阻尼器在既有建筑抗震加固中的應(yīng)用

王文星

（南開大學(xué)后勤保障處，天津 300071）

0 引 言

隨著抗震意識(shí)的不斷增強(qiáng)，對(duì)既有建筑的改造加固也越來越得到重視，以此來達(dá)到抗震減災(zāi)的目的，保證人身財(cái)產(chǎn)的安全。在我國(guó)學(xué)校建筑中，規(guī)范規(guī)定在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要求比普通建筑的抗震設(shè)防烈度提高一度。在一些高等院校，學(xué)校建校時(shí)間較長(zhǎng)，古建筑或者歷史建筑比較多，而過去的抗震設(shè)防不夠完善，這些建筑往往達(dá)不到目前的抗震要求，因此需要對(duì)其進(jìn)行抗震加固［1］。在抗震加固設(shè)計(jì)前應(yīng)先進(jìn)行建筑安全質(zhì)量鑒定，依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范，從主體結(jié)構(gòu)、構(gòu)件情況到抗震以及外檐進(jìn)行鑒定分析，從而使既有建筑在維修加固中達(dá)到抗震安全、經(jīng)濟(jì)合理的目的［2］。目前抗震加固的方法越來越多，應(yīng)用最廣的修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)的方法是粘貼碳纖維［3-4］。

1 工程概況

天津某高校東方藝術(shù)大樓建于 20 世紀(jì) 80 年代末，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，建筑平面如圖1 所示，由東、西兩段建筑組成，兩段之間為入口大廳。西段建筑為 3 層，層高：首層 5.6 m（局部設(shè)置夾層），2 層為3.2 m，3 層為 3.4 m，室內(nèi)外高差為 0.15 m，建筑檐口高度為 12.35 m。東側(cè)建筑為 4 層，層高：首層為 5.0 m，2 層為 3.8 m，3 層為 3.4 m，4 層為 3.8 m，室內(nèi)外高差為0.15 m，建筑檐口高度為 16.15 m。樓蓋結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁、板結(jié)構(gòu)，屋面設(shè)計(jì)為 200 mm 厚加氣混凝土保溫、二氈三油防水層平頂屋面。

圖1 建筑平面

2 抗震加固方案

通過對(duì)東方藝術(shù)大樓主體結(jié)構(gòu)及隱蔽部位的檢查，發(fā)現(xiàn)樓板、梁柱、墻體等存在多道裂縫，為了保證建筑物主體結(jié)構(gòu)的安全性、適用性及耐久性要求，采用了幾種抗震加固措施，包括纖維布加固，包鋼加固和阻尼器加固等。圖2（a）為纖維布加固，圖2（b）為包鋼加固。本文主要對(duì)采用軟鋼阻尼器和粘滯阻尼器的抗震加固措施進(jìn)行分析。采取的主要措施是在一樓報(bào)告廳和樓梯旁墻體處、2、3 層樓梯旁墻體處及變形較大的房間墻體處設(shè)置了 14 個(gè) MYD-S mm 軟鋼阻尼器和 12 個(gè) VFD-NLX371X mm 粘滯阻尼器。

圖2 抗震加固

2.1 阻尼器介紹

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制。被動(dòng)控制可分為基礎(chǔ)隔震技術(shù)、耗能減震技術(shù)和吸能減震技術(shù)［5］。耗能減震作為一種被動(dòng)控制措施是將輸入結(jié)構(gòu)的地震能量引向特別設(shè)置的機(jī)構(gòu)和元件加以吸收和耗散，從而能夠保證主體結(jié)構(gòu)的安全［6］，即：

式中：EK為結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)能；ED為阻尼器耗散的能量；EF為主體結(jié)構(gòu)的非彈性變形滯回耗散的能量；EEQ為地震輸入的能量?？赏ㄟ^增大阻尼器耗能能力，即增大ED，達(dá)到消能減震的作用。東方藝術(shù)大樓的抗震加固采用的耗能減震措施是施加 14 個(gè) MYD-S mm 軟鋼阻尼器和 12 個(gè) VFD-NLX 371 X mm 粘滯阻尼器。

2.2 軟鋼阻尼器

軟鋼阻尼器屬于金屬屈服阻尼器，利用金屬材料在處于臨界狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的滯回變形消耗能量，所以也屬于位移型消能阻尼器。由于這種阻尼器材質(zhì)是鋼材，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆冷P處理。為適應(yīng)減震層的移動(dòng)變形，該部分的建筑外墻應(yīng)設(shè)水平縫，但要考慮防水、隔音、防火等，也要注意立面的協(xié)調(diào)美觀。在小震作用時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)本身就具有足夠的剛度，不會(huì)發(fā)生破壞；在大震作用時(shí)，阻尼器首先達(dá)到屈服，產(chǎn)生較大的阻尼，達(dá)到消耗地震能量的作用［7］。位移型消能阻尼器技術(shù)要求很高，縱向水平變形能力≥50 mm，最大抗力應(yīng)不超過設(shè)計(jì)值的 ±15 %，延性系數(shù)≥10，消能核心構(gòu)件材質(zhì)采用軟鋼。本工程加固中設(shè)計(jì)的軟鋼阻尼器材料采用 Q235B 板型鋼材，圖3 為軟鋼阻尼器示意圖。

