屈曲約束支撐和阻尼器在建筑結構中減震效果分析

李 璐

(太原理工大學建筑設計研究院,山西 太原 030024)

1 概述

在各種自然災害之中，地震災害所帶來的危害是相對嚴重的，而從地震發(fā)生過程中對于人們造成損害方面來說，主要是由于地震發(fā)生時會導致建筑工程出現(xiàn)嚴重破壞問題或者是倒塌問題，使得人員受到相對大傷亡。因為現(xiàn)階段我們不能夠對地震災害進行更加準確的預測，所以，在預防地震災害的過程中，最為有效的方法依舊是確保建筑工程抗震性能能夠有效提升，通過此種方法可以有效的減少地震中造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失，這在以往地震災害防治工作之中已經(jīng)得到了證實。要想保證建筑工程在發(fā)生地震情況下依舊可以擁有優(yōu)良的穩(wěn)定性能，要求必須要結合建筑工程實際情況和標準規(guī)范要求，針對建筑工程開展抗震設計工作。

2 抗震加固技術

2.1 屈曲約束支撐加固技術

此種抗震加固技術所應用到的主要為屈曲約束支撐元件，其屬于一種消能類型元件，該元件受到地震災害影響情況下其軸向應力將會轉移至結構中心位置的芯材承擔，其受到了軸向的作用力情況下會發(fā)生屈服反應，從而消耗掉沖擊作用所帶來的能量，設置于外部結構的鋼管以及套管之中澆筑成型的混凝土結構則能夠保障芯材在彎曲過程中受到一定約束，從而防止其在受到相對大壓力情況下而出現(xiàn)失穩(wěn)問題。因為基本上不會出現(xiàn)受壓失穩(wěn)問題，所以，采用此種結構對建筑工程進行支撐情況下，要較采用鋼結構進行支撐所需面積更小，如此便能夠有效的降低地震對于建筑工程的破壞作用。

2.2 粘滯阻尼器加固技術

此種抗震加固技術所應用到的主要為粘滯阻尼器元件，其同樣屬于一種消能類型元件，該元件通常由缸筒結構、活塞結構、阻尼孔結構以及粘滯材料等不同部分構成。其在工作中是借助于活塞結構以及缸筒結構所存在的相對運動，在這一運動過程中會形成一定壓力差，因為受到了壓力作用，將會使得缸筒之中所包含的粘滯材料將由阻尼孔結構之中流出，這樣便會形成一定的阻尼作用，借助于粘滯材料流動以及產(chǎn)生的阻尼作用而消耗能量。線性阻尼器裝置阻尼作用和速度之間表現(xiàn)出正比例關聯(lián)性，在遭遇相對低等級的地震災害情況下，其阻尼作用相對較小，而遭遇相對高等級地震情況下，其阻尼作用相對較大。而對于非線性阻尼器裝置而言，其在遭遇相對低等級地震災害情況下，其阻尼作用相對大，遭遇相對高等級地震情況下，其阻尼作用并不會呈線性增加。就目前實際應用效果而言，非線性阻尼器裝置應用效果更為優(yōu)良。其不僅能夠抵抗地震災害作用，同時也可以有效的抵抗風力的作用，能夠更好的對建筑工程加以保護。

2.3 隔震層加固技術

隔震層是在建筑工程結構之中增加上相應的隔震支座結構以及阻尼結構等，從而構建成為能夠一定復位性能的隔震層結構，如此便可以確保建筑工程在受到地震作用情況下的自振周期得以增加，從而使得地震沖擊下傳到建筑工程上部結構位置處的地震沖擊作用有效減弱，確保建筑工程的抗震性能能夠得以有效改善。對于一些低層建筑工程而言，例如:食堂建筑結構，這些結構一般情況下高寬比值不超過4，而且在變形過程中也多是剪切變形，建筑工程的整體剛度值相對大，建筑工程所擁有的自振周期相對短，極易受到地震災害的影響。通過增加隔震層結構之后，便能夠確保建筑工程的自振周期會有所增加，從而使得建筑工程上部構造在受到地震作用下的加速度反應將會進一步減弱，這樣便能夠使得結構阻尼增加，從而達到有效的抗震效果。

