加；最大位移值出现在B轴线，就是因为结构增加了消能支撑的缘故。这说明了在布置消能支撑时还要考虑并且验证相邻框架的位移反应。5.2安装消能支撑前后结构的轴力变化情况分析引言消能减震的原理是在结构中安装特定的一种或几种消能构件，在地震作用来119、临时消能构件和原结构共同工作，吸收大部分的地震能量，减轻结构的损伤，从而达到消能减震的目的。阻尼器与支撑联合使用是最常见的一种消能安装方式。由上一章的分析例子也可以看出，在结构中安装消能支撑结构，在罕遇大震的作用下，它能减小结构的水平地震作用，耗散大量的地震能量，使结构的地震反应有很大的衰减。这也是与我们预期的结果相符的。但是，在结构进行设计之前，并没有考虑添加效能支撑，消能支撑的设计是在结构设计之后，在安装消能支撑51 之后，是否会对原结构产生影响，这是不得而知的。在安装了消能支撑以后，在地震来临时，消能支撑必然是同原结构共同工作的，他们之间存在相互影响，这种影响到底是不利的还是有利的，需要120、进一步研究。无控结构的框架柱轴力统计表5-1无控结构的柱轴力Table.5-1 Force of the column of structure without dampers恒载作用下柱的柱轴力(KN)层号NA上NA下NB上NB下NC上NC下12116.791 146.239 286.738 316.186 318.961 348.409213.915 243.363 481.124 510.572 526.501 555.94911109310.534407.152339.982676.105 705.553 734.143 763.591436.6 871.086 900.534 941121、.785971.2338503.77 533.218 1066.067 1095.515 1149.428 1178.876600.388 629.836 1261.049 1290.497 1357.07 1386.518697.007 726.455 1456.03 1485.478 1564.712 1594.16793.78 823.228 1650.582 1680.03 1772.666 1802.114908.524 943.862 1862.653 1897.99 1946.455 1981.7921041.401 1076.739 2109.099 2144.437 2107122、.885 2143.2231174.336 1209.674 2355.561 2390.898 2269.43 2304.7681306.111 1347.339 2604.433 2645.661 2430.086 2471.3137654321层号1211109ND上ND下NE上NE下NF上NF下248.369 277.817 197.375 226.823 114.502 143.95398.887 428.335 314.465 343.913 196.889 226.337549.289 578.737 431.801 461.249 278.954 308.402699.691 123、729.139 549.136 578.584 361.02 390.468850.093 879.541 666.471 695.919 443.086 472.534871000.495 1029.943 783.807 813.255 525.152554.661150.897 1180.345 901.142 930.59 607.217 636.6651301.363 1330.811 1018.362 1047.81 689.297 718.7451429.434 1464.772 1125.907 1161.244 756.515 791.8521544.752 1580.089124、 1233.636 1268.974 828.016 863.3531660.066 1695.404 1341.141 1376.478 899.557 934.8941774.751 1815.978 1449.447 1490.674 970.563 1011.795432152 5消能支撑对结构的其他影响分析安装消能支撑后的框架柱轴力统计表5-2消能结构的柱轴力Table.5-2 Force of the column of structure with dampers恒载作用下柱的柱轴力(KN)层号NA上NA下NB上NB下NC上NC下12157.095 186.543327.042 125、356.49 359.265 388.71311109298.511 327.959 565.72 595.168 611.097 640.545447.901 477.349 813.472 842.92 871.51 900.958618.614 648.062 1082.548 1111.996 1153.247 1182.695763.909 793.357 1326.206 1355.654 1409.567 1439.015904.363 933.811 1565.024 1594.472 1661.045 1690.4931060.258 1089.706 1819.281 18126、48.729 1927.963 1957.4111223.461 1252.909 2183.863 2213.311 2202.347 2231.7951386.51 1421.848 2444.239 2479.576 2424.441 2459.7781558.713 1594.051 