裙房結(jié)構(gòu)大跨度空間改造與減震分析

陳武雄，賈傳勝

（深圳中建院建筑科技有限公司，廣東 深圳 518000）

文章以某酒店工程的裙房框架的大跨度空間改造為研究對(duì)象，為在大跨度空間下使結(jié)構(gòu)的抗震性能得到有效滿足，采用混合減震方案即防屈曲支撐和非線性粘滯阻尼器，以此對(duì)其減震性能進(jìn)行檢測(cè)分析。文章還對(duì)該工程減震框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)以及阻尼裝置的能耗情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。經(jīng)研究得知，大跨度空間結(jié)構(gòu)的裙房抗震性能能夠通過(guò)混合減震控制的方法得到有效提高，即使在罕遇和頻發(fā)的地震情況下，也能夠發(fā)揮良好的抗震性能。

1 工程實(shí)例

該工程是某酒店的裙房大跨度空間結(jié)構(gòu)，建筑面積為5200m2，平面尺寸為53.2m×32.5m。該裙房的結(jié)構(gòu)總高為18m，層數(shù)為3。結(jié)構(gòu)組成形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻框架結(jié)構(gòu)體系，乙類防震級(jí)別，一級(jí)安全等級(jí)，一級(jí)框架抗震性能，防裂度數(shù)為7，使用年限為50年，場(chǎng)地特征周期為0.35s。裙房三層的支撐圓柱直徑均為750mm，矩形柱尺寸為500mm×500mm。由于酒店的空間需要，需要將5根圓形框架直徑為750mm的圓柱進(jìn)行通高拆除，以此使其形成局部的架空大空間框架結(jié)構(gòu)，但是這種改造方式會(huì)使該結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大幅度降低。為了保證該結(jié)構(gòu)的抗震性能，施工團(tuán)隊(duì)擬在結(jié)構(gòu)中設(shè)置聯(lián)合性的非線性粘滯阻尼器和抗屈曲支撐阻尼器，以此使該結(jié)構(gòu)無(wú)論是在罕遇地震作用下還是在頻發(fā)地震結(jié)構(gòu)下，都能夠符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）的限值標(biāo)準(zhǔn)要求。除此之外，在舊柱拆除后形成的大空間結(jié)構(gòu)屋頂，采用縱橫桁架屋架體系，具體設(shè)置在第三層的樓面上，以此來(lái)減少屋架對(duì)結(jié)構(gòu)大跨度空間的占用。改造后的裙房屋架的最大高度為3.5m。

2 裙房結(jié)構(gòu)大跨度空間減震方案

在裙房結(jié)構(gòu)的減震方案中提出了采用非線性粘滯阻尼器和抗屈曲支撐阻尼器的混合控制方案來(lái)控制裙房結(jié)構(gòu)的減震性能，以使結(jié)構(gòu)的抗震要求得到有效滿足。具體分布位置為灰圈1～3層均設(shè)置非線性粘滯阻尼器，黑圈1～3層均設(shè)置抗屈曲支撐阻尼器。采用人字形支撐非線性粘滯阻尼器，采用兩個(gè)對(duì)角撐桿支撐抗屈曲支撐阻尼器。非線性粘滯阻尼器和抗屈曲支撐阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)與數(shù)量如表1、表2所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)者提供的CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，建立裙房結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖1所示。

改進(jìn)后的裙房結(jié)構(gòu)因沿孔型高度去掉了5根柱和框架柱，自振周期增大，結(jié)構(gòu)變得更加靈活。在裙房結(jié)構(gòu)中安裝抗屈曲支撐阻尼器和非線性粘滯阻尼器后，抗屈曲支撐阻尼器使裙房結(jié)構(gòu)的剛度得到了一定程度的提高，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與改進(jìn)后的非減震結(jié)構(gòu)相比有一定的變化，但由于抗屈曲支撐阻尼器所提供的剛度小于結(jié)構(gòu)本身的剛度，因此裙房結(jié)構(gòu)在減震器安裝前后的動(dòng)力特性變化并不顯著。改造前后的裙房結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率和周期分別如表3、表4所示。

