[摘要] 第一章 绪论1 1选题来源及意义建筑不仅是一座城市人文和历史
第一章 绪论
1.1选题来源及意义
建筑不仅是一座城市人文和历史的载体，是人们工作、休息的场所，更是遮风避雨的庇护所。它一边勾勒着我们生活的街区，又一边孕育着风土和人情。而相对于风雨等自然现象，强烈的地震更加危及着我们的生命财产安全。地震作用是在地震过程中地面运动而产生的一种动态效应。针对我们的结构而言，地震对其产生的作用往往具有整体性。地震发生的特点是随机性和不可预知性，其通常是在不被察觉的时候突然发生，给我们带来巨大的灾难。在强震的作用下，要求结构不损伤往往是不经济的，甚至是不可能实现的。结构在地震作用下的破坏通常最先发生在其薄弱部位，严重时甚至会导致结构整体坍塌[1]。历史上也有许多优秀的建筑因地震灾害而毁坏、甚至消失。在面对地震的侵袭时，一个不设防的城市很难摆脱被毁灭的结局。谢礼立院士曾指出：“地震灾害的本质其实就是土木工程灾害。”[1]一个国家的抗震设防目标往往是根据本国的自身环境、经济实力、当前的科学技术情况、所用的建筑材料以及设计施工的水平等因素综合设定的，是随着本国甚至全世界的科学进步和经济发展而不断改善提高的，是建筑结构本身应对地震灾难应具备的安全性需求。我国的建筑物普遍应用三水准抗震设防目标来达到人们对建筑安全的要求。减少建构筑物在地震作用下的动力反应，提高结构自身抗震性能是预防地震灾难保证人民财产安全的首要任务。1994 年在美国加州发生的北岭地震和 1995 年在日本阪神发生的大地震，给这两个国家和人民带来了不可磨灭的伤痛；2011 年 3 月 11 日的东日本地震是即 1923 年关东大地震以来最为惨痛的一次灾害；约两万人在这场地震中丧失了性命……、再看国内，1976 年的 7.8 级唐山大地震，给当时的中国带来了前作未有的经济损失和人员伤亡；2008 年令全国人民铭记的“5 12”汶川大地震，近 8 万的在这场地震中死亡；而两年后青海玉树的地震建筑抗震又一次造成了数以千计的人员伤亡和财产损失。全世界地震的频发被国内外的土木工程学者和相关设计施工专业人员高度重视，因此消能减震技术作为一种有效的抗震措施被人们越来越多的提及和应用，并且在2013 年 12 月 1 日，我国颁布实施了相应的技术规程——《建筑消能减震技术规程》（JGJ297-2013）。可以预见在未来的很长时间内消能减震相关技术将会被人们广泛应用于建筑抗震中。
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1.2消能减震结构概念
一般情况下，为保证结构在其设计年限内可能遭受的罕遇地震作用下不致发生过于严重的破坏甚至整体倒塌，土木工程师们通常人为的将建筑物中的构件划分主次，允许次要构件在地震作用下被损坏，从而使得主要构件得到保护，让建构筑物按照人们预期设定或是设想的破坏方式进行，达到建构筑物在地震作用下的结构可控。换句话说，就是通过建构筑物中结构的次要构件在主要构件进入塑性变形阶段之前就已经产生塑性变形，并消耗了一部分的地震能量，从而减少主要结构构件所需承担的地震能量，以保证安全。这就是我们以前一直沿用的依靠结构自身塑性变形能力和强度的“硬抗”地震的传统的抗震设计理念[2]。结构减震控制作为一个新兴的科学的结构抗震理论，在近年来的发展十分迅猛。结构的减震控制思想主要是将具有良好滞回能力的消能部件安装到原结构中去，与原结构形成一个新的整体来抵抗地震作用，其中的原结构和消能部件将作为整体结构的子结构存在。这一新的抗震结构，主要通过其中增设的消能部件来耗散地震输入的部分能量，分担原结构的耗能压力，从而减轻原结构受地震作用的影响，减小整体结构的动力反应，从而保证主体结构在地震过程中免遭破坏，满足人们的抗震目标或更高的安全性的要求，与“硬抗”的传统设计理念相比，这显然是一个让人更为满意的积极的抗震理念，具有更好的发展前景。消能减震设计是通过在结构中布置一些主动或被动的消能部件从而减轻结构在地震作用下的动力响应为出发点，最终实现结构的安全保障或者设计地震降低一度的先进的设计思路。原结构和附加的耗能部件共同作用形成一个新的结构体系，即消能减震结构。消能减震结构同原结构相比由于新增设了耗能装置，会使其在地震作用下的动力特性明显小于原结构，这就提高了结构的整体抗震性能，从而使结构更加安全可靠[3]。