2730.011 2765.349 2625.197 2660.5351734.645 1769.983 3019.47 3054.807 2829.739 2865.0771940.826 1982.054 3342.748 3383.976 3064.801 3106.02887654321层号121127、1109ND上ND下NE上NE下NF上NF下288.673 318.121 237.679 267.127 154.806 184.254483.483 512.931 399.061 428.509 281.485 310.933686.656 716.104 569.168 598.616 416.321 445.769911.153 940.601 760.598 790.046 572.482 601.931110.232 1139.68 926.61 956.058 703.225 732.6731304.47 1333.918 1087.782 1117.23 829.127 85128、8.5751514.148 1543.596 1264.393 1293.841 970.468 999.916429.681 429.681 429.681 429.681 429.681 429.6811907.42 1942.758 1603.893 1639.23 1234.501 1269.8382062.064 2097.401 1750.948 1786.286 1345.328 1380.6652220.375 2255.713 1901.45 1936.787 1459.866 1495.2032409.466 2450.693 2084.162 2125.389 1605.129、278 1646.5058765432153 以A柱为例，无控结构和消能结构的轴力对比图如下：图5-2无控结构和消能结构的A柱轴力对比图Figure.5-2 The comparison force of the column A of structure with dampers andwithout dampers由表5-1和表5-2可以看出，安装消能支撑以后框架柱的轴力较没有安装的无控结构有所增加，这就是由于安装消能支撑所引起的。所以，安装消能体系并不是对结构完全有利的，消能支撑的引入，改变了结构的原有内力，例如会使柱的轴力增加，可能引起柱的轴压比不能满足要求。同时，柱轴力发生变化也会引130、起其他构件内力发生变化，相应的，它的设计也应该随着改变，这个时候就应该对受影响的构件进行重新验算，不能满足设计要求的，应该进行二次设计。54 6设置金属阻尼器减震结构的优化设计研究6、设置金属阻尼器减震结构的方案优选设计研究6.1优选方案设计原则和设计步骤设置金属阻尼器结构的方案优选设计包括对阻尼器本身的参数的优化和阻尼器在结构中的设计优化。金属阻尼器的数量以及布置位置对结构的振动控制的影响也是非常显著的。阻尼器如果布置的合理，不仅能使得所使用的阻尼器的数量较少，而且其对结构的减震效果也比较好，或者使结构在安装相同数量的阻尼器的前提下，能更好的发挥阻尼器的减震效果，同时使得结构刚度中心和质量中131、心尽可能的靠近，减少地震对结构的扭转效应。上一章中也说明了阻尼器布置的位置对结构的影响。因此，解决金属阻尼器在建筑布置中的优化问题具有很重要的意义。金属阻尼器的位置和数量的合理设置是安装金属阻尼器建筑设计的重要环节。它要解决以下两个问题：1、使结构振动参数符合抗震设计规范的要求；2、对于给定参数的阻尼器，使得结构控制效果最好。6.2优选方案设计结构方案优选设计中的目标函数选取金属阻尼器的最优位置是指它在结构高度方向的位置。阻尼器方案优选设计的关键在于控制函数的选取，根据控制要求的不同，可以选取不同的控制函数。金属阻尼器是位移型阻尼器，它应该尽可能放在层间位移角或者层间位移较大的地方来发挥作用。132、因此，本文选用层间位移角和层间位移作为目标控制函数来进行对阻尼器的数量和位置的优化。本文所取得控制函数即为文章第三章提到的几种控制函数，详细说明见第三章。方案优选设计说明本章以消能结构的模型为例进行优化，即人字形支撑40，在X轴方向的框架中安装金属阻尼器，安装数量一共24个。对金属阻尼器进行位置优化的目标是：在使用相同数量的金属阻尼器的前提下，使其在8度罕遇地震下的动力响应最小，减震效果最好。优化布置金属阻尼器时，由于结构本身两端对称，所以阻尼器也对称布置，方案为：方案一：各层均匀布置；方案二：对阻尼器进行循环布置，控制函数为层间位移角（层间位移）。本章对结构输入EL Centro波，计算每次133、循环所产生的层间位移最大值。55 金属阻尼器循环布置方法及过程方案二的布置方式的控制函数是层间位移角，地震作用下计算结构的响应，找出层间位移的最大层，将阻尼器安装在所找出的位移最大处，安装阻尼器后继续计算和分析结构模型，每次都把阻尼器布置在层间位移最大处。所布置阻尼器的数量与方案一布置数量相同，在X方向结构对称，所以阻尼器的布置也在X方向对称布置，循环次数45次，具体布置方式见下表。