消能減震技術(shù)在某公共建筑改造加固中的應(yīng)用1

舒 蓉

（甘肅省建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司抗震分院, 蘭州 730070）

引言

我國(guó)建筑業(yè)已進(jìn)入新建與改造并行階段，因建筑功能改變、抗震設(shè)防升級(jí)、規(guī)范修訂等原因，大量既有建筑需采取抗震加固措施。增大截面、外粘型鋼等傳統(tǒng)加固方法，可在一定程度上使既有結(jié)構(gòu)抗震性能滿足要求，取得一定加固效果，但往往工程量大，造價(jià)高，施工困難。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，部分抗震措施難以實(shí)施。消能減震技術(shù)因其機(jī)理明確、效果明顯、可靠度高，已被廣泛應(yīng)用于新建建筑工程中，近年來(lái)逐漸應(yīng)用在既有建筑改造加固中（賀峰等，2015；陳越等，2020；傅友東，2020）。本文依托某地產(chǎn)公司售樓部改造工程，針對(duì)大量梁、柱承載力不足，主控參數(shù)超限等問(wèn)題，提出在原結(jié)構(gòu)中增設(shè)一定數(shù)量的黏滯阻尼器，以減小地震作用，減少加固梁、柱數(shù)量的消能減震方案，分析結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下的時(shí)程反應(yīng)，研究消能減震效果和結(jié)構(gòu)抗震性能。

1 工程概況

本工程所在地為甘肅省蘭州市，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，共3 層，層高分別為6.0、5.4、5.4 m，建筑面積7 051.79 m2，建造于2016 年，原為售樓部，改造前2 層結(jié)構(gòu)平面如圖1 所示。

圖1 改造前2 層結(jié)構(gòu)平面（單位：毫米）Fig. 1 Second floor plan of structure before reconstruction（Unit: mm）

由于使用功能改變，將售樓部改為購(gòu)物中心的一部分，改造要求如下：（1）在⑩～?軸與?～?軸包含范圍內(nèi)原通道處新增結(jié)構(gòu)，將①～⑩軸與?～?軸、?～?軸與?～?軸包含的2 個(gè)獨(dú)立單體框架結(jié)構(gòu)連為一體；（2）售樓部⑥～⑩軸躍層中庭部分進(jìn)行封堵，形成平層；（3）為與購(gòu)物中心其他部分連通，對(duì)①～③軸與?～?軸、?軸與?～1/?軸包含的部分范圍進(jìn)行擴(kuò)建；（4）根據(jù)新使用功能及消防要求，原有樓梯、電梯洞口均進(jìn)行封堵，拆除②～③軸與?～1/?軸、③～④軸與?～?軸、?～?軸與?～?軸包含范圍內(nèi)原樓板，新增3 部樓梯；（5）在①～④軸與?～?軸包含范圍內(nèi)新增局部4 層，層高5.4 m，建筑面積為410 m2，在⑤～?軸與?～?軸包含范圍內(nèi)新增高度為5.4 m 的屋面造型。改造后2 層結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。

圖2 改造后2 層結(jié)構(gòu)平面（單位：毫米）Fig. 2 Second floor plan of structure after reconstruction（Unit: mm）

該建筑改造后結(jié)構(gòu)布置發(fā)生較大變化，根據(jù)改造后的建筑平面，采用YJK 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果核對(duì)原設(shè)計(jì)配筋。核對(duì)后發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)存在以下問(wèn)題：（1）多數(shù)梁、柱配筋不滿足承載力要求；（2）大量節(jié)點(diǎn)核心區(qū)超限，截面不滿足抗剪要求；（3）首層部分柱軸壓比超限；（4）主控參數(shù)和層間位移角超限。

2 加固方案

針對(duì)該改造工程存在的問(wèn)題，若全部采用傳統(tǒng)的增大截面、外包型鋼、粘貼碳纖維布等加固方法，按原設(shè)計(jì)建造的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固工作量大，施工難度大，造價(jià)高。本文針對(duì)工程特點(diǎn)，提出將消能減震技術(shù)與傳統(tǒng)加固技術(shù)相結(jié)合的方案，即在改造后的結(jié)構(gòu)中置入適量的黏滯阻尼器，形成消能減震體系。通過(guò)消能減震體系減小地震作用后，可大大減少加固梁、柱數(shù)量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，降低加固費(fèi)用。