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第二章 附加黏滞消能器减震结构的分析方法
2.1黏滞消能器的构造
满足公式 2-1 的流体被称为牛顿流体，其特点是剪应力随着剪应变速速度的增加呈线性增长趋势，水、空气等就属于此类流体；当流体特性不满足上述公式 2-1 时被称为非牛顿流体，即剪应力不随剪应变速度的增加线性增长，体现出一种明显的非线性特性，沥青、水泥浆以及大多数的油类、高聚物等就属于此类流体。图 2-1 是一些流体的流动曲线，从中可以看出，除了流体 1 以外，剩余的流体均为非牛顿流体。非牛顿流体根据其在简单剪切流中其黏度函数同剪切持续时间的关系又被分为不随时间变化的非时变性非牛顿流体和随时间变化的时变性非牛顿流体。剪切力只与剪切变形速度有关（即流体的黏度只与剪应变的速度有关），而与剪切持续的时间没有关系时的这种非牛顿流体就被称为非时变性非牛顿流体，也就是广义牛顿流体。如图 2-2 就显示了几种非时变非牛顿流体的黏度曲线。与非时变非牛顿流体相反，剪切力不仅与剪切应变速度有关而且还与剪切持续的时间有关的流体就被称为时变非牛顿流体，这种流体的黏度函数在剪切应变速度一定的情况下，随剪切持续时间变大变小的不同又被分为震凝型流体（变大）和触变流体（变小）。黏弹性流体顾名思义就是同时拥有黏性和弹性两种性能的流体。与黏性流体不同的是，黏弹性流体在外力消失后会有一定的应变回复；与弹性流体不同的是，黏弹性流体会体现出徐变性能。
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2.2消能器的布置与连接
消能器的在结构中的布置首先要遵循使布置后的结构在水平两方向的动力特性相近，竖向使结构的抗侧刚度随高度均匀变化，并通过分散布置，使结构不出现新的薄弱层和降低结构扭转效应。在实际的设计过程中，当主体结构在高度方向的刚度和承载力较为均匀时，对于附加黏滞消能器的消能减震结构，消能器提供的最大阻尼力应尽量接近主体结构的层间屈服剪力比[36]。在进行消能减震结构设计时通常是 X 和 Y 两个方向分别进行的，依据上述原则在结构中布置消能器后，结构的阻尼分布比较均匀，再通过计算使结构两方向的附加阻尼基本相近，这样我们就可以在结构设计过程中采用一个统一的阻尼比，对于一些形状不规则的复杂结构或是有较大扭转的结构，在设计过程中应对两个方向的地震作用均予以考虑。为进一步发挥消能器的减震效果，通常将其布设在层间相对位移或者相对速度较大的部位，并可通过一些合理的连接或构造形式来人为加大消能器两端的变形或提高其相对速度，以是消能器的作用得到充分的利用[37]。框架结构的变形特点是：剪切变形为主、下部的层间变形较大，结构中跨变形较边跨变形大。根据框架结构的变形特点，通常将消能器布置在结构的下部中跨部位，同时为了减小与控制结构的扭转效应，也经常将消能器在结构的边跨上做对称布置。框架结构中有时会存在薄弱层时，宜在薄弱层进行重点布置，在改善结构竖向刚度的同时提高了消能器的效果。在设计过程中，一般先采用振型反应谱分解法，将原结构的层结果计算得到，找出结构中相对位移和相对速度的分布规律，然后依据分布规律按比例对结构进行消能器的布置以及参数的选择[38]。