表6-1阻尼器循环布置过程中各层层间位移（cm）Table.6-1 The layout of the process of circulating damper displacement between the 134、layers层间位移（cm）层数初始结构循环1循环2循环3循环4循环5循环6循环712111094.384.734.524.965.416.255.794.023.142.592.82.88 2.65 2.48 2.21 2.48 2.77 2.573.56 3.76 2.92 3.04 2.89 3.14 3.244.35 4.29 3.45 3.99 3.78 3.94 4.234.79 4.35 4.28 4.32 4.08 4.26 4.325.45 5.02 5.32 5.37 5.04 5.39 5.346.09 5.04 5.12 5.26 5.28 5.64 4.915.64 135、5.36 4.95 4.95 4.92 5.71 4.9987655.75 5.55 5.06 5.055.44.98 5.6144.46 4.47 4.84 4.61 4.54 3.95 3.914.05 4.08 4.96 4.25 4.52 4.27 4.424.26 3.98 4.33 4.51 4.15 4.48 4.123.46 3.56 3.91 4.04 3.81 4.06 3.833212.56层数1211109循环8循环9循环10循环11循环12循环13循环14循环152.973.634.324.875.255.725.865.335.144.774.092.98 2.65136、 2.68 2.21 2.68 3.07 2.773.66 3.76 3.12 3.04 3.09 3.44 3.444.45 4.29 3.65 3.99 3.98 4.24 4.434.89 4.35 4.48 4.32 4.28 4.56 4.525.55 5.02 5.52 5.37 5.24 5.69 5.546.19 5.04 5.32 5.26 5.48 5.94 5.115.74 5.36 5.15 4.95 5.12 6.01 5.1987655.85 5.55 5.26 5.05 5.6 5.28 5.8144.564.47 5.04 4.61 4.74 4.25 4.11137、34.15 4.08 5.16 4.25 4.72 4.57 4.624.36 3.98 4.53 4.51 4.35 4.78 4.32256 6设置金属阻尼器减震结构的优化设计研究1层数12111092.53循环162.833.664.474.895.556.165.745.854.514.154.353.51循环242.983.394.284.585.545.785.425.92.96 3.06 3.41 3.54 3.31 3.56 3.33循环17循环18循环19循环20循环21循环22循环232.77 2.95 2.48 2.51 2.88 2.97 3.183.44 4.06 2138、.92 3.34 3.29 3.34 3.864.43 4.59 3.45 4.29 4.18 4.14 4.654.52 4.65 4.28 4.62 4.48 4.46 5.095.54 5.32 5.32 5.67 5.44 5.59 5.755.11 5.34 5.12 5.56 5.68 5.84 6.395.19 5.66 4.95 5.25 5.32 5.91 5.9487655.81 5.85 5.06 5.355.85.18 6.0544.11 4.77 4.84 4.91 4.94 4.15 4.764.62 4.38 4.96 4.55 4.92 4.47 4.354.3139、2 4.28 4.33 4.81 4.55 4.68 4.564.03 3.86 3.91 4.34 4.21 4.26 3.76循环25循环26循环27循环28循环29循环30循环312.87 2.83 2.58 2.51 2.95 2.97 3.183.54 3.66 3.02 3.34 4.06 3.34 3.864.53 4.47 3.55 4.29 4.59 4.14 4.654.62 4.89 4.38 4.62 4.65 4.46 5.095.64 5.55 5.42 5.67 5.32 5.59 5.755.21 6.16 5.22 5.56 5.34 5.84 6.395.2140、9 5.74 5.05 5.25 5.66 5.91 5.845.91 5.85 5.16 5.35 5.85 5.18 6.054.21 4.51 4.94 4.91 4.77 4.15 4.764.72 4.15 5.06 4.55 4.38 4.47 4.354.42 4.35 4.43 4.81 4.28 4.68 4.564.13 3.51 4.01 4.34 3.86 4.26 3.76循环33循环34循环35循环36循环37循环38循环392.87 2.83 2.48 2.95 2.71 3.17 3.183.54 3.66 2.89 4.06 3.54 3.54 3.864.5141、3 4.47 3.78 4.59 4.49 4.34 4.654.62 4.89 4.08 4.65 4.82 4.66 5.095.64 5.55 5.04 5.32 5.87 5.79 5.755.21 6.16 5.28 5.79 6.08 6.04 6.39321层数1211109876545.045.024.654.31循环322.683.123.654.485.525.32321层数12111098757 65.155.265.045.164.534.11循环402.683.123.654.485.525.325.155.265.045.164.534.115.29 5.74 4.142、92 5.66 5.45 6.11 5.8455.91 5.855.45.85 5.55 5.38 5.394.77 5.11 