高層建筑粘滯耗能支撐結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計方法

【摘要】粘滯耗能支撐結(jié)構(gòu)的耗能特性相當(dāng)明顯，具有降低地震對建筑物的影響的作用。尤其是在地震頻發(fā)的地方，其更能發(fā)揮自身的耗能特性，增加高層建筑物的抗震能力。基于此本文主要針對高層建筑粘滯耗能支撐結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計方法進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；粘滯耗能支撐結(jié)構(gòu)；抗震加固；設(shè)計方法

在不影響整體成本的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前需要改變用途的鋼筋混凝土高層建筑，采用基于性能的粘滯耗能支撐結(jié)構(gòu)抗震加固方法，圍繞構(gòu)件承載力和結(jié)構(gòu)層間位移需求，在結(jié)構(gòu)分析中引入了基于地震加速記錄的非線性快速時程（FNA）方法，論證了加固結(jié)構(gòu)的意義，研究結(jié)果顯示，經(jīng)過加固之后，不滿足構(gòu)造要求和承載力要求的結(jié)構(gòu)也可達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震效果。

1 工程概況

某民用綜合建筑大樓主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中地下2層，地上共有15層，總高度達(dá)到了60.75m。該建筑工程設(shè)計抗震防烈度為6度，由于該工程采用剪力墻和框架結(jié)構(gòu)，其抗震等級均為三級，對該高層建筑進(jìn)行地震安全評估，報告顯示結(jié)果為6.5度。根據(jù)現(xiàn)行2010規(guī)范重新對該建筑物的結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)一部分結(jié)構(gòu)柱達(dá)不到我國現(xiàn)行軸壓比要求，大部分框架梁、柱以及節(jié)點上采用箍筋的構(gòu)造都達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)范，這就要求對上述結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抗震加固。

2 抗震加固設(shè)計方案

在不增加總體費用（不超過100萬）的基礎(chǔ)上，為了使結(jié)構(gòu)達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震效果，必須采用基于性能的非線性粘滯耗能支撐結(jié)構(gòu)抗震加固方法，在第一到四層的每一層安裝四個DAMPEPr400kN支撐，在第五到第十層的每一層安裝兩個DAMPEPr400kN，在第十一層安裝兩個2個DAMPEPr500kN支撐，在第十二和十三層的小塔樓中修建八個規(guī)格為200×600的框架柱。

阻尼器的減震效果與支撐剛度kb 息息相關(guān)，如果kb/ Cdw0 大于或等于6的話，粘滯阻尼器的效率將得到充分的發(fā)揮，阻尼系數(shù)為Cd ，結(jié)構(gòu)自振頻率為0 ，工程的自振周期為1.6秒，所選的支撐必須是規(guī)格為HN-300 ×150 × 6. 5 × 9的H鋼，剛度為118 825kN/m。代入公式進(jìn)行計算后得出kb/ Cdw0= 118 825/（800×2π/1.6）= 38，符合剛度要求，阻尼器可發(fā)揮正常效率。

3 粘滯耗能支撐框架彈塑性動力時程分析

3.1 結(jié)構(gòu)計算模型與彈塑性恢復(fù)力模型

在地震的作用下，多層框架結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)整體剪切變形的現(xiàn)象，因此計算模型必須是層間剪切模型（如下圖1所示）。由于采用鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)層間柱，故采用圖2所示的退化三線模型，圖中的滯回曲線和骨架曲線共同組成了恢復(fù)力模型。其中，0-1（包括開裂點）、1-2（屈服點）和2-9（極限點）三段直線共同組成了正向加載骨架曲線，構(gòu)件的屈服荷載、開裂荷載及各階段的剛度決定了其形狀；反向加載骨架曲線與正向相同，屈服點的割線剛度（0-2段直線的斜率）即模型的卸載剛度，假設(shè)加載剛度存在退化現(xiàn)象，并令滯回曲線指向上一循環(huán)的最大位移點（11點與6點重合，8點與3點重合）。

3.2 拐點處理及地震波選取

在結(jié)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)動力時，若采用了Wilson法，則要嚴(yán)格按照剛度修正原則處理拐點。要從地震動的烈度、頻譜持續(xù)時間和頻譜特性這三個方面選取地震波，盡量保證其卓越周期約等于工程場地特征周期，這樣才能全方位的展現(xiàn)結(jié)構(gòu)的非線性工作狀態(tài)。

4 粘滯耗能支撐結(jié)構(gòu)的時程積分計算與結(jié)果分析

采用ETABS Nonlinear CV9. 0. 1對結(jié)構(gòu)動力時程分析時，必須將粘滯阻尼器的非線性特征考慮進(jìn)去，計算結(jié)構(gòu)時，最好采用基于地震加速記錄的非線性快速時程積分（FNA）方法。主要計算結(jié)果見表1。