表1 非線性粘滯阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)與數(shù)量

表2 抗屈曲支撐阻尼器設(shè)計(jì)數(shù)量

圖1 3D有限元模型

表3 改造前的裙房結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率和周期

綜上可知，本工程結(jié)構(gòu)體系為高度不超過(guò)120m框架-剪力墻體系，有裙邊超長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、垂直收進(jìn)等問(wèn)題。為了使結(jié)構(gòu)預(yù)定性能水平達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，文章提出了以下措施和注意事項(xiàng)：為了對(duì)結(jié)構(gòu)形狀的扭轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，本工程采用最新的減震技術(shù)，將215個(gè)減震器和72個(gè)屈曲約束支撐設(shè)置在了連接梁上。地板平面形凹陷部用雙層雙向鋼筋分加厚至150mm。裙樓與主樓縮進(jìn)處的板厚為160mm，而上下加強(qiáng)層的板厚等于雙層雙向加強(qiáng)的長(zhǎng)度。裙邊101m，均采用120mm雙層雙向厚鋼板進(jìn)行處理，同時(shí)加固周邊梁的縱向鋼筋和腰筋，再設(shè)置3個(gè)后澆鋼筋帶在長(zhǎng)方向位置。在樓板和基礎(chǔ)中，采用摻加混凝土外加劑、補(bǔ)償收縮混凝土的措施，并根據(jù)溫度計(jì)算結(jié)果來(lái)增加溫度鋼筋、中抗震彈性設(shè)計(jì)。在4個(gè)孔柱中，裙樓的設(shè)計(jì)是為了增加結(jié)構(gòu)的延性、柱的剛度，以提高整個(gè)建筑的抗震性能。

表4 改造后的裙房結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率和周期

3 裙房框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

3.1 層間位移角結(jié)構(gòu)

框剪結(jié)構(gòu)有兩條抗震線，第一條是抗震墻，第二條是框架結(jié)構(gòu)。在框架與剪力墻之間的內(nèi)力重分布效應(yīng)影響下，剪力墻在罕遇地震作用下，首先進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，使其承載力明顯降低。目前我國(guó)裙房結(jié)構(gòu)對(duì)彈塑性變形控制只提出了部分要求，如在罕遇地震中，框剪結(jié)構(gòu)層的彈塑性位移角不得大于1/100。在地震作用下，X向、Y向的最大層間位移角小于規(guī)范要求的1/100，安全儲(chǔ)備性能較高。這說(shuō)明在罕遇地震的影響下，結(jié)構(gòu)的水平位移能夠滿足相關(guān)制作要求，且結(jié)構(gòu)還能夠具備一定的剛度。在層間位移角曲線平緩的狀態(tài)下，說(shuō)明構(gòu)件側(cè)向力剛度處于平衡狀態(tài)。三種地震波的變化規(guī)律是一致的，說(shuō)明它們具有良好的相容性，計(jì)算結(jié)果可靠性較大。

表5 最大層間位移角

3.2 傾覆彎矩

上層傾覆力矩?zé)o突變，X傾覆力矩與Y傾覆力矩?zé)o差異。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向的豎向剛度均較均勻。

3.3 梁、柱、墻塑性鉸分析

上文分別對(duì)裙房結(jié)構(gòu)的層間彈塑性位移角、傾覆彎矩來(lái)對(duì)大震作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了判斷，但是這種判斷方法較為單一，所取得的判斷結(jié)果也較為片面。下文將從鋼筋混凝土的非線性分析模型著手，詳細(xì)分析在大震作用下的梁柱墻出鉸順序以及屈服情況、塑型發(fā)展情況以及破壞程度。文章以天然波為例，對(duì)地震作用下X方向的塑性鉸分布情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