4.56 4.7644.21 4.51 4.6734.72 4.15 4.52 4.38 4.75 4.67 4.354.49 4.35 4.15 4.32 5.01 4.88 4.564.13 3.51 3.81 3.86 4.54 4.46 3.76循环41循环42循环43循环44循环452.61 3.18 2.58 2.95 2.8721层数12111093.44 3.86 2.99 4.06 3.544.39 4.65 3.88 4.59 4.534.72 5143、.09 4.18 4.65 4.6285.77 5.75 5.14 5.32 5.6475.98 6.39 5.38 5.79 5.2165.35 5.84 5.02 5.66 5.2955.45 5.395.55.85 5.9145.01 4.76 4.77 4.77 4.214.65 4.35 4.62 4.38 4.724.91 4.56 4.25 4.32 4.494.44 3.76 3.91 3.86 4.13321下表6-2为输入EL Centro波循环布置阻尼器时各层阻尼器的数量。表6-2 EL Centro波作用下各层阻尼器数量Table.6-2 EL Centro earth144、quake wave number of layers damper楼层 1 2 3 4阻尼器 0 0 2 4586872809 10 11 12000058 6设置金属阻尼器减震结构的优化设计研究6.3结构两种布置方案计算结果及比较分析两种方案的计算结果在罕遇地震作用下，两种方案的结果如下。表6-3两种方案各层位移最大值（cm）Table.6-3 Maximum displacement of the two layers of optimization scheme (cm)楼层1211109无控结构60.5555.4750.0444.8239.1633.0525.1方案一49.9146.145、2241.8637.3832.7830.0423.5317.7方案二43.1741.3438.6835.2131.3226.7721.6117.3712.529.01876518.6113.8910.056.76413.9510325.895.8613.262.832.51图6-1两种方案各层位移最大值图Figure.6-1 Maximum displacement of the two layers of optimization scheme59 表6-4两种方案层间位移最大值（cm）Table.6-4Displacement of the two layers of optimizati146、on scheme (cm)楼层无控结构方案一方案二12111095.085.435.225.666.117.956.494.723.843.293.51.832.663.473.894.555.164.244.853.513.153.352.513.694.364.484.682.746.515.833.752.952.113.062.8376543213.26图6-2两种方案层间位移最大值图Figure.6-2 Displacement of the two layers of optimization scheme60 6设置金属阻尼器减震结构的优化设计研究表6-5两种方案各层加速度（m147、/s2）2Table.6-5 Acceleration of the two layers of optimization scheme（m/s）楼层1211109无控结构8.2347.7216.7675.2946.44方案一6.7625.8045.9985.7154.9645.8074.9546.9346.0015.2164.3512.113方案二5.9895.1185.4815.0494.3914.1185.4465.5545.3944.6573.9611.484876.5515.4567.7386.7916.5085.1332.016654321图6-3两种方案各层加速度Figure.6148、-3 Acceleration of the two layers of optimization scheme61 表 6-6两种方案地震作用下边柱轴力（KN）Table.6-6 Seismic force of the two layers of optimization scheme（KN）楼层1211109无控结构方案一方案二146.239157.095116.791243.363389.982536.6298.511467.901658.614863.9091004.3631210.2581423.4611586.511758.7131934.6452140.826213.91541149、0.534507.152603.778683.218829.836976.4551123.2281243.8621426.7391609.6741747.3397700.388797.007893.786541058.5241241.4011424.3361606.111321图6-4两种方案地震作用下边柱轴力（KN）Figure.6-4 Seismic force of the two layers of optimization scheme（KN）62 6设置金属阻尼器减震结构的优化设计研究表6-7两种方案地震作用下边柱底端剪力（KN）Table.6-7 Columns shear be150、low the bottom of the two