土木君注：侯杰博士等直擊金屬阻尼器應(yīng)用痛點(diǎn)，獨(dú)創(chuàng)性的解決了目前結(jié)構(gòu)分析軟件不能自動(dòng)修正金屬阻尼器的附加阻尼及附加剛度問(wèn)題，在此與同行分享，若需了解更多，可與侯博士或土木君聯(lián)系。

0  引  言

地震給人類(lèi)帶來(lái)了災(zāi)難，也促進(jìn)了結(jié)構(gòu)消能減震等工程技術(shù)的進(jìn)步。美國(guó)北嶺地震（1994年）和日本阪神地震（1995年）分別促進(jìn)了消能減震阻尼器在美國(guó)和日本的工程應(yīng)用，2008年汶川地震后我國(guó)也掀起了阻尼器應(yīng)用的新高潮。阻尼器通常分為位移相關(guān)型、速度相關(guān)型和其他類(lèi)型。其中金屬阻尼器和摩擦阻尼器屬于位移相關(guān)型，要求位移達(dá)到預(yù)定的啟動(dòng)限值才能發(fā)揮消能作用；而利用粘性、粘彈性材料制成的阻尼器屬于速度相關(guān)型，其性能與速度有關(guān)^[1]。

三種常見(jiàn)阻尼器比較見(jiàn)表1，可知金屬阻尼器綜合性能突出：構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低且性能可靠，既可以配合隔震系統(tǒng)，又可以單獨(dú)設(shè)置在相對(duì)變形較大的部位，來(lái)提供附加阻尼及附加剛度，應(yīng)用前景廣闊^[2]。

當(dāng)前常用的結(jié)構(gòu)分析軟件PKPM（PMCAD SATWE），并不能自動(dòng)修正分析模型的附加阻尼及附加剛度，難以完成金屬阻尼器分析，因此有必要對(duì)PKPM（PMCAD SATWE）進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)分析模型的樓層位移等信息，自動(dòng)修正附加阻尼及附加剛度，并且給出相應(yīng)的誤差評(píng)估。

1  基于PKPM反應(yīng)譜法的金屬阻尼器分析方法

1.1  基本假定

結(jié)構(gòu)的地震位移是往復(fù)振動(dòng)：振動(dòng)幅值（即層位移Ui）取自SATWE反應(yīng)譜法得到的單向地震的層平均位移Ave-(X、Y)；振動(dòng)周期取自SATWE反應(yīng)譜法得到的第一個(gè)單向平動(dòng)系數(shù)大于0.5的周期T1（X、Y）；層間位移△Ui取為|Ui-Ui-1|，如圖1所示。

1.2  附加有效阻尼比計(jì)算

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）12.3.4節(jié)規(guī)定，金屬阻尼器為整體結(jié)構(gòu)提供的附加有效阻尼比可按如下公式計(jì)算：

式中 ξa―― 消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比；

Wcj―― 第 j 個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移 Δuj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量；

Ws―― 設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。

1.3  金屬阻尼器滯回模型

根據(jù)金屬阻尼器實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行理論簡(jiǎn)化，金屬阻尼器采用雙折線(xiàn)等強(qiáng)硬化滯回模型，卸載剛度與初始剛度相同，該模型僅需四個(gè)參數(shù)即可標(biāo)定：屈服位移Dy及屈服承載力Fy，極限位移Du及極限承載力Fu，如圖2所示。

1.4  迭代分析過(guò)程

金屬阻尼器提供附加阻尼的同時(shí)，也提供了附加剛度，則在基于反應(yīng)譜法的金屬阻尼器分析方法中，需要不斷迭代分析（如圖3示），直至前后兩分析步的模型誤差（本文采用樓層位移的相對(duì)誤差表示）足夠?。ū疚囊?.5%為誤差限值），即可認(rèn)為在當(dāng)前分析步的分析模型中，附加阻尼、附加剛度與樓層位移之間達(dá)成平衡：以當(dāng)前的附加阻尼、附加剛度作為模型輸入，即可得到當(dāng)前的樓層位移，同時(shí)，在當(dāng)前的樓層位移下，正好也能提供相同的附加阻尼、附加剛度。

圖3  金屬阻尼器迭代分析示意圖

Fig. 3  Iterative analysis display for mental energy dissipation device

2  分析軟件簡(jiǎn)介

本文針對(duì)PKPM（PMCAD SATWE）分析軟件的不足，研究了基于SATWE反應(yīng)譜法的金屬阻尼器近似分析方法的基本原理，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了基于SATWE反應(yīng)譜法的金屬阻尼器近似分析軟件，能夠根據(jù)當(dāng)前分析模型的樓層位移，自動(dòng)修正附加阻尼及附加剛度，并且給出相應(yīng)的誤差評(píng)估。該軟件面向普通設(shè)計(jì)人員，力求簡(jiǎn)潔、完備，易于掌握。軟件輸入、輸出界面分別如圖4、圖5所示。

3  注意事項(xiàng)

（1）經(jīng)濟(jì)適用性：最好用于層間位移較大（?R5mm）的結(jié)構(gòu)，如8度區(qū)較高的框架結(jié)構(gòu)。

（2）算法適用性：本軟件僅適合單塔分析模型，且結(jié)構(gòu)平面及立面應(yīng)規(guī)則、均勻^{[3]，每層阻尼器應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)、均勻布置；本文采用強(qiáng)行解耦方法計(jì)算附加阻尼比，國(guó)內(nèi)外一些研究表明，當(dāng)阻尼器較均勻分布且阻尼比不大于20%時(shí)，強(qiáng)行解耦與精確解的誤差大多可控制在5%以?xún)?nèi)[4]；本文認(rèn)為，若樓層數(shù)大于10，則基于反應(yīng)譜法的金屬阻尼器簡(jiǎn)化分析方法可能引起較大誤差，請(qǐng)使用SAP2000或ETABS等軟件建立較為準(zhǔn)確的時(shí)程分析模型。}

