消能減震與隔震技術(shù)在抗震加固工程中的應(yīng)用

程紹革

消能減震與隔震技術(shù)在抗震加固工程中的應(yīng)用

程紹革

程紹革，研究員，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任中國(guó)建筑科學(xué)研究院副總工程師、工程抗震研究所副所長(zhǎng)，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家。1990年畢業(yè)于中國(guó)建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，長(zhǎng)期從事工程抗震研究工作。主編有《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》《非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》《約束砌體與配筋砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，主持建成當(dāng)時(shí)我國(guó)最大的6 m×6 m三向六自由度模擬地震振動(dòng)臺(tái)。著有《建筑抗震鑒定技術(shù)手冊(cè)》《全國(guó)中小學(xué)校舍抗震鑒定加固示例》，先后獲省部級(jí)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)4項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

抗震加固的基本原理

歷次地震震害表明，房屋建筑的破壞與倒塌是造成大量人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失的主要原因。我國(guó)早期建造的一批房屋限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)水平，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低，并且材料性能由于使用了這么多年也會(huì)產(chǎn)生不可避免的退化，這類房屋的抗震性能低下，亟待進(jìn)行抗震加固。事實(shí)證明，經(jīng)過(guò)抗震加固的房屋在地震中的破壞程度明顯低于未加固的房屋。

抗震加固就是對(duì)房屋建筑采取一定的技術(shù)措施，使其遭受未來(lái)的地震時(shí)不至倒塌或僅發(fā)生輕微程度的破壞，從而保護(hù)了人們的生命安全，減輕財(cái)產(chǎn)損失。房屋抗震加固的基本方法可歸納為兩大類：一是提高抵御地震的能力，也就是說(shuō)通過(guò)加固使房屋的結(jié)構(gòu)構(gòu)件足夠結(jié)實(shí)，地震中不發(fā)生破壞，或即便發(fā)生破壞但還有一定的變形能力，使得房屋在地震時(shí)不致發(fā)生倒塌，這是傳統(tǒng)的抗震加固方法；二是減小地震動(dòng)對(duì)房屋產(chǎn)生的力，從而使對(duì)房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身不加固或少加固，同樣達(dá)到預(yù)期的目的，這是目前比較先進(jìn)的抗震加固技術(shù)，常用的有消能減震加固技術(shù)和隔震加固技術(shù)。

抗震加固的基本原理可由公式（1）進(jìn)行說(shuō)明，地震作用下房屋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程可表示為：

傳統(tǒng)的抗震加固方法是通過(guò)改變M或K以減小地震反應(yīng)，如減小房屋的重量（將原較重的黏土磚隔墻替換為輕質(zhì)隔墻）、調(diào)整房屋的質(zhì)量分布（上輕下重）和增加構(gòu)件或加大原構(gòu)件截面。消能減震加固技術(shù)則是在原房屋內(nèi)增設(shè)一定數(shù)量的消能器（阻尼器），增大房屋的C以達(dá)到降低地震反應(yīng)的目的，同時(shí)盡可能在地震時(shí)使消能減震裝置先于結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞，地震后只要更換消能減震裝置即可，從而保護(hù)了原房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件。隔震加固技術(shù)則是通過(guò)設(shè)置隔震層，通過(guò)隔震層的大變形吸收大量的地震能量，減小了房屋結(jié)構(gòu)的地震輸入X¨g，從而減小了上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

消能減震加固技術(shù)

阻尼器的分類

消能減震加固是在房屋內(nèi)部增設(shè)一定數(shù)量的阻尼器，目前阻尼器的種類較多，按其實(shí)現(xiàn)消能的原理可分為速度相關(guān)型阻尼器和位移相關(guān)型阻尼器兩類。

速度相關(guān)型阻尼器，顧名思義其耗能能力與結(jié)構(gòu)的速度反應(yīng)相關(guān)，這類阻尼器主要包括黏滯阻尼器和黏彈性阻尼器兩類，其恢復(fù)力模型可表征為：

式中：F為阻尼器的阻尼恢復(fù)力（kN），C為阻尼系數(shù)（kN/mm/s），V為阻尼器活塞的速度（mm/s），α為速度指數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定，一般為0.2～1.0，當(dāng)為1.0時(shí)則為線性阻尼。

位移相關(guān)型阻尼器主要是當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入較大變形時(shí)，阻尼器進(jìn)行彈塑性階段或克服初始摩擦力進(jìn)行耗能，位移相關(guān)型阻尼器常見(jiàn)的有防屈曲約束支撐阻尼器、金屬剪切型阻尼器和鉛摩擦阻尼器等。

附加阻尼比的確定

消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的工作是如何根據(jù)阻尼器的布置，正確合理地確定結(jié)構(gòu)附加阻尼比的大小。現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011）中給出了相應(yīng)的計(jì)算方法。