本工程改造后僅y向剛度不足，相差20%左右，因此采用黏滯阻尼器為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比，可有效降低成本。經(jīng)試算，結(jié)構(gòu)總阻尼比達(dá)13%（附加阻尼比為8%）時(shí)，結(jié)構(gòu)主控參數(shù)指標(biāo)可滿足規(guī)范要求。

黏滯阻尼器屬于速度相關(guān)型消能器（劉小萌等，2015），其力學(xué)關(guān)系曲線及滯回曲線如圖3 所示，力學(xué)公式如下：

圖3 黏滯阻尼器力學(xué)關(guān)系曲線及滯回曲線Fig. 3 Mechanical relation curves and hysteretic curves of viscous damper

式中，F(xiàn)為阻尼力，C為阻尼系數(shù)，v為活塞運(yùn)動(dòng)速度，α 為阻尼速度指數(shù)。

為降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，經(jīng)反復(fù)試算對(duì)比，優(yōu)化調(diào)整黏滯流體阻尼器數(shù)量及位置，分別在1～3 層x向布置2、5、4 個(gè)黏滯流體阻尼器，分別在1～3 層y向布置4、4、3 個(gè)黏滯流體阻尼器，2 層阻尼器平面布置如圖4 所示，?軸阻尼器立面布置如圖5 所示。阻尼器設(shè)計(jì)阻尼力為450 kN，阻尼系數(shù)為650 kN/(mm·s-1)，阻尼指數(shù)為0.3，行程為70 mm。

圖4 2 層阻尼器平面布置（單位：毫米）Fig. 4 The layout plan of damper in second floor（Unit: mm）

圖5 ?軸阻尼器立面布置Fig. 5 Elevation plan of damper on the 12th axis

3 多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能

3.1 地震波的選取

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）第5.1.2 條第3 款及條文說(shuō)明要求，從工程角度出發(fā)，選取2 條天然波、1 條人工波時(shí)程曲線進(jìn)行分析。經(jīng)試算，最終選擇人工波ArtWave-RH4TG045Tg（0.45）、天然波1 Chi-Chi Taiwan-05_NO_2966Tg（0.49）、天然波2 Irpinia Italy-02_NO_298Tg（0.49），規(guī)范譜與加速度時(shí)程曲線對(duì)比如圖6 所示。ETABS 彈性時(shí)程分析與YJK 振型分解反應(yīng)譜分析的基底剪力如表1 所示，其中，時(shí)程平均與反應(yīng)譜基底剪力差值比x方向?yàn)?3.3%，y方向?yàn)?.24%。由圖6 及表1 可知，所選的3 條地震波滿足規(guī)范要求。

表1 基底剪力Table 1 Time history analysis of base shear

圖6 設(shè)計(jì)地震動(dòng)和規(guī)范設(shè)計(jì)譜對(duì)比Fig. 6 Comparison of design ground motion spectrum and code design spectrum

3.2 多遇地震作用下黏滯阻尼器性能分析

x、y向黏滯阻尼器滯回曲線如圖7、圖8 所示。由圖可知，多遇地震作用下黏滯阻尼器滯回曲線飽滿，可較好地發(fā)揮消能減震作用。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）第12.3.4 條規(guī)定，采用時(shí)程分析計(jì)算得到黏滯阻尼器附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，如表2 所示。由表2 可知，在多遇地震作用下，阻尼器可為結(jié)構(gòu)提供8%的附加阻尼比。

圖7 x 向黏滯阻尼器滯回曲線Fig. 7 Hysteresis curves of viscous damper of x direction

圖8 y 向黏滯阻尼器滯回曲線Fig. 8 Hysteresis curves of viscous damper of y direction

表2 小震時(shí)程結(jié)構(gòu)附加阻尼比Table 2 Structure additional damping ratio of small earthquake time-history