在X方向的地震作用下，通過(guò)柱塑性鉸的發(fā)展趨勢(shì)可以對(duì)塑性鉸的形成位置進(jìn)行判斷。由此可知，裙房結(jié)構(gòu)的下端是塑性鉸的主要形成區(qū)，上部結(jié)構(gòu)中雖然也有塑性鉸形成，但其面積較小，并不明顯。根據(jù)其上少下多的分布狀態(tài)可以分析出，其分布方式為由下至上逐漸遞減，混凝土開(kāi)裂情況較為嚴(yán)重，但仍存有部分塑性變形能力。這說(shuō)明在遭遇罕遇地震時(shí)，裙房結(jié)構(gòu)的下端會(huì)首先出現(xiàn)塑性鉸，這也是本裙房結(jié)構(gòu)最為薄弱的地方。因此在后期計(jì)算彎矩時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)該適當(dāng)放大柱彎矩的大小，并適當(dāng)增大柱端配筋，使其能夠擁有在各種震型狀態(tài)下的抗震性能，并對(duì)其在強(qiáng)震作用下的防倒塌面積進(jìn)行有效控制。

梁塑性鉸的產(chǎn)生比柱塑性鉸的產(chǎn)生要早，符合本工程強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)思想。由于梁塑性鉸主要分布在框架梁端和剪力墻梁端，其分布說(shuō)明在該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為薄弱的部位為梁端。因此，在這一部位應(yīng)該適當(dāng)增加配筋數(shù)量，以保證梁端在滿足配筋率的條件下不發(fā)生脆性破壞的要求。但是，梁塑性鉸的抗彎承載力，應(yīng)該小于柱的抗彎承載力，也就是塑性鉸的產(chǎn)生應(yīng)該比柱的塑性鉸晚，只有這樣才能保證其具有一定的變形能力，并且防止結(jié)構(gòu)因側(cè)向剛度不足而倒塌。

3.4 罕遇地震主要計(jì)算結(jié)果分析

（1）在罕遇地震中，X、Y向性能點(diǎn)處的彈塑形夾層的最大位移角小于1/100，滿足相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明該建筑在建設(shè)中能夠達(dá)到大地震的抗震效果，在罕遇地震作用下構(gòu)件能夠滿足4級(jí)性能要求。（2）在罕遇地震中，底部剪力墻加固區(qū)的個(gè)別墻肢和連接梁會(huì)首先出現(xiàn)塑性鉸，然后呈垂直方向發(fā)展，使塑性鉸點(diǎn)逐漸出現(xiàn)在框架梁柱之上。塑性鉸數(shù)量最多的是位置就代表該工程結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，說(shuō)明這些部位在地震中會(huì)首先遭到破壞。對(duì)此，必須采取一定的抗震措施使其得到有效改善。（3）從計(jì)算結(jié)果可知，底部加固區(qū)的剪力墻沒(méi)有發(fā)生屈服反應(yīng)，說(shuō)明符合預(yù)期設(shè)置。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本工程的裙房框架空間改造和減震控制進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：（1）當(dāng)裙房的空間發(fā)生大跨度改變之后，其動(dòng)力特性與改造前相比具有較大的差異性，且周期變強(qiáng)，柔性也會(huì)變大。但是當(dāng)設(shè)置防屈曲支撐阻尼器和非線性粘滯阻尼器之后，裙房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性就會(huì)相應(yīng)得到提高，與其改造前的差別就會(huì)相應(yīng)減小。（2）在裙房結(jié)構(gòu)改造后，其非減震結(jié)構(gòu)的層間位移角均不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而在減震結(jié)構(gòu)中增設(shè)彈塑性層后，就可以滿足其性能要求。也就是說(shuō)，在設(shè)置非線性粘滯阻尼器和防屈曲耗能支撐阻尼器后，能夠使結(jié)構(gòu)的安全使用性能在消能減震后得到大幅度提升，這兩種不同地震類型的最大減震效果分別為27.51%和46.52%。（3）在頻發(fā)和罕遇地震的作用下，非線性粘滯阻尼器擁有十分飽滿的滯回曲線，且擁有大量耗散地震能量輸入的能力，而在頻發(fā)地震作用下屈服位移性能的觸發(fā)作用力較低，使得其耗能效果也相對(duì)較低。但防屈曲支撐阻尼器在罕遇地震中的耗能能力較為優(yōu)異。