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浅谈建筑结构抗震设计概念（下）12
结构中的自然阻尼、阻尼器和其他耗能装置
从本期开始，我们开始讨论结构的减震隔震设计。
减少地震能量主要有两个方面，一是阻尼耗能，二是结构构件弹塑性变形耗能。但这种划分过于简单，实际项目需要更深入的划分。阻尼可分为结构中的自然阻尼（自然阻尼），如建筑物自身材料引起的阻尼，以及工程师专门设置的阻尼器。阻尼器与自然阻尼有很大不同。
构件弹塑性耗能也有几种具体情况。例如，在隔振结构中，工程师专门设置了隔振垫。隔离垫是一种特殊的耗能元件。其特殊性在于可以产生较大的横向变形（消耗大量的地震能量），减少上部结构的地震能量。你也可以理解为隔震垫阻挡了地震能量的输入，所以称为隔震结构。
特殊设计的抗屈曲支撑也是一种特殊的弹塑性耗能构件，利用其在拉伸和压缩时屈服和耗散能量，但在压缩时不屈曲和失稳的特点。金属阻尼器也是利用金属的变形和屈服来消耗能量，这些部件在地震后可以更换。
必须对结构本身构件的弹塑性耗能进行管理，以保证虽然某些部位进入塑性，但不会对整体结构造成过度破坏，如框架梁先于框架柱屈服等。构件弹塑性耗能可降低主要构件的地震力。构件弹塑性耗能设计错误也意味着结构构件的塑性破坏。
现在让我们从自然阻尼开始讨论。
1：自然阻尼
对于实验室模型中的“完美”系统，结构的振动很快停止，大部分能量耗散可能源自材料反复弹性变形的热效应和固体变形的内摩擦。
对于真实结构，许多其他机制也有助于能量耗散。在振动建筑物中，它们包括钢构件连接的摩擦、混凝土中微裂纹的张开和闭合、结构本身与填充墙等非结构构件之间的摩擦，以及振动从结构传递到地面。基础。的能量。在真实的建筑物中，不可能识别或以数学方式描述这些能量耗散机制中的每一个。
因此，实际结构中的阻尼通常以高度理想化的方式描述。对于许多目的，单自由度结构的实际阻尼可以令人满意地理想化为线性粘性阻尼器或减震器。一般选择阻尼系数，使得耗散的振动能量相当于实际结构中所有阻尼机构耗散的能量之和。因此，这种理想化称为等效粘性阻尼。等效粘性阻尼力
与速度成正比钢结构阻尼比的影响，方向相反。
阻尼比：
阻尼比
是求解微分方程时使用的阻尼系数
转换后的参数。当阻尼比等于1时，发生偏离原始位置的结构只能缓慢恢复到原始位置，而不能振动。
结构振动幅值的衰减率与粘性阻尼比有关，如下图所示：
实际工程中，也可以通过测量结构的振动衰减来确定结构的阻尼，如下图：
根据衰减率可以确定测试模型的阻尼比。我想实际建筑物的阻尼比应该通过振动台上的比例模型来测量。阻尼比可以通过测量模拟或实际建筑物激励后的振幅衰减来获得。我们的工程师可以根据规格设计阻尼比。钢-混凝土混合结构的阻尼比在0.05~0.02之间。实际值应根据结构情况，查阅有关资料确定。阻尼比也可以调整作为结构的安全储备。事实上，阻尼比会根据结构的高度而不同。对于超高层结构，建议参考国外数据调整阻尼比。
等效粘滞阻尼是整体结构变形幅度在线弹性范围内的能量耗散模型。当变形超过这个范围并进入弹塑性阶段时，实验确定的阻尼系数可能会随着变形幅度的变化而变化。阻尼的这种非线性特性在动力分析中通常不直接考虑，而是通过针对所需的变形幅度（通常是与结构的线弹性相关的变形）选择合适的阻尼系数来间接处理。
额外的能量耗散是由结构大变形期间的非弹性行为引起的。在循环力或变形下，该特性意味着力-变形磁滞回线的形成。极限正负变形
在变形周期之间，阻尼能量耗散由磁滞回线包围的面积给出。但非弹性时的阻尼能量耗散并不被视为阻尼，而是在求解运动方程时通过非线性滞回分析来求解。因此，一般非线性系统的耗能分为弹性系统的阻尼耗能和弹塑性构件材料的变形耗能。
本系列的第一篇文章讨论了非弹性系统的能量形式：
=-
公式右边——
是地震输入到结构的总能量；左边的第一项