3.3 消能減震效果對(duì)比

在保證結(jié)構(gòu)小震彈性層間位移角和柱軸壓比限值滿足規(guī)范要求的前提下，采用純傳統(tǒng)加固方法和消能減震技術(shù)與傳統(tǒng)加固技術(shù)相結(jié)合的減震加固方案分別進(jìn)行計(jì)算，對(duì)需加固的結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，采用消能減震方案，需加固框架柱數(shù)量為純傳統(tǒng)加固方法的1/3，框架梁加固數(shù)量約為純傳統(tǒng)加固方法的2/5。純傳統(tǒng)加固方法（張波，2016）主要為增大截面法，存在大量的植筋，部分原結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸無(wú)法滿足植筋深度要求，需穿透錨固，如果施工工藝不到位，不僅達(dá)不到加固效果，而且有可能造成原結(jié)構(gòu)損傷（張雅杰，2018）。加大框架梁、柱截面均對(duì)室內(nèi)凈空產(chǎn)生一定影響。本文采用的消能減震方案，可大幅度減小結(jié)構(gòu)地震作用，減少加固構(gòu)件數(shù)量，減少大量植筋施工對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷，施工較簡(jiǎn)單，周期短，經(jīng)濟(jì)性較好。

表3 傳統(tǒng)加固方案與消能隔震方案加固構(gòu)件數(shù)量表Table 3 The components quantity of traditional reinforced and energy dissipation reinforcement scheme

4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)時(shí)程響應(yīng)分析

4.1 抗震性能目標(biāo)

當(dāng)前國(guó)際公認(rèn)的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（廣義）如圖9 所示。圖9 中，Q為彎矩，Qy為屈服彎矩，θ為轉(zhuǎn)角。構(gòu)件性能水準(zhǔn)有3 個(gè)離散的性能點(diǎn)，即IO（立即使用）、LS（生命安全）及CP（接近倒塌）。IO 即地震后不間斷運(yùn)行，稍加修理后可立即使用；LS 即地震后間斷運(yùn)行，經(jīng)適當(dāng)修理后可繼續(xù)使用；CP 即結(jié)構(gòu)承載力仍下降，但地震時(shí)破壞嚴(yán)重，震后無(wú)法繼續(xù)使用。消能減震設(shè)防目標(biāo)除可滿足抗震設(shè)防三水準(zhǔn)外，還能進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)，提出更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)加固方案和滿足更高的抗震要求。本工程以《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范》（CECS 392-2014）（中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2015）、《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》（CECS 160-2004）（中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2004）為基礎(chǔ)，參考美國(guó)規(guī)范ASCE41-06，制訂本工程抗震性能目標(biāo)，如表4 所示。

圖9 非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和性能水準(zhǔn)Fig. 9 Nonlinear stress-strain relationship and performance level

表4 抗震性能目標(biāo)Table 4 Anti-seismic performance objectives

4.2 彈塑性分析模型

采用PERFORM-3D 軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型，如圖10 所示。PERFORM-3D 模型與YJK 模型周期、質(zhì)量對(duì)比如表5 所示，由表可知，PERFORM-3D 模型是準(zhǔn)確的。

圖10 PERFORM-3D 結(jié)構(gòu)分析模型Fig. 10 Structural analysis model of PERFORM-3D

表5 結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量、周期對(duì)比Table 5 Comparison of structural model quality and natural periods

采用3.1 節(jié)所選用的地震波，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，通過(guò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件變形或以強(qiáng)度為基準(zhǔn)的限值狀態(tài)進(jìn)行抗震性能評(píng)估。計(jì)算分析時(shí)采用以下假定：①剛性樓板假定；②塑性鉸模擬梁、柱彎曲破壞，梁、柱分別采用M 鉸和PMM 鉸；③消能子結(jié)構(gòu)梁、柱彎曲分別采用M 強(qiáng)度截面、 PMM 強(qiáng)度截面進(jìn)行校核，剪切破壞采用 V 強(qiáng)度截面進(jìn)行校核。

