地震區某學校教學樓消能減震加固研究

王曉雷

(山東電力建設第三工程公司，山東青島 266100)

1 工程概況

本文采用的建筑結構為都江堰市某學校建筑，六層鋼筋混凝土框架結構，設計于2007年，建成后經歷了汶川8．0級地震的考驗，主體結構完好，僅部分分隔空心墻遭到嚴重損壞。建筑總高度為23．2 m，工程原設計為7度抗震設防，三級框架，Ⅱ類場地，設計地震分組第一組，設計基本地震加速度值0．10g，反應譜特征周期 0．35 s。

本文加固設計按GB 50011-2010建筑抗震設計規范［1］執行，取8度抗震設防，Ⅱ類場地，設計地震分組第二組，反應譜特征周期0．4 s，設計基本地震加速度值為0．20g。采用消能減震加固方案進行設計，選擇合適的阻尼器，考慮到該建筑為學校建筑，為提高其抗震安全性，加固后建筑在8度地震作用下的層間相對位移角應滿足小震［1/900］、中震［1/300］、大震［1/100］的性能要求。

2 粘滯阻尼減震的基本原理

阻尼是結構振動衰減的根本原因，結構中的真實阻尼特性極其復雜，通常不太可能確定結構中阻尼的確切性質。在結構分析中通常認為結構阻尼為線性粘滯阻尼，即認為阻尼力和速度成正比［2］。雖然還有其他的阻尼理論，但因為結構中的阻尼比較小，采用粘滯阻尼假設已能滿足設計要求。結構中設置粘滯阻尼器后所附加的阻尼和結構本身的阻尼是一致的，這是粘滯阻尼減震結構便于分析的原因。

由于普通鋼筋混凝土結構的阻尼比僅約為5%，普通鋼結構的阻尼比僅約為2%［3］，因此，地震發生時，結構振動一般都處于放大效應狀態，調整阻尼或結構頻率是降低結構反應的兩條途徑。減震就是通過增大阻尼和改變結構的自振特性來減小結構的動力反應。

3 結構三維有限元數值建模

為了研究該復雜高層建筑的動力特性，本文利用有限元軟件SAP2000建立了該建筑上部結構的三維有限元模型，結構構件的材料參數如表1所示。圖1為SAP2000有限元數值計算模型，總結點個數為472個，總單元個數為1 007個，其中框架單元個數為724個，殼單元個數為283。X軸對應實際結構的東西水平向，Y軸對應南北水平向，Z軸表示豎向。

表1 結構構件材料參數

圖1 結構三維有限元模型

4 結構動力反應分析

本次分析按照規范要求選取2條天然波記錄和1條人工時程記錄，將選定的三條加速度時程分別按規范要求，峰值調整到小震、中震和大震規定要求，時程圖見圖2。時程分析時，分別將三條波的小震、中震和大震加速度時程分別沿X，Y方向輸入，計算結構的層間位移角。

圖2 三條地震動加速度時程

圖3 東西方向層間位移角加固對比圖

加固計算結果見表2和表3，其中灰色底色標注數值為未加固前超規范允許值的部分樓層。由于篇幅關系，此處僅給出了東西方向層間位移角的加固對比圖，圖3，圖4為加固后結構阻尼器設置示意圖。

從表2，表3以及圖3可以看出，結構在減震加固之前，東西方向和南北方向很多樓層的層間位移角均不滿足規范要求限值，經過本文的加固計算后，所有樓層的層間位移角均滿足了規范要求，說明本文的加固方案是可行的。

圖4 結構阻尼器設置示意圖

本文加固使用的是粘彈性阻尼器，阻尼器的設置數量為33個，設置位置見圖4，設置參數為:最大行程:±200 mm;阻尼力:1 000 kN;阻尼系數:500 s/mm;阻尼指數為0．2。

表2 東西方向層間位移角加固計算結果

表3 南北方向層間位移角加固計算結果

5 結語

本文以5·12地震后重災區一學校教學樓為研究對象，利用消能減震技術，對消能減震加固方案進行設計，通過加固分析，結構的減震控制效果很明顯，符合規范的要求:加固后建筑在8度地震作用下的層間相對位移角滿足小震［1/900］、中震［1/300］、大震［1/100］的性能要求。本文工作為建筑結構減震加固工作提供了依據和建議，可為今后同類型的減震設計提供借鑒和參考。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］．

［2］Clough R W，Penzien J．Dynamics of Structures［M］．New York:Mc Graw-Hill，1993．

［3］GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］．

［4］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］．