消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按下式估算：

式中：Wcj為第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移Δuj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量，Ws為設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。

結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變能可根據(jù)能量原理按下式計(jì)算：

在水平地震作用下，速度線性相關(guān)型消能器往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量，可按下式計(jì)算：

式中：T1為消能減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期，Cj為消能器的線性阻尼系數(shù)，Δuj為第j個(gè)消能器兩端的相對(duì)水平位移，θj為第j個(gè)消能器的消能方向與水平面的夾角。

位移相關(guān)型和速度非線性相關(guān)型消能器在水平地震用往復(fù)一周循環(huán)所消耗的能量，可按下式計(jì)算：

即消能器恢復(fù)力滯回環(huán)在相對(duì)水平位移Δuj時(shí)的面積。

然而現(xiàn)行規(guī)范中未給出預(yù)期位移的確切含義，有的設(shè)計(jì)人員是取小震時(shí)的位移控制值，筆者認(rèn)為考慮消能器安裝時(shí)不可避免帶來(lái)的安裝誤差，按小震位移控制位移所得到的附加阻尼比偏大，應(yīng)按中震位移控制進(jìn)行計(jì)算。且采用消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，消能器給結(jié)構(gòu)增加的附加阻尼比不宜過(guò)大，否則是不經(jīng)濟(jì)合理的，一般附加阻尼比控制在5%是比較合理的。

此外，消能器都是與消能支撐組合在一起放置在結(jié)構(gòu)中，理論上說(shuō)消能器水平放置的效果最為理想，這就要求消能支撐需有足夠的水平剛度，工程中很難實(shí)現(xiàn)。一般情況下，消能支撐的形式為對(duì)角支撐、交叉支撐、人字支撐或倒V形支撐，這種情況下支撐的角度控制在35°～55°為最佳。

消能減震結(jié)構(gòu)的抗震分析

通常可采用下列簡(jiǎn)化分析方法進(jìn)行消能減震結(jié)構(gòu)的計(jì)算。步驟如下，圖1是相應(yīng)的設(shè)計(jì)流程圖。

圖1　消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

（1）計(jì)算原結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)，并以此初步選定消能減震的相關(guān)參數(shù)。

（2）選定初始的頂點(diǎn)最大位移，計(jì)算等效阻尼比，進(jìn)而分析消能減震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

（3）比較頂點(diǎn)位移，當(dāng)不滿足預(yù)期的頂點(diǎn)最大位移要求時(shí)，重新調(diào)整相關(guān)參數(shù)，反復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直至達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

上述簡(jiǎn)化計(jì)算分析對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，初步參數(shù)選擇的基本合理，一般不需要多次迭代計(jì)算便可得到相應(yīng)滿意的結(jié)果。

消能減震結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析往往需要進(jìn)行大震彈塑性時(shí)程分析，以期對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇大震的性態(tài)有更好的了解。但應(yīng)注意的是消能減震抗震加固工程的時(shí)程分析其三水準(zhǔn)的地動(dòng)震參數(shù)同新建消能減震工程的設(shè)計(jì)不同，應(yīng)根據(jù)其后使用年限的不同，按表1確定其三水準(zhǔn)地震動(dòng)參數(shù)的峰值加速度折減系數(shù)。

表1　不同后續(xù)使用年限各水準(zhǔn)地震作用折減系數(shù)取值

消能減震加固設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

（1）消能器的布置應(yīng)均勻?qū)ΨQ，每個(gè)消能器的阻尼力不宜過(guò)大，最大阻尼力300 kN較為合適，最大不宜超過(guò)500 kN，避免對(duì)原結(jié)構(gòu)構(gòu)件遭成損傷。

（2）既有建筑的抗震構(gòu)造措施相對(duì)要弱，地震作用下的變形能力相對(duì)也差，因此在確定消能減震技術(shù)加固既有建筑時(shí)，目標(biāo)變形能力不宜過(guò)嚴(yán)。事實(shí)上，對(duì)于老舊既有建筑即便采用了消能減震技術(shù)進(jìn)行了加固，在預(yù)期的小震地震作用下，結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件會(huì)先于消能器發(fā)揮作用時(shí)開(kāi)裂。采用消能減震加固的目的是保證結(jié)構(gòu)在較大變形時(shí)發(fā)揮作用，控制結(jié)構(gòu)的變形，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞控制在一定程度，保證結(jié)構(gòu)不致倒塌。

（3）采用防屈曲約束支撐加固時(shí)，宜采用低屈服點(diǎn)、高延伸率的鋼材作為芯材，否則會(huì)造成結(jié)構(gòu)進(jìn)入大變形而支撐尚未屈服的后果，起不到應(yīng)有的消能減震加固效果。事實(shí)上，我國(guó)目前常采用的以Q235或Q335作為芯材的防屈曲約束支撐的作用更像是普通鋼支撐，主要起到增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的作用。