圖3 軟鋼阻尼器示意

軟鋼阻尼器安裝工藝過程如下：①在混凝土澆筑前需先將預(yù)埋件植入混凝土墻體內(nèi)部。②將阻尼器吊裝到位，待位置調(diào)整好以后和預(yù)埋件焊接。③觀察阻尼器整體安裝的協(xié)調(diào)性，無誤后阻尼器及預(yù)埋件碰撞處補(bǔ)涂油漆，并將阻尼器噴防火涂料。④最終判斷阻尼器的安裝位置是否符合設(shè)計(jì)要求及安裝后阻尼器整體美觀協(xié)調(diào)性。安裝時(shí)要注意所有焊接均為圍焊，焊縫要求平整均勻，紋理一致，不得出現(xiàn)咬邊，夾渣，虛（漏）焊等。同時(shí)要求預(yù)埋件、阻尼器與墻中心線在同一平面內(nèi)。軟鋼阻尼器安裝示意及效果圖如圖4 所示。

2.3 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器一般是由缸體、活塞和流體組成，活塞在缸筒內(nèi)可作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞上有適量油孔，筒內(nèi)盛滿流體，當(dāng)活塞與筒體間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體從活塞上的油孔內(nèi)通過，對(duì)活塞與筒體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼，從而耗散運(yùn)動(dòng)能量，減小結(jié)構(gòu)的反應(yīng)［8］。粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖5 所示。

圖4 軟鋼阻尼器安裝

圖5 粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)

在建筑結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)置阻尼器和鋼支撐吸收地震能量，以減輕結(jié)構(gòu)所受的地震作用。事先對(duì)需要設(shè)置阻尼器和鋼支撐的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)（一般為框架的梁柱節(jié)點(diǎn)），采用粘貼鋼板或用螺栓包鋼板加固，然后安裝鋼支撐及阻尼器。粘滯阻尼器外殼為不銹鋼材料表面拋光處理，其余材料表面熱噴鋅加封閉油漆處理，阻尼器產(chǎn)品外觀應(yīng)表面平整、無機(jī)械損傷、外表采用防腐措施，涂層應(yīng)均勻、美觀，防腐效果應(yīng)不低于 50 年。

本項(xiàng)目對(duì) JZN1000X±30 粘滯阻尼器進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)備采用的是 200 t 電液伺服阻尼器試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)噸位為 1 000 kN，設(shè)計(jì)行程為 ±45 mm，測(cè)試時(shí)采用靜力加載試驗(yàn)，控制試驗(yàn)機(jī)的加載系統(tǒng)使阻尼器勻速緩慢移動(dòng)，并記錄其伸縮運(yùn)功的極限位移值。測(cè)試時(shí)采用正弦激勵(lì)法，按照正弦波規(guī)律變化的輸入位移 u=usin（wt），對(duì)阻尼器施加頻率分別為 0.10、0.212、0.424、0.637、0.847 和 1.06 Hz，連續(xù)進(jìn)行 4 個(gè)循環(huán)，記錄最大阻尼力作為實(shí)測(cè)值，進(jìn)行了本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)和最大阻尼力試驗(yàn)。表1 為粘滯阻尼器試驗(yàn)結(jié)果。

由表1 可以看出阻尼器樣品符合拉伸與壓縮的極限位移要求；本構(gòu)關(guān)系性能試驗(yàn)滿足阻尼力±15 % 范圍要求，且阻尼器外觀良好，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，阻尼器運(yùn)行正常，無漏油現(xiàn)象。

粘滯阻尼器安裝工藝過程如下：①將預(yù)埋件及連接螺桿固定到位。②將節(jié)點(diǎn)板、阻尼器、法蘭、銷軸、水平支撐型鋼等吊裝到位。③斜支撐分別吊裝固定到位焊接固定，滑動(dòng)塊焊接固定。④阻尼器及連接座碰撞處補(bǔ)涂油漆，并將阻尼器噴防火涂料。⑤最終判斷阻尼器的安裝位置是否符合設(shè)計(jì)要求及安裝后阻尼器整體美觀協(xié)調(diào)性。安裝時(shí)要注意阻尼器的耳環(huán)孔中心及節(jié)點(diǎn)板孔中心應(yīng)在同一水平線上，并保持與梁平行，與柱垂直，不得出現(xiàn)明顯夾角；阻尼器安裝應(yīng)做到繃緊拉實(shí)，不得出現(xiàn)松動(dòng)和搖晃；所有焊接均為圍焊，焊縫與母材等高，焊縫要求平整均勻，紋理一致，不得出現(xiàn)咬邊，夾渣，虛（漏）焊；阻尼器連接銷軸與孔的間隙公差不超過 0.1 mm。粘滯阻尼器的安裝分為兩種，分別是人字支撐加固和單斜支撐加固，安裝示意及效果圖如圖6 和圖7 所示。

表1 粘滯阻尼器試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

本文介紹了軟鋼阻尼器和粘滯阻尼器對(duì)既有建筑進(jìn)行抗震加固的技術(shù)在天津某高校東方藝術(shù)大樓的加固工程中的應(yīng)用情況?？梢缘玫揭韵聨讉€(gè)結(jié)論。

1）對(duì)于軟鋼阻尼器，在小震作用時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)本身就具有足夠的剛度，不會(huì)發(fā)生破壞；在大震作用時(shí)，阻尼器首先達(dá)到屈服，產(chǎn)生較大的阻尼，達(dá)到消耗地震能量的作用。

2）通過試驗(yàn)報(bào)告可以得出粘滯阻尼器具有良好的塑性性能，滯回曲線飽滿，塑性變形較大，具有較高的初始剛度，抗震性能好，可應(yīng)用于改造加固工程中。

3）由于阻尼器具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、工期短且經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)，建議在高校的既有建筑抗震加固中得到推廣。

圖6 人字支撐加固粘滯阻尼器安裝

圖7 單斜支撐粘滯阻尼器安裝