建筑消能减震设计几乎是结构设计技术的塔尖，有大量的理论技术知识做基础才可以较好的完成一个消能减震设计。这些技术知识都需要有一个基本思维基础，就是正确理解消能减震结构弹塑性阶段的不同构件（结构构件、消能构件）的能量状态，以及诸如自然阻尼（见文十二）、消能器阻尼耗能、消能器的塑性变形耗能等概念。

　　关于结构弹塑性阶段的能量分布问题，本系列第一篇就论述了这个问题，为了讲清楚消能减震，我们再复述一下。

　　右侧是地面震动输入结构的总的地震能量，注意这里的能量定义是结构质点在等效地震力作用下在质点相对地面位移上的积分而得出的能量，显然这个能量不是结构质量绝对运动时的物理真实能量（质点相对于大地静止参考系的能量），至于为什么地震输入能量采用这个形式，是因为这个能量可以简明的表达出结构运动时的各种能量的状态分布。

　　左边三项从左到右分别是结构质量的动能、阻尼消耗的能量凹面、构件材料的应变能。

　　这里的应变能是材料的弹性应变能和塑性变形能之和。阻尼是结构材料本质的固有特性，只要结构有运动材料变形过程就会产生阻尼（见本系列十二）而消耗能量。当地面停止运动，质量动能和逐渐释放的弹性应变能会被阻尼及材料的塑性变形逐渐消耗掉，最终结构完全静止下来，只保留结构塑性变形消耗的能量以塑性变形的形态储存下来，如果是弹性结构，所有的弹性应变能将全部被阻尼消耗掉。

　　对于消能减震结构来说，上式中的阻尼耗能分成两个部分，一是自然阻尼的耗能，二是人为设置的阻尼器的耗能（准确的说应该是速度型阻尼器的耗能）。结构中的自然阻尼构成是非常复杂的动力剪，本系列文十二有专门的论述。

　　我们可以设计出专门的阻尼性产品，其阻尼力和阻尼器两端的速率成正比，这就是规范上的速度相关型消能器，如粘滞消能器、粘弹性消能器，这种效能器从消能原理上讲，应为阻尼耗能。

　　结构构件的塑性变形对结构会产生伤害，所以我们希望产生塑性变形的构件是非主要构件或承担竖向荷载比较小的构件，比如支撑。支撑主要承担水平荷载可能未解析或国内无法访问，即使塑性变形破坏对结构竖向承载力能力影响不大，还可以更换；剪力墙连梁也是同样的道理。框架梁相对于框架柱来说，产生塑性变形不至于马上引起结构的倒塌，所以对于纯框架结构，也希望即使出现塑性铰也尽量位于框架梁上。

　　如果我们设置某些专门的构件，其不承担竖向荷载，一般设置如支撑那样的部位。这些构件是工厂生产的产品，在地震作用下，构件可以重复屈服耗能即形成非常饱满的滞能耗能环，即使损坏也可以更换，这些以专门材料屈服或材料摩擦为特征的消能部件叫位移相关型消能器，耗能能力与消能器两端的相对位移相关的消能器，如金属消能器、摩擦消能器和屈曲约束支撑等。

　　还有复合型消能器，耗能能力与消能器两端的相对位移和相对速度有关的消能器，如性消能器等。

　　阻尼的机理非常复杂，复杂的我们几乎无法详细了解其本质，所以为了进行振型分解的计算，采用了与速度成正比的简化粘滞阻尼模型，模型阻尼消耗的地震能量基本相当于实际自然阻尼消耗的地震能量二手船。我们一般所谓的结构阻尼比5%或2%是简化的弹性阶段的结构材料阻尼比。实际上，结构进入塑性阶段后，结构的阻尼会显著增加，此阶段的耗能新增了阻尼耗能，还有构件材料塑性变形的耗能。同时，因为结构的震动频率减少，结构速度变小，相对于弹性阶段阻尼耗能占比大幅度减少了，增加了大量的材料屈服耗能，地面运动输入的总的地震能量也变小了。我们很难区分出弹塑性阶段增加的阻尼产生的耗能和材料塑性变形的耗能，而是把该阶段增加的阻尼比耗能和材料塑性变形耗能通通按材料塑性变形耗能考虑。