（4）應(yīng)保證框架梁柱節(jié)點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度。早期建成的鋼筋混凝土房屋節(jié)點(diǎn)區(qū)的箍筋配置少，抗剪能力低，增設(shè)消能支撐引起的附加力可能會(huì)造成節(jié)點(diǎn)區(qū)域的破壞。可采用半包或全包鋼式對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，必要時(shí)可輔助以對(duì)穿螺桿加強(qiáng)兩側(cè)鋼板的連接。

隔震加固技術(shù)

隔震支座的種類

隔震支座（橡膠支座）是隔震建筑的關(guān)鍵元件，由多層橡膠和薄鋼板交替疊置而成，形狀大多為圓柱型，剖面如圖2所示。

圖2　橡膠支座結(jié)構(gòu)示意圖

橡膠支座內(nèi)分層設(shè)置的薄鋼板對(duì)橡膠起約束作用，使橡膠支座具有很高的豎向承載能力，但不影響橡膠支座的水平剛度，從而使得整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期延長(zhǎng)，達(dá)到隔震減震的目的。目前常用的橡膠支座有天然橡膠支座（NRB）、鉛芯橡膠支座（LRB）、高阻尼橡膠支座（HDR）等。鉛芯橡膠支座是在天然橡膠支座的中孔灌入鉛芯而成的，以提高橡膠支座的阻尼和初始剛度，高阻尼橡膠支座則是在橡膠母材添加碳和其他元素，以提高其阻尼性能。

隔震加固計(jì)算分析要點(diǎn)

1.計(jì)算參數(shù)的確定

隔震結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)是隔震支座的性能指標(biāo)，需通過(guò)試驗(yàn)確定。這樣隔震層的水平剛度和等效黏滯阻尼比應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中：ζj為j隔震支座由試驗(yàn)確定的等效黏滯阻尼比，設(shè)置阻尼裝置時(shí)還應(yīng)包括其附加的阻尼比；Kj為j隔震支座（含消能器）由試驗(yàn)確定的水平等效剛度。

2.水平向減震系數(shù)的計(jì)算

隔震加固一般適用于多層結(jié)構(gòu)的抗震加固。因此，水平向減震系數(shù)應(yīng)分別按隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算，求出隔震結(jié)構(gòu)各層層間剪力與非隔震結(jié)構(gòu)各層層間剪力的最大比值，以此最大比值作為水平向減震系數(shù)。結(jié)構(gòu)分析可采用振型分解反應(yīng)譜法或時(shí)程分析法，當(dāng)采用振型分解反應(yīng)譜法時(shí)，隔震支座的參數(shù)應(yīng)取水平剪切應(yīng)變?yōu)?00%時(shí)的性能參數(shù)；當(dāng)采用時(shí)程分析法，應(yīng)采用試驗(yàn)所得的滯回曲線為計(jì)算依據(jù)，按表1第二水準(zhǔn)（中震）進(jìn)行計(jì)算。

3.原結(jié)構(gòu)托換頂升的設(shè)計(jì)

對(duì)原有結(jié)構(gòu)的托換頂升是隔震加固設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)造成上部結(jié)構(gòu)的破壞，后果將不堪設(shè)想。

對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)，一般是在墻體需放置隔震支座的頂面兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土托換梁，且每隔一定距離設(shè)置銷鍵梁將兩側(cè)托換梁及墻體連成一整體，并根據(jù)上部荷載重量對(duì)托換梁的承載力及變形進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般需對(duì)放置隔震支座的框架柱周邊梁加固及增設(shè)柱帽，根據(jù)上部荷載及支頂位置進(jìn)行構(gòu)件承載力與變形驗(yàn)算。

隔震加固施工要點(diǎn)

隔震加固的施工是整個(gè)抗震加固工程成敗的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)階段就要考慮到施工過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)的各種不利因素影響，實(shí)施過(guò)程中設(shè)計(jì)單位應(yīng)與施工單位密切配合，嚴(yán)格按規(guī)定的流程施工，同時(shí)還需要注意沉降觀測(cè)。

1.砌體結(jié)構(gòu)隔震加固施工流程（見(jiàn)圖3）

圖3　既有砌體結(jié)構(gòu)隔震加固施工流程圖

2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隔震加固施工流程（見(jiàn)圖4）

圖4　既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隔震加固施工流程圖

3.隔震加固施工精度的控制

為保證隔震支座的均勻受力、共同工作，必須控制施工精度：①支承隔震支座的下支墩，其頂面水平誤差不宜大于5‰，在隔震支座安裝后，隔震支座頂面的水平誤差不宜大于8‰；②隔震支座中心的平面位置與設(shè)計(jì)位置的偏差不應(yīng)大于5mm；③隔震支座中心的標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的偏差不應(yīng)大于5mm。