layers of optimization scheme（KN）楼层1211109无控结构方案一55.96方案二79.97165.19198.04270.11320.5109.56129.98205.3155.21205.48243.18365.1234.01225.45251.72304.63244.93304.69343.32663.47258.08310.85354.74174.24167.21249.04269.38583.457395.12461.13397.22350.38372.98414.04817.15654321图6-5151、两种方案地震作用下边柱底端剪力（KN）Figure.6-5 Columns shear below the bottom of the two layers of optimization scheme（KN）63 表6-8两种方案地震作用下边柱边柱底端弯矩（KNm）Table.6-8 Columns seismic moment below the bottom force of the two layers of optimizationscheme（KNm）楼层1211109无控结构179.91298.97396.26481.238590.14705.56694.64641.19615.152、7方案一96.68方案二111.38230.6186.77236.1291.5290.02371.02386.2353.68451.587484.76448.29438.42405.42510.386316414.25290.14303.23875.081072.21801.95474.32774.231524.44211220.23图6-6两种方案地震作用下边柱边柱底端弯矩（KNm）Figure.6-6 Columns seismic moment below the bottom force of the two layers of64 6设置金属阻尼器减震结构的优化设计研究optimiz153、ation scheme（KNm）两种方案各层阻尼器布置数量的比较表6-9各层阻尼器数量Table.6-9 number of layers damper楼层 1 2 3 4方案一 2 2 2 2方案二 0 2 4 85286227228209 10 11 1220202020各层阻尼器的布置数量：无控结构不布置，方案一各层均匀布置，方案二阻尼器主要布置较低楼层，较高楼层不布置。两种方案的计算结果对比分析通过对比表6.3至表6.8和图6.1至图6.6方案一和方案二的阻尼器的优化方案，可以得出如下结论：通过未设置金属阻尼器和设置金属阻尼器结构的对比可知，两种优化方案的结构抗震性能均优于纯框架结构154、，结构的层间位移、层间位移角、结构的受力均有大幅度减小。说明优化方案是可行的。（1）对于层位移的控制中，方案二要比方案一控制效果较好。（2）对于层间位移的控制中，对于结构低层和中层位移的控制，方案二的效果较好；对于高层处，方案一和无控结构效果要好一些；方案二能使结构各层的位移值基本保持较小的变化，使结构层与层之间不会出现较大的整体变化，避免结构错位导致梁柱发生破坏。（3）对加速度的控制中，方案一和方案二基本相差不大。（4）对于各层边柱受力（轴力、底端剪力、底端弯矩）的控制中，在结构底端以及较低层处的控制效果方案二优于方案一，但是在中高层处效果方案一优于方案二。总之，金属阻尼器的优化布置能够使结155、构的总体地震响应减小，改善结构在地震作用下的抗震性能。从经济角度考虑，优化布置消能装置以后，结构的内力进一步降低，可以减小构件的截面、增大柱距、提高结构平面布置的灵活性，使结构能够更好的配合房屋的建筑使用功能。65 6.4小结由以上分析结果可以知道，在金属阻尼器的优化设计中，以层间位移角为控制函数的优化布置方法是一种减震效果很好的优化布置方式，能使结构的各项目标控制取得良好的控制效果。以层间位移角循环布置方法在控制层间位移和层位移上效果比较好，并且在结构底端受力和中底层处效果较为明显，在上层中的控制效果较均匀布置则要稍低一些。同时它也有一些缺点，循环布置的次数多，计算耗费的时间长，在高层和超高156、层中尤其繁琐。相比之下，均匀布置法虽然控制效果不如方案二，但是与无控结构相比，它也有较明显的控制效果，而且布置方法简单，在实际工程中的可行性较高。66 7结论和展望7结论和展望7.1结论三十多年来，国内外的学者对阻尼器进行了大量的研究，取得了丰硕的成果，消能减震结构的分析与设计研究、阻尼器的理论和实验研究和新型阻尼器的开发等均属于其成果的一部分。消能减震技术在很多发达国家已经取得了广泛的应用，这些国家制定和编制了关于消能减震设计专门规范，它是 20世纪工程界的一项重要研究成果。我国也制定了这方面的规范，建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中就有专门的关于消能减震方面的内容。本文针对我国157、抗震规范中重点推广的位移型阻尼器中的被动阻尼器金属阻尼器，建立了有限元模型，以框架剪力墙为基础，进行动力分析以及罕遇地震下的时程分析，最后对阻尼器在结构中的位置进行优化，主要研究成果和结论分为以下几个方面：1、通过框架剪力墙结构、对框架剪力墙结构设置支撑、对框架剪力墙结构设置金属阻尼消能装置并且对比他们的自振周期可知，支撑的添加使得结构的周期减小，使结构的刚度增加；消能装置的添加使得结构的刚度变化很小。增加金属阻尼器的结构，主要是通过增加结构的阻尼来耗能。