是结构的动能，左边第二项是
是根据弹性系统计算的粘性阻尼耗散的能量，
它是屈服所消耗的能量。
上述能量分析是基于质量受到等效力的情况
结构承受地震力加速度而不是基础
激励结构。因此，上式中代表输入能量的有等效力
提供能量而不是地面激励
在提供的能量分析中，上式中的动能项代表的是相对于地面的质量运动的动能，而不是绝对质量运动的动能（当考虑人的感受和位于地板上的设备的加速度时，它的动能是相对于地面的，但是此时我们只关心此时地板的加速度，而不关心上面的人或物体的动能）。由于结构中的内力是由结构的相对位移和相对速度引起的，因此使用位移和速度的相对量更有意义，并且通过阻尼和材料屈服耗散的能量仅取决于结构的相对运动结构。
下图是两个单一自由系统在Elcentro波作用下的地震能量图，一个是完全弹性系统，另一个是弹塑性系统（弹性相的自振周期相等）：
从这张图可以看出：
1：结构最终通过粘性阻尼和材料屈服从地震输入的能量 -
所有能量都被耗散了，这可以通过振动最终结束时的结构动能和可恢复的弹性应变能来解释。
2：粘性阻尼向弹塑性系统耗散的能量较少，这意味着弹塑性系统的速度比弹性系统小。
3：弹塑性体系的地震输入总能量也小于弹性体系。
4：地震能量反复屈服和消散的缺点是会对构件造成永久性损坏，对于重要的结构构件不应允许这种情况。
2：人工附加阻尼和耗能装置
如果能通过一些震后易于更换的特殊装置消散部分地震能量，就会减少结构损坏。这些设备在新结构的设计或现有结构的地震防护方面具有投资效益。现有的各种耗能装置可分为流体粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器、金属阻尼器和摩擦阻尼器三类。
流体粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器的阻尼力与阻尼器两端点的变形差率有关。其动态特性如下：
但这种阻尼与自然阻尼不同。自然阻尼是由结构材料自然产生的。我们可以想象，结构周围的粘性液体对结构施加均匀的阻尼力（实际上由于结构材料的不均匀性，阻力比也是不均匀的，但我们从刚度角度考虑结构材料的不均匀性）分布，不再考虑阻尼的不均匀性）。但阻尼装置不同。它安装在结构的某一部分。由于阻尼两端变形率不同而产生阻尼。首先，这种阻尼是不均匀的并且仅作用于局部。其次，这种阻尼减少了局部部件的变形。 ，然后通过楼板减少整体结构的变形，这相当由于局部构件刚度和整体刚度的增加，必须考虑两个问题：第一，布局应尽可能均匀，避免额外的由于耗能构件的设置导致结构刚度分布变化而产生扭转，软件应考虑阻尼器布置对局部构件的影响。刚度的变化而不仅仅是整体刚度的变化。其次，带有粘性阻尼器的减振（振动）结构的总阻尼比应为结构阻尼比与结构中添加的耗能构件的有效阻尼比之和。
三：人工增产耗能装置
金属阻尼器和摩擦阻尼器实际上是特殊的耗能元件。它们通过产生这些特殊成分来消耗能量。消耗的能量就是我们上面讲的产量能量消耗。只不过这个特殊的部件可以反复变形屈服而不会损坏。即使损坏，也不会影响结构主体，地震后可更换。这是耗能构件的弹塑性耗能与一般结构构件的最大区别。
部件很特殊，但计算程序并不特殊。它们都是根据力与变形的本构关系，利用弹塑性阶段的运动方程等方法进行计算。计算结果不仅检查结构本身的应力和变形是否满足规范的要求，还检查耗能装置的极限变形等指标是否满足本产品的性能指标。
本文主要讲解自然阻尼、人工阻尼、人工屈服耗能器的基本原理和概念。一旦理解了这些基本概念，在应用减震隔震设计规范时就可以轻松理解规范规定背后的含义。当然，这些概念只有真正完成之后才会完成。减震隔震工程设计还有很长的路要走钢结构阻尼比的影响，但这不是本文要解决的问题。
2023 年 9 月 13 日
参考：
1：《结构动力学理论及其在地震工程中的应用》
2：建筑消能减震技术规定GJG297-2013