　　最近审图，看到设计总说明中的设计参数一项赫然出现了“结构弹性阻尼比为5%”，我很惊讶现在的设计说明都这样详尽了吗？这样的设计说明应该是拷贝来的，大概很少有结构工程师了解这个弹性阻尼比的“弹性”意味着什么？不过并不影响结构设计。

　　综上我们可以把耗能部件分为阻尼型和材料屈服型，也即上述能量公式中的第二项和第三项。这样我们可以总结一下，地震中结构的能量状态：

　　（2）自然阻尼耗能。我们一般假定为混凝土结构5%，钢结构2%，钢与混凝土结构为2%~5%。

　　（5）结构构件的屈服耗能，这是对结构承载力有不利影响的，所以我们尽量用地（4）项专门设置的位移型耗能构件的方式代替。

　　消能器是通过内部材料或构件的摩擦，弹塑性滞回变形或黏 （弹）性滞回变形来耗散或吸收能量的装置。包括位移相关型消能器、速度相关型消能器和复合型消能器。

　　速度相关型消能器的阻尼力和消能器两端点的相对速度有关，其消能量按下式计算：

　　理论上，速度型消能器只提供阻尼，不改变结构的刚度和振动周期、振型等。实际上人工阻尼器和自然阻尼不同。我们可以把自然阻尼理解成一个自由振动结构位于一个充满粘滞液体的容器中，整体结构的质量均匀的受到与速度成正比的阻尼反力的作用。实际结构是不同部位受到的阻尼不同和结构材料的质量分布和其构造相关，阻尼是不均匀的，但我们并不考虑不同阻尼对结构造成的影响，而是采用刚度与质量的不均匀的影响。实际上我们专门设置的粘滞形速度阻尼器，虽然其静刚度为零，但其动刚度即在速度作用下，阻尼器提供巨大的反力。从宏观上看，阻尼器和与其连接的子结构对整体结构而言就是改变了结构的刚度分布（局部阻尼减小子结构的变形，宏观上就是增加了该子结构的刚度），我们在结构计算中只是考虑不同质量分布和结构构件的布置的不同刚度的影响，不考虑或无法考虑其不同阻尼的影响。不同部位因材料特性的不同而考虑不同的阻尼时，为复振型。但是这个仅仅用于减隔震是才考虑复振型，对于不进行减隔震的结构我们仍然采用各部位相同的阻尼进行计算，如混凝土结构阻尼比为0.05，钢结构为0.02。

　　人工阻尼器布置显然会减少消能子结构的位移（通过楼板进而减少整个结构的位移等），从宏观上看该子结构的刚度就是变大了，也就是说改变了结构刚度的分布，不合理的布置会造成结构的扭转、薄弱层等问题，所以合理的速度型消能器的布置时首先要考虑的。规范规定阻尼器在结构中的布置应遵循 “均匀、 分散、 对称、 周边” 的原则， 且应具有足够的数量。大家看消能器的布置原则是不是和框剪结构的剪力墙的布置原则几乎一致。剪力墙的布置时均匀合理的增加结构的抗侧刚度和抗扭刚度，而消能器的布置时均匀的消耗结构的抗侧力和抗扭力，两种一个是“抗”，一个是“消”，殊途同归。

