多目标设计方法用于框架结构流体粘滞阻尼器抗震加固

《International Journal of Disaster Risk Reduction》：A multi-objective design procedure for the seismic retrofit of framed structures with Fluid Viscous Dampers

　　

2025年全球减少灾害风险评估报告（Global Assessment Report on Disaster Risk Reduction，GAR 2025）强调了灾害造成的社会和经济负担持续存在，并警告灾后重建往往只是恢复灾前状态，而非系统性地纳入降低风险的措施。这进一步凸显了预防性抗震加固的必要性，尤其是在欧洲，因为大部分既有建筑建于现代抗震设计标准颁布之前。欧洲面临的挑战是双重的：针对配备耗能系统建筑的规定仅在第二代欧洲规范8（Eurocode 8）中才引入，导致其实际实施依赖于工程判断和迭代设计；与此同时，文献中提出的多种方法通常仅针对单一设防烈度水平下的单一结构性能目标。然而，不同强度的地震可能造成不同的结构性和非结构性损伤，即使在结构安全得到保障的情况下，也可能产生经济损失和功能中断。 本文提出了首个多目标设计方法的公式化推导与数值验证，用于既有框架建筑中流体粘滞阻尼器（Fluid Viscous Damper，FVD）系统的设计。该流程同时考虑不同极限状态下的基于位移的性能目标，反映不同的性能要求，并支持基于风险的加固决策。这些目标通过约束优化确定阻尼器参数，并据此确定其沿建筑高度的分布。在该公式中，FVD被理想化为纯粘性耗能装置，忽略阻尼器–支撑组件的弹性变形能力。因此，所提出的方法代表了将多水准抗震性能要求整合到实际加固设计中的一步，支持制定更主动的策略以降低既有建筑的易损性。

论文解读：多目标设计方法用于框架结构流体粘滞阻尼器抗震加固

一、研究背景与问题提出

全球范围内，地震灾害造成的经济损失和社会影响持续严峻。仙台减少灾害风险框架（SFDRR 2015–2030）确立了从被动灾后管理向主动风险预防转变的范式，但近十年过去，这一转变仍未完成。GAR 2025指出，2000至2023年间，地震约占五大主要灾害群相关死亡人数的50%，其社会影响与其相对较低的发生频率不成比例。同时，考虑间接、级联及生态系统相关影响后，灾害造成的年度经济负担估计超过2.3万亿美元。灾后重建仍常恢复灾前状态而非系统纳入改进标准与降险措施，凸显了预防性投资的必要性。

欧洲约85%的现有建筑建于2000年之前，大量建筑早于现代抗震设计原则。在既有建筑抗震加固中，流体粘滞阻尼器（FVD）因速度相关响应特性，能在不显著增加结构侧向刚度的前提下实现大量能量耗散，且对宽频范围敏感性低、可容纳大行程并产生高力，因而特别适用于既有建筑加固。然而，欧洲监管框架发展相对滞后：第二代欧洲规范8（EN 1998-1-2:2026）才首次明确引入配备耗能系统建筑的规定，而美国ASCE 7-22和日本JSSI手册早已建立详细要求。更关键的是，即使新规范确立了建模、分析和验算原则，阻尼器力学参数、数量和位置的初步选择仍主要依赖设计者判断，实际设计常陷入迭代试错的循环。

文献中已有多种FVD设计方法，包括Silvestri等的“五步法”、基于能量的设计方法（如Sorace等）、基于位移的设计框架（如Sullivan和Lago）、以及结合优化算法的各类方法。但这些方法大多针对单一设防烈度下的单一性能条件。研究表明，单一设防条件下的满意性能并不能保证其他地震场景下充分保护——尤其当涉及非结构构件（NSC）、建筑内容和设备时。2016年意大利诺尔恰德加斯佩里–巴塔利亚学校案例即为明证：该建筑虽经抗震升级并安装钢支撑和屈曲约束支撑，地震仍造成严重非结构损伤，危及外部应急楼梯可用性。此外，Gandelli等指出，为严重地震下防止结构损伤而设计的耗能系统可能增加较频繁地震中加速度敏感构件的需求。因此，多极限状态视角的加固设计至关重要。