4.1 小震作用下結(jié)構(gòu)抗震加固后效果

（1）荷載組合。在分析和計算最不利的荷載組合時，必須根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，將涉及結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的荷載分項系數(shù)、內(nèi)力調(diào)整系數(shù)、抗震調(diào)整系數(shù)考慮進(jìn)去。表達(dá)式為SE≤R/ YRE 或S≤R，式中，R表示根據(jù)材料強(qiáng)度設(shè)計值求出的承載力，YRE 表示抗震調(diào)整系數(shù)。（2）計算結(jié)果。通過分析表1可得知：1）結(jié)構(gòu)層間在風(fēng)荷載、重力荷載、小震的作用下，位移角度不超過1/800，未超過相關(guān)規(guī)定的要求；2）通過分析構(gòu)建的內(nèi)力需求可得知，每一個框架梁和框架柱都處于彈性狀態(tài)，沒有超筋信息；3）核心筒剪力墻的截面和驗算都按實配鋼筋進(jìn)行，經(jīng)驗證，剪力墻、連梁分別滿足小震彈性的性能要求，以及小震不屈服的性能要求。所以，結(jié)構(gòu)經(jīng)加固后，已達(dá)到小震作用下的性能指標(biāo)。

4.2 中震作用下結(jié)構(gòu)抗震加固后效果

（1）荷載組合。在不考慮內(nèi)力調(diào)整系數(shù)的情況下，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載分項系數(shù)設(shè)為1，以材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力（不考慮抗震調(diào)整系數(shù)），按中震不屈服進(jìn)行分析。通過表達(dá)式SEK≤Rk，Rk對承載力進(jìn)行計算。（2）計算結(jié)果。從表1的計算結(jié)果可看出：1）結(jié)構(gòu)層間位移角度均為超過1/400，符合性能指標(biāo)的要求；2）每一個框架梁和框架柱都處于不屈服狀態(tài)；3）核心筒剪力墻的截面和驗算都按實配鋼筋進(jìn)行，經(jīng)驗證，剪力墻、連梁分別滿足小震彈性的性能要求，以及小震不屈服的性能要求。所以，結(jié)構(gòu)經(jīng)加固后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件已達(dá)到中震作用下的性能指標(biāo)。

4.3 大震作用下結(jié)構(gòu)抗震加固后效果

（1）荷載組合。層1-4剪力墻及剪力墻連梁荷載分項系數(shù)取值為1，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力驗算取材料強(qiáng)度平均值，取構(gòu)件毛截面的0.5倍進(jìn)行模量折減，根據(jù)大震有限屈服進(jìn)行分析。通過公式SEK≤Rm，Rm對承載力進(jìn)行計算。其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件荷載分項系數(shù)均取1，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力驗算取材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，同樣以大震不屈服進(jìn)行分析。表達(dá)式、符號意義如上所述。（2）計算結(jié)果。從表1的計算結(jié)果不難看出，1）結(jié)構(gòu)層間的位移角度并未超過1/250，說明其完全符合預(yù)期的性能要求；2）每一個框架梁、框架柱均處于不屈服狀態(tài)；3）經(jīng)過驗算和復(fù)核發(fā)現(xiàn)，剪力墻已達(dá)到1-4層有限屈服，5-10層不屈服的要求，連梁完全符合大震有限的要求；4）DAMPEPr5OOkN、DAMPEPr400kN支撐最大軸力分別為453. 10kN、376.30kN；DAMPEPr5OOkN、DAMPEPr400kN的變形分別是7. 42毫米、5. 95毫米，形變程度和支撐軸力均滿足安全工作的要求。所以，結(jié)構(gòu)經(jīng)加固后完全符合大震作用下的性能指標(biāo)。

（2）5 結(jié)束語

本工程在不增加控制加固費用的基礎(chǔ)上，利用阻尼器對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了改變，研究表明，結(jié)構(gòu)經(jīng)過加固之后達(dá)到了層間位移性能的要求，每一個結(jié)構(gòu)構(gòu)件都擁有極強(qiáng)的承載力和預(yù)期的性能，增設(shè)的非線性粘滯阻尼耗能支撐軸力及變形完全滿足了現(xiàn)行的安全標(biāo)準(zhǔn)，而且耗能在中震、大震中的表現(xiàn)會更加出眾，這大大降低了地震對混凝土構(gòu)件的影響和破壞，使結(jié)構(gòu)經(jīng)加固后具備了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震能力。所以，對于地震頻發(fā)的地區(qū)以及高層建筑物而言，粘滯耗能在抗震設(shè)防中起到了至關(guān)重要的作用。

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