　　速度型消能器（理论上的阻尼）应该设置在速度较大的部位，对整体结构来说也是应该在结构自振周期位于反应谱上的中段效果才明显，这个概念在本系列文章（上.二）论述过。

　　我们可以把位移型消能器直接理解成利用特殊材料饱满的滞回耗能性能而设置的专门构件。本质上其塑性耗能原理和其它构件的弹塑性阶段的耗能机理一样，如下面的公式：

　　（1）设置的部位不承担结构竖向荷载，即使发生塑性变形和破坏也不影响结构的竖向承载力。

　　不承担结构竖向荷载的部位基本就是斜向支撑，所以无论是速度型还是位移型消能器其设置性能大都是以支撑的面目出现。如下图：

　　大家都知道，剪力墙的连梁承担较小的竖向荷载，其弹塑性变形对结构的损伤较小，但可以消耗较大的地震能量，比如林同炎设计的xxx就是利用核心筒连梁屈服消耗地震能量的原理。因此我们可以专门设置比如软钢的剪切型消能器，自然比混凝土连梁的耗能要有效的多。但这种结构一般是框剪结构的主要用于抗剪的局部剪力墙的且能够更换的部位，如下图：

　　一些资料上，把位移型消能器也叫阻尼器，这个名称理论上不是太准确，而且也容易引起工程师的误会，应该称为耗能器，速度型消能器才可以叫阻尼器，当然两者都可以叫消能器。

　　了解上述消能减震的本质，才能理解软件按规范进行消能减震的设计，本文对繁琐复杂的设计无法详细介绍，仅简单的进行说明。

　　结构消能减震设计大致有三种情况，一是结构在《抗规》小震弹性阶段就不满足结构设计要求，需要布置消能器，以期望满足小震下的抗震设计。第二种是普通非消能结构小震设计已经满足，但需要提高结构中震的抗震性能，比如《条例》中的八大类建筑在中震中保持正常使用功能，采用消能减震设计就是一个经济合理的路子，这也是《条例》要求八大类建筑的原因。第一种情况虽然看起来也能满足一般建筑的抗震设计要求，但是是不可靠的，尤其是中震下，消能器可能超出其极限范围，对结构造成更大的破坏，所以消能减震建筑建筑一般用于第二种情况。对于一般非超限的规则结构满足《抗规》和《通规》的最底线抗震设计要求即可时，不应该采用消能减震设计（不如传统方法可靠），应该采用传统的非消能建筑设计。对于不规则复杂的超限结构进行性能化设计时，应该使消能器在中震下满足正常使用要求，这可以理解为消能减震结构的第三种情况。

　　结构先进行非消能建筑建模计算（小震或中震，根据上述的第一种或第二种情况 ），看下结构的层间位移、基底剪力、构件超限、耗能等参数，然后估算增加附加阻尼比进行计算，达到满足规范的小震或中震下的正常使用的设计要求，看下附加阻尼比的耗能占比。

　　然后进行消能器的布置，先按弹性弹性时程分析对消能结构进行计算。消能结构的消能器耗能占比和上述的估算的附加阻尼比的耗能占比基本相同，以达到上述的设计目标。此时的消能器按其计算参数用能量法进行计算，得出每个消能器的有效刚度和有效阻尼比，计算方法按《抗规》12.3.4计算

　　有效阻尼比为构件循环力-变形一周的滞回曲线包围的能量与结构总应变能之比。

　　得到消能器的有效刚度和有效阻尼比需要采用弹性时程分析（结构主体弹性，消能器弹塑性）的能量法得到。《建筑消能减震技术规程》6.3.2规定可以采用反应谱迭代法进行计算有效刚度和有效阻尼比。

　　程序采用能量法计算有效刚度和有效阻尼规范方法及反应谱迭代法（消能建筑规程6.3.2条文说明），是非常复杂的力学和程序编程知识，不在本文的讲述之列，有兴趣的读者可以查阅有关文献。

　　利用消能器有效刚度和有效阻尼比，进行结构振型分解反应谱法计算及弹性时程分析，如果满足结构设计要求，再进行大震下的弹塑性分析，如果不满足，增加消能器的数量及调整消能器的布置重复上述的计算，直到满足振型分解反应谱的设计要求，再进行大震下的弹塑性时程分析。

　　消能减震设计时，中震和大震时消能器和一些结构构件已经进入弹塑性阶段，因此弹塑性时程分析是必要的，但是利用阻尼器有效刚度和有效阻尼进行振型分解反应谱分析和设计方法是不能舍弃的，该设计方法仍然是可靠的和必须进行的。