2、通过对上述三种模型进行罕遇地震下的时程分析可以看出：在设置支撑以后，结构的顶层位移和层间位移减小，但加速度增加，基底剪力和弯矩也增加；在158、设置金属阻尼器的消能装置以后，顶层位移和层间位移减小，而且顶层加速度和基底剪力基底弯矩也得到控制。说明金属阻尼消能装置使得结构的抗震性能得到改善，抗震安全储备得到提高，结构的安全性有较为可靠的保障。从经济的角度考虑，安装金属阻尼消能装置以后，可以适当的减小构件的截面、增大柱距，提高结构布置的灵活性，使结构可以更好的配合房屋的建筑使用功能。3、对阻尼器的布置位置进行了优化，以 12层的框架剪力墙为例，进行了以层间位移角和层间位移为控制函数的循环布置。对比了均匀布置和以层间位移角（层间位移）布置两种方案，得到以下结论：在金属阻尼器的优化设计中，以层间位移角为控制函数的优化布置方法是一种减震效果很好159、的优化布置方式，能使结构的各项目标控制取得良好的控制效果。以层间位移角循环布置方法在控制层间位移和层位移上效果比较好，并且在结构底端受力和中底层处效果较为明显，在上层中的控制效果较均匀布置则要稍低一些。同时它也有一些缺点，循环布置的次数多，计算耗费的时间长，在高层和超高层中尤其繁琐。相比之下，均匀布置法虽然控制效果不如方案二，但是与无控结构相比，它也有较明显的控制效果，而且布置方法简单，在实际工程中的可行性较高。67 7.2展望土木工程结构是一门综合性的学科，结构的振动控制综合应用了多个学科的知识和研究成果，有数学以及计算机技术、土木建筑知识、结构控制理论等。多个学科交叉，为消能减震技术的广泛160、应用创造了良好的条件。消能减震技术的广泛应用，需要分析不同场地条件和不同结构类型、各种消能体系在地震作用下的非线性反应，同时进行多方面的试验研究和数值分析，与实际震害相结合，累积经验；消能减震技术的广泛应用，更加依赖完善的理论和方法，结合大量数据资料，综合数值分析、震害经验和试验研究，更好地指导消能减震技术的应用并且得到最佳的研究效果。作者本身水平和时间有限，工作大部分都是侧重于数值分析，需要进行深入研究的还有很多方面：（1）地震有很大随机性，再加上土木工程结构本身又十分庞大与复杂，想要对不同类型阻尼器的消能体系反应特点进行研究就更加困难。所以，一个需要更加深入的研究课题就是，比较分析不同类型161、消能装置，建立完善的性能评价体系，明确各类阻尼器的适用范围，这具有很重要的现实意义。（2）本文的算例是 12层的框架剪力墙结构，由于时间和和精力有限，只进行了阻尼器位置的优化，没有对阻尼器本身的参数进行优化，这项内容有待进一步深化研究。在实际工程中，结构形式更加复杂多样，可以考虑针对结构特性沿高度变化、具有薄弱层以及结构某处刚度突变等不同形式特点的结构进行不同类型阻尼器的减震对比深入研究，为消能技术的应用提供更加全面、完善的依据。（3）耗能体系作为新一代的抗震设计方法，性能方面己经得到了研究者与工程师的认可，对于性能指标，建立针对消能减震结构的设计，探索利用各种阻尼器进行消能减震的结构设计方法162、是摆在我们面前的一个现实问题，应对这方面的内容进行进一步研究。耗能减震体系具有比传统抗震体系更好的耗能效果，并具有安全、可靠、节省造价等的优点，已经成为一种崭新的结构体系。在未来的抗震设计中，耗能减震体系将成为结构抗震防震的重要手段和方法。68 致谢致谢三年的硕士研究生生活即将接近尾声，此刻，看着这份即将成稿的毕业论文和同学们忙碌于毕业的身影，我的心情莫以名状。在这段我人生最难忘的日子里，有多少关心和爱护我的老师和朋友，他们时时刻刻都在给我支持和鼓励，给我前进的勇气和动力，我将永远铭记这段难忘的岁月。衷心感谢我的恩师，李哲教授，两年多来对我的悉心指导和教诲。李老师对于科研十分严谨求实，对于工作163、十分忘我敬业，这些给我留下了极其深刻的印象，是我以后努力的方向。在校期间，我的学习和生活到处都凝聚着李哲老师的精力和心血。我应该要加倍努力的工作和学习，回报恩师！感谢李老师为我们构建了一个优秀的研究集体，在这个集体里大家团结互助，互相交流，共同进步，令我倍感温馨。感谢赵晨、严乐、尧利军、贾力宁各位师兄弟和朱莹、杨柳、张家维等同学给予我学习和生活上的帮助，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。感谢结构工程 11级的全体同学以及芮芸、李佳伟等好朋友，与你们一起走过的日子将是我一生最美好的回忆。最后，向本文的评阅老师们表示深切的感谢！69 70 主要参考文献参164、考文献1李宏男.建筑抗震设计原理M.北京:中国建筑工业出版社，1996.2胡幸贤.地震工程学导论M.北京:地震出版社，1988.3叶列平.土木工程科学前沿M.北京:清华大学出版社，2006:141-144.4 Kelly J M，Skinner R I，Heine A J .Mechanisms of energy absorptionin special devices for use in earthquake- resistant structures.Bulletin of N.Z. National Society for Earthquake Engineering，1972，5(165、3):63-88.5中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB50011-2010）M.