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第三章 附加黏滞消能器减震结构工程实例............35
3.1 工程概况与结构模型............35
3.1.1 项目概况.....35
3.1.2 结构模型.....35
3.2 减震结构附加等效阻尼比的计算.........46
3.3 基于时程分析法的减震效果评价.........50
3.3.1 时程分析法..........50
3.3.2 地震波的选取......50
3.3.3 设置消能器前后层间剪力与位移对比...........50
3.3.4 黏滞消能器在设防及罕遇地震作用下的滞回曲线.........55
3.4 小结............56
第四章 附加黏滞消能器减震结构工程实例改进....57
4.1 附加黏滞消能器减震结构优化设计......57
4.2 消能减震结构附加等效阻尼比的计算..........59
4.3 基于时程分析法的减震效果评价..........63
4.4 小结............69
第五章 结论 .........70
第四章 附加黏滞消能器减震结构工程实例改进
4.1 附加黏滞消能器减震结构优化设计
附加黏滞消能器的减震结构，结构在地震中的反应情况直接取决于消能器的性能，而消能器参数的选取则是减震结构设计的关键因素之一。通过算例对单自由度体系附加黏滞消能器减震结构进行参数研究，研究表明：黏滞消能器数量及布置优化问题的关键在于如何选取控制函数，对于确定目标的优化，有研究给出了以下五种不同的控制函数：这种控制方式宜在层间位移较大的层安装黏滞消能器，然后输入地震波，采用时程法来分析结构的地震响应，然后选取此时层间位移最大的层来设置黏滞消能器，再修改结构的刚度和阻尼矩阵并进行计算分析，直至减震结构的最大层间位移满足《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ-91）中关于层间位移的限值。
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结论
本文主要介绍了黏滞消能器的发展状况与现阶段应用范围，同时又对黏滞消能器的构造与力学性能进行了简要的介绍。本文以某八层附加黏滞消能器减震结构工程实例为例，通过 Mida Gen 建立了该减震模型与未附加黏滞消能器的结构进行分析对比，同时又在该减震结构的基础上进行改进，将黏滞消能器附加给结构的等效阻尼比从 5%提高至 15%，之后，对这三种结构进行时程分析对比，得出以下结论：1.附加黏滞消能器与未加设消能器的结构相比，反应谱分析得到的结构的周期与频率没有太大改变，这是由于黏滞消能器并未对结构提供附加的刚度，而只是提供了附加阻尼。2.加设黏滞消能器的减震结构，与原结构相比，可提供约 5%的附加阻尼，同时，消能减震结构在三种不同地震波的作用下，经时程分析得到结构位移与层间剪力，相比于原结构均可减少 10%~30%不等。可见，加设黏滞消能器可明显提高结构的抗震性能。3.对消能减震结构通过增加消能器布置数量，以及调整消能器相关参数两种途径，将附加阻尼比从 5%提高至 15%。4.附加阻尼比调整为 15%后，消能减震结构与原结构相比，在地震作用下的层间剪力与位移可减少 20%-50%。综上所述，增设黏滞消能器可以一定程度上消耗地震输入的能量，从而控制结构对地震动力的反应。消能器对结构附加等效阻尼比可以通过控制消能器的不同布置方式、布置数量以及黏滞消能器自身的参数来增加附加阻尼比，然而在实际工程中，增加消能器的数量或阻尼力，会受到造价、工程结构使用功能等因素的制约。
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参考文献（略）