二、研究内容与结论

本研究首次提出并数值验证了多目标FVD设计方法，用于既有框架建筑抗震加固。所谓多目标，指同时考虑与不同极限状态相关的多个性能要求，这些要求以基于位移的指标表达并纳入约束拟合问题。方法旨在指导工程师完成FVD系统尺寸确定与分布，使多个结构和功能性能目标同时满足。当前阶段，阻尼器–支撑组件被理想化为纯粘性元件，忽略弹性变形能力，假设支撑和连接轴向刚性，补充系统仅通过速度相关能量耗散发挥作用。研究在4、6、8和12层二维钢筋混凝土（RC）框架结构上系统评估了该方法。

三、关键技术方法

研究采用的主要技术方法包括：基于静力推覆分析（pushover analysis）获取主框架（Main Frame）能力曲线，并转换至加速度–位移响应谱（ADRS）空间；通过第一振型参与系数将多自由度（MDOF）体系转化为等效单自由度（SDOF）体系；采用5%阻尼弹性谱作为参考需求，通过阻尼折减系数考虑补充阻尼；利用约束可分离非线性最小二乘问题确定阻尼系数C和速度指数α参数对；提出四种沿高度分布阻尼器参数的加权准则（基于耗能、基于阻尼力、基于层间速度、均匀分布）。案例结构取自文献[68]，为4、6、8和12层的二维RC框架。

四、研究结果

FVD在不同强度水平下的行为特征与多极限状态需求

通过谐波输入下的单层单跨框架分析表明：非线性阻尼器（α<1）在设计位移以下的位移水平产生比线性和超线性装置更高的输出力；位移需求超过设计水平时，非线性阻尼器趋于保持近似恒定力，有利于限制严重地震下的力放大。等效阻尼比方面，线性阻尼器（α=1）与运动幅值无关，而非线性和超线性装置则呈现明显幅值依赖性：α<1时阻尼比随位移幅值增大而减小，α>1时趋势相反。这些结果证明单一设防烈度校准的设计无法保证不同强度地震下的一致性能。

设计流程的六步程序

方法分为六步：第一步通过推覆分析定义主框架能力曲线，考虑均匀和模态两种侧向荷载模式及正负方向；第二步根据设计规范和项目特定要求定义不同极限状态的性能目标，将层间位移角限值通过第一振型假设转换为等效屋顶位移；第三步将SDOF能力曲线转换为谱坐标，在ADRS空间中与对应需求谱比较，确定是否需要补充阻尼及所需阻尼比；第四步通过gamma函数项的线性化简化等效粘滞阻尼比表达式，建立目标位移与所需阻尼比的关系；第五步通过约束可分离非线性最小二乘问题确定SDOF体系的全局参数C和α；第六步将SDOF参数分配至物理体系的各楼层。

四种分布准则的比较

研究提出四种阻尼器参数分布准则：分布A按耗能加权（与层间速度的α+1次方成正比）、分布B按阻尼力加权（与层间速度的α次方成正比）、分布C按层间速度加权、分布D均匀分布。各准则均推导出楼层阻尼系数的解析表达式，并考虑每层阻尼器数量相同或C_i均匀两种情况。

五、讨论与结论

该研究回应了GAR 2025强调的预防性抗震升级需求，特别是在欧洲大量既有建筑早于现代抗震标准建造的背景下。所提方法首次将多水准抗震性能要求直接整合到FVD设计中，使不同可接受响应条件能与不同设防烈度及预期减轻的结构、非结构和功能后果明确关联。方法以简单实用为设计理念，旨在引导专业工程师完成既有建筑FVD系统的尺寸确定与分布，同时满足多个结构和功能性能目标。研究在二维RC框架上系统验证了方法有效性及不同分布准则的影响，建立了多水准性能要求与FVD设计之间的直接联系，为补充阻尼作为降低既有建筑地震易损性的预防策略提供了基础。当前阶段忽略阻尼器–支撑组件弹性变形能力的简化假设，其有限刚度对有效阻尼和加速度需求的影响留待未来研究。