4.3 整體地震反應(yīng)評(píng)估

圖11、圖12 分別為最大位移曲線與最大層間位移角曲線。由圖可知，罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)頂部x、y向最大位移分別為0.221、0.225 m，x、y向最大層間位移角分別為1/51、1/54，均小于1/50，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）中彈塑性位移角限值要求。

圖11 最大位移曲線Fig. 11 Displacement curves of maximum interlayer

圖12 最大層間位移角曲線Fig. 12 Displacement angle curves of maximum interstorey

罕遇地震作用下，因局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服，整體結(jié)構(gòu)承載力和剛度下降，但仍具備抵抗整體結(jié)構(gòu)倒塌的剛度和承載能力，可保證“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)。

4.4 構(gòu)件性能評(píng)估

根據(jù)彈塑性計(jì)算分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)梁、柱、子結(jié)構(gòu)及黏滯阻尼器大震作用下的性能狀態(tài)，在x、y向時(shí)程波作用下，頂層6 道框架梁在LS 性能水準(zhǔn)下彎矩與屈服彎矩之比大于1，在CP 性能水準(zhǔn)下彎矩與屈服彎矩之比均小于1；頂層框架柱在LS 性能水準(zhǔn)下彎矩與屈服彎矩之比大于1，在CP 性能水準(zhǔn)下彎矩與屈服彎矩之比均小于1。結(jié)果表明，大震作用下，部分梁、柱進(jìn)入運(yùn)行控制性能段，少數(shù)進(jìn)入破壞控制性能段，破壞較輕微。最大塑性變形處于有限安全性能段，小于CP 性能點(diǎn)。

黏滯阻尼器最大位移均小于其極限位移的1/2，極限阻尼力大于最大阻尼力。罕遇地震作用下，黏滯阻尼器仍正常工作，發(fā)揮著耗能作用。x、y向時(shí)程波作用下，子結(jié)構(gòu)梁彎曲應(yīng)力比均小于1，最大剪力小于受剪承載力。子結(jié)構(gòu)柱壓彎應(yīng)力比均小于0.85，最大剪力小于0.8 倍受剪承載力，大震作用下極限承載力均滿足要求。

5 其余構(gòu)件加固設(shè)計(jì)

根據(jù)多遇地震計(jì)算結(jié)果，對(duì)消能減震后尚需進(jìn)行加固的其他構(gòu)件采用傳統(tǒng)加固法進(jìn)行處理。具體做法為：（1）采用增大截面法加固軸壓比超限的5 根框架柱，如圖13 所示；（2）采用外包型鋼法加固配筋不滿足要求的6 根框架柱，如圖14 所示；（3）采用外包型鋼或粘貼碳纖維布法加固由于建筑功能發(fā)生變化導(dǎo)致配筋不滿足改造后計(jì)算要求的部分梁、板構(gòu)件；（4）采用增大截面法加固標(biāo)高為5.950、11.680 m 的?軸、?～?軸與黏滯阻尼器相連的子結(jié)構(gòu)框架梁；（5）擴(kuò)建及加建部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件按新建構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，新、舊構(gòu)件采用植筋進(jìn)行連接。

圖13 增大截面法加固框架柱Fig. 13 Frame column strengthening with increasing section area

圖14 外包型鋼加固框架柱Fig. 14 Frame column strengthening with externally wrapped steel section

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某既有公共建筑復(fù)雜改造中黏滯阻尼器的應(yīng)用，通過(guò)計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

（1）減震結(jié)構(gòu)主體框架滿足罕遇地震作用下中度損傷的性能目標(biāo)，子結(jié)構(gòu)滿足大震作用下極限承載力要求。

（2）阻尼器在罕遇地震作用下仍能正常工作，起到主要耗散地震輸入能量的作用，明顯減少框架梁、柱塑性耗能需求。

（3）減震后，地震作用下框架結(jié)構(gòu)各性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求，抗震性能得到明顯提升，大大較少加固工作量，取得良好效益。

（4）消能減震加固技術(shù)在既有工程改造或抗震加固中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但為保證設(shè)計(jì)方案安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，設(shè)計(jì)人員需掌握規(guī)范要求及消能減震原理，以便合理選擇與布置消能器。