3 抗震加固技術在工程中的應用現(xiàn)狀

目前，我國幾乎所有的建筑工程在設計以及施工過程中都開始應用不同類型的抗震加固技術，其中大部分都是僅僅應用了一種抗震加固技術，但是，采用屈曲約束支撐加固技術和粘滯阻尼器裝置加固技術進行聯(lián)合抗震設計的建筑工程相對較少。在采用屈曲約束支撐加固技術時，由于屈曲約束支撐結構其屬于一種位移類型的阻尼裝置，當發(fā)生相對小地震情況下，屈曲約束支撐結構是在彈性狀態(tài)之下，無法有效發(fā)揮出減震作用，不過可以確保建筑工程的側向剛度有所提升，從而使得建筑工程的位移減小。而在發(fā)生了相對高等級地震災害情況下，則屈曲約束支撐結構可以發(fā)揮相對大的減震作用。粘滯阻尼器裝置其屬于一種速度類型的阻尼裝置，在建筑結構遭受到相對低等級的地震災害情況下，其能夠起到有效減震作用，而且在建筑結構遭遇相對大的地震災害情況下也能夠發(fā)揮更大的減震作用。不過，粘滯阻尼裝置其無法確保建筑工程的側向靜剛度值有所提升。而若是僅僅借助于粘滯阻尼器裝置來控制建筑工程位移，則通常要求應當設置相對多的粘滯阻尼裝置，這樣將導致建筑工程的整體造價會有所增加。

所以，通過應用屈曲約束支撐加固技術以及粘滯阻尼加固技術，能夠確保建筑工程無論是遭遇何種等級的地震強度情況下均可以發(fā)揮優(yōu)良的抗震效果，同時，也能夠有效提升建筑工程的側向剛度，從而可以達到結構的位移要求，確保建筑工程擁有更為優(yōu)良的抗震性能。 而在應用隔震層結構的過程中，要求其要擁有相對優(yōu)良的初始剛度值，這樣才能夠確保風力載荷以及其他水平載荷的影響之下，建筑工程不會出現(xiàn)相對大位移問題，確保建筑工程能夠達到正常的應用需求。并且，對于其上部結構而言，要求所設置的隔震層結構其剛度值應適當減小，如此才能夠確保在遭遇地震災害問題情況下，能夠降低建筑工程上部結構出現(xiàn)的加速度值，從而確保建筑工程可以更加穩(wěn)定。

4 屈曲約束支撐和阻尼器實際應用效果分析

4.1 建筑工程概況

某建筑工程屬于學校綜合樓建設工程，工程結構屬于鋼筋混凝土結構，建筑結構層數(shù)為12層，南北方向對應的寬度值在15 m～18 m，東西方向對應的寬度值在57 m～64 m，整體呈現(xiàn)圓弧形狀，南北方向上設置的柱結構間距值在3 m～5 m范圍之內，東西方向上設置的柱結構間距值在7.1 m～8 m。建筑工程所處的區(qū)域屬于7度設防區(qū)，依照我國相關的標準與規(guī)范之中規(guī)定，為了確保建筑工程能夠擁有更為優(yōu)良的抗震性能，在進行設計與施工過程中甲方要求按照8度設防區(qū)標準進行設計，所以，在實際設計與施工過程中采用了聯(lián)合抗震加固技術。

4.2 屈曲約束支撐和阻尼器聯(lián)合抗震加固方案設計

若是僅僅利用以往的抗震加固技術，要求在建筑結構之中設置上剪力墻結構，同時也要求針對梁柱結構進一步進行加固處理，增加梁柱結構的截面面積大小，這樣不僅導致建筑工程的整體使用功能會受到一定影響，另外，也會使得建筑工程的整體造價偏高。所以，在進行設計與施工過程中，應用了屈曲約束支撐和阻尼器抗震加固技術。在建筑結構的四角位置處加設向X方向以及Y方向的屈曲約束支撐結構，一共設置有140根，在不同層結構之間加設粘滯阻尼器裝置，阻尼器裝置的阻尼系數(shù)為70 kN(s/mm)0.3，阻尼指數(shù)為0.3，預估阻尼力為600 kN，所設置的阻尼裝置數(shù)量一共為30套。

4.3 屈曲約束支撐和阻尼器聯(lián)合抗震加固方案應用效果

針對采用屈曲約束支撐和阻尼器聯(lián)合抗震加固方案設計之后的建筑工程進行Midas Gen模擬分析。通過分析得出，在小震作用之下，設置屈曲約束支撐結構能夠確保建筑工程的層間位移角度值控制在1/800范圍之內，符合標準要求，同時加設了粘滯阻尼器裝置，這樣又進一步確保了建筑結構層間位移角的降低，從而保障了建筑結構能夠達到小震條件下抗震標準要求。針對大震情況下建筑結構層間位移角進行模擬得出，在采用屈曲約束支撐和阻尼器聯(lián)合抗震加固方案進行加固處理之后，確保了層間位移角能夠控制在1/100范圍之內，從而使得建筑結構不會出現(xiàn)相對嚴重的損壞，可以滿足“大震不倒”這一標準要求。這也說明了此建筑工程通過采用屈曲約束支撐和阻尼器聯(lián)合抗震加固方案有效的提升建筑工程抗震效果，滿足標準與規(guī)范的要求，在實際應用中是可行的。