北京:中国建筑工业出版社，2010:149-159.6 Building Seismic Safety Council. NEHRP Commentary on the Guidelinesfor the Seismic Rehabilitation of Buildings，FEMA274M.WashingtonD C 1996.7ATC40,Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete BuildingR，1996.8 FEMA-273,NEHRP Guid166、elines for the Seismic Rehabilitation ofBuildingsS，19979 GB50011-2010，建筑抗震设计规范S.in Application and Development Rules for Base Isolation and PassiveEnergy Dissipation of Civil Buildings，Bridges and NuclearReactors in the Russian FederationA. International Post-SmirtConference Seminar on Seismic Isola167、tion ,Passive Energy Dissipationand Active Control of Seismic Vibration of StructuresC，Taormina，Italy， August25-27，1997.11晏金炜.消能减震结构实用分析及工程应用M.同济大学硕士论文，2005.12 Skinner R I，Kelly J M，Heine A J .Hysteresis dampers for earthquakeresistant structures. Earthquake Engineering and Structura1Dynamics，1975，3168、(l):287-296.13 Tyler R G. 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Bulletin of the New Zealand National Society forEarthquake Engineering，1978，11(4):282-294.14 Whittaker A S， Bertero V V， Thompson C I，et al .Seismic testingofsteelplateenergydissipationdevices.EarthquakeSp169、ectra，1991，7(4):563-604.71 15 Tsai K C，Chen H W，Hong C P ,et al .Design of steel triangular plateenergy absorbers for seismic resistant construction .EarthquakeSpectra,1993，19(3):505-528.16欧进萍，吴斌.摩擦型与软钢屈服型耗能器的性能与减震效果的试验比较.地震工程与工程振动，1995，15(3):73-87.17YasushiKurokawa，MitsuoSakamoto，ToshikazuYmada，eta170、l.Structuraldesign of a tall building with elastic-plastic steel dampers for theattenuation of torsional and lateral motions .Structure Design TallBuild，1998，7:21-32.18李钢.新型金属阻尼器减震结构的试验及理论研究:(博士学位论文).大连:大连理工大学，2006.19 Mito M，Tamura R，Isogai ,et al .Study on seismic design method forbuilding with ste171、el damper(Part l).PROC .AIJ Annual Meeting，1997，B:815-16.20 Tirca L D，Foti D，Diaferio M .Response of middle-rise steel frameswith and without passive dampers to near-field ground motions.Engineering Structures，2003，25(2):169-179.21欧进萍，吴斌.组合钢板耗能器-一种新型耗能减震装置.地震工程与工程振动， 1997，17(1):32-39.22周云.耗能减震新技术与新体172、系研究:(博士学位论文).哈尔滨:哈尔滨建筑大学，1996.23周云，刘季.新型耗能(阻尼)减震器的开发与研究.地震工程与工程振动，1998，18(1):71-79.24周云，刘季.双环软钢耗能器的试验研究.地震工程与工程振动，1998，18(2):117-123.25孙峰，周云，俞公骅等.加劲圆环耗能器性能的试验研究.地震工程与工程振动，1999，19(3):115-120.26李钢，李宏男.新型软钢阻尼器的减震性能研究.振动与冲击，2006，25(3):66-73.27 Hong-Nan Li， Gang Li .Experimental study of structure with“ dualfunctions” metallic damper .Engineering Structures，2007，29(8):1917-1928.28邢书涛，郭迅.一种新型软钢阻尼器力学性能和减震效果的研究.地震工程与工程振动，2003，23(6):187-192.72