（3）阻尼器選型：若風(fēng)荷載不起控制作用，則可選取具有較小屈服位移（如1.5mm）的阻尼器，以便在地震荷載下較早屈服耗能。若風(fēng)荷載起控制作用，應(yīng)慎用金屬阻尼器，若使用，請(qǐng)選擇具有較大屈服位移的阻尼器，以保證在正常風(fēng)荷載作用下金屬阻尼器不發(fā)生疲勞破壞，確

保其抗震性能。

（4）已經(jīng)初步測(cè)試的PKPM2010版本：2012年1月版、3月版、6月版及V2.1版本。

（5）特別說(shuō)明：運(yùn)行金屬阻尼器分析之前，最好關(guān)閉360系列殺毒軟件，否則可能導(dǎo)致程序不能自動(dòng)修改SATWE模型。

（6）特別申明：在軟件的準(zhǔn)確性或可靠性上，作者未做任何直接或暗示性的擔(dān)保，使用者必須獨(dú)立地核查結(jié)果。

4  分析軟件測(cè)試

針對(duì)一個(gè)8度區(qū)7層（第1層為地框?qū)樱┑牡湫涂蚣芙Y(jié)構(gòu)（基于四川省安岳縣方林中學(xué)食堂項(xiàng)目的SATWE模型改造而得）進(jìn)行測(cè)試，SATWE模型如圖6所示，原始結(jié)構(gòu)固有阻尼比為5%，X、Y向?qū)娱g位移角分別為1/480、1/444，大于規(guī)范限值1/550。初始，在2-7層X(jué)、Y向各布置一個(gè)金屬阻尼器進(jìn)行試算（共12個(gè)阻尼器），第2步迭代分析完成后，最大層間位移角（第3層Y向）變?yōu)闉?/537（如表2），仍大于規(guī)范限值，則在第3步迭代分析前修改了SATWE模型（通過(guò)PMCAD）：在第3層Y向增設(shè)一個(gè)阻尼器（共13個(gè)阻尼器），第3步迭代分析完成后，最大層間位移角（第3層Y向）變?yōu)闉?/551，滿(mǎn)足了規(guī)范要求，并且以后各分析步中層間位移角再無(wú)超限情況。

因?yàn)橄鄬?duì)誤差是基于本分析步與上一個(gè)分析步之間的層位移、層間位移的差別得到的，則第1步迭代分析中最大相對(duì)誤差（0.2627）不具有實(shí)際意義。因?yàn)閷?duì)SATWE模型的阻尼修正及剛度修正具有最小尺度（因?yàn)樽枘岜却嬖谏崛胝`差、PMCAD中等代支撐截面尺寸按毫米取整），當(dāng)修正量小于該尺度時(shí)不再進(jìn)行模型修正，則會(huì)導(dǎo)致前后兩分析模型完全相同，因而計(jì)算結(jié)果也完全相同，致使最大相對(duì)誤差為零（如表2中第7步迭代分析中最大相對(duì)誤差為零）。

5  結(jié)論

本文首先介紹了當(dāng)前我國(guó)金屬阻尼器分析中存在的問(wèn)題，然后詳細(xì)介紹了基于PKPM反應(yīng)譜法的金屬阻尼器分析方法，簡(jiǎn)要介紹了所開(kāi)發(fā)的分析軟件，最后基于實(shí)際工程項(xiàng)目的分析模型，對(duì)所開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行了測(cè)試，基本功能良好。

在以后工作中將選取多個(gè)典型工程，進(jìn)一步測(cè)試和完善本文軟件，以促進(jìn)金屬阻尼器的工程應(yīng)用，為避免或減輕地震災(zāi)害貢獻(xiàn)綿薄之力。 

參 考 文 獻(xiàn)： 

[1] 蔣夢(mèng)，阿肯江.托呼提.阻尼器在消能減震結(jié)構(gòu)中應(yīng)用概況評(píng)述[J].低溫建筑技術(shù)，2012（1）：48-49.

[2] 李世珩,陳彥北,胡宇新,郭紅鋒. E型鋼阻尼器及其在橋梁工程中的應(yīng)用[J]. 鐵道建筑，2012，1(1): 1-4.

[3] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 3―2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011―2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

本文原刊于《四川建筑科學(xué)研究》

（2016年第五期，總第187期）

作者：侯杰，伍庶，孫山，曹莉，康永君

建筑資質(zhì)代辦咨詢(xún)熱線(xiàn)：13198516101

標(biāo)簽：計(jì)算、金屬、阻尼器

版權(quán)聲明：本文采用知識(shí)共享 署名4.0國(guó)際許可協(xié)議 [BY-NC-SA] 進(jìn)行授權(quán)

文章名稱(chēng)：《金屬阻尼器快速計(jì)算問(wèn)題》

文章鏈接：http://m.fjemb.com/8657.html

該作品系作者結(jié)合建筑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、政府官網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)整合。如若侵權(quán)請(qǐng)通過(guò)投訴通道提交信息，我們將按照規(guī)定及時(shí)處理。