工程應(yīng)用示例

中國(guó)人民革命軍事博物館抗震加固

中國(guó)人民革命軍事博物館建于1959年，建筑面積約65000平方米，是向國(guó)慶10周年獻(xiàn)禮的首都十大建筑之一。2012年中國(guó)建筑科學(xué)研究院承擔(dān)了該館的抗震加固設(shè)計(jì)工作，依據(jù)專家組的論證意見(jiàn)，該館按乙類建筑、后續(xù)使用年限50年的要求進(jìn)行加固，是迄今我國(guó)既有建筑抗震加固的最高標(biāo)準(zhǔn)。

本工程中央大廳部分立面逐漸縮進(jìn)，剛度變化較大，且頂部細(xì)高的五角星總高度接近100米，造成中央大廳框架柱承載力嚴(yán)重不足，地震作用下的變形較大，頂部五角星在地震中極易震落。為此，中國(guó)建筑科學(xué)研究院專門研發(fā)了承壓型的防屈曲約束支撐（圖5），首先通過(guò)增加32根斜向設(shè)置的支撐實(shí)現(xiàn)了荷載傳力途徑的轉(zhuǎn)變，中央大廳的框架柱受力減小不再需要加固，其次防屈曲約束支撐的設(shè)置增加了結(jié)構(gòu)剛度的突變，使得結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形比較均勻，并且在遭遇較大地震的作用時(shí)能起到消耗地震能量的目的。

北京火車站抗震加固

北京火車站與中國(guó)人民革命軍事博物館同時(shí)期建成，建筑面積約45000平方米，為20世紀(jì)50年代首都十大建筑之一。火車站中央大廳為大跨薄殼穹頂支承于四周的鋼筋混凝土柱上，無(wú)法采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行加固，中國(guó)建筑科學(xué)研究院采用了消能減震技術(shù)進(jìn)行了加固，這也是我國(guó)第二例采用消能減震技術(shù)加固的大型公共建筑（第一例為中國(guó)建筑科學(xué)研究院完成的北京飯店抗震加固），加固中采用了黏滯型阻尼器。

北京火車站采用消能減震加固技術(shù)取得了良好的效果，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，建筑外立面保持不變保留了原有建筑風(fēng)貌，從大廳內(nèi)部看，阻尼器的設(shè)置不影響室內(nèi)采光，也成為了北京火車站一道靚麗的風(fēng)景（圖6）。南京博物院老大殿整體頂升與隔震加固

南京博物院老大殿建成于1948年，屬江蘇省文物保護(hù)單位。由于建筑使用年代久，未考慮抗震設(shè)防，且不能適應(yīng)現(xiàn)代博物館要求，需進(jìn)行改造與加固。

該工程的難點(diǎn)在于整個(gè)老大殿因功能改造需要整體頂升3m，抗震加固不能改變二層以上建筑外貌，整體頂升與抗震加固改造應(yīng)確保結(jié)構(gòu)安全，且不得損壞原有建筑的文物價(jià)值。以李愛(ài)群教授為首的團(tuán)隊(duì)結(jié)合大殿整體頂升確定了隔震技術(shù)抗震加固方案，并采用了柱托換、頂升安全分析與偏差自動(dòng)復(fù)位與高精度隨動(dòng)保護(hù)、頂升支架和上部結(jié)構(gòu)復(fù)合體系穩(wěn)定性分析等新技術(shù)，使得改造后的老大殿功能大為提升，耐久性提高，整體抗震性能顯著提升。二層以上完整地保留了建筑外貌、建造工藝的原建筑構(gòu)件。

圖5　承壓型防屈曲約束支撐

圖6　車站大廳北側(cè)阻尼器

都江之春隔震加固

都江之春為一6層框架結(jié)構(gòu)，底層作為商鋪使用需有大空間，上部為住宅使用，內(nèi)砌隔墻較多，因此形成事實(shí)上的底層框架結(jié)構(gòu)。汶川地震該建筑尚未投入使用即遭到嚴(yán)重破壞，底層產(chǎn)生不可復(fù)位的較大側(cè)移，上部結(jié)構(gòu)幾乎完好無(wú)損（圖7）。

為減少國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失，清華大學(xué)承擔(dān)了都江之春的加固工作，這屬于震損建筑的加固修復(fù)，由于其震害較為嚴(yán)重，加固修復(fù)難度自然也很大。該工程的加固修復(fù)工作主要采取了以下幾項(xiàng)措施：①增加支撐保護(hù)措施，保證加固施工的安全；②對(duì)結(jié)構(gòu)底層進(jìn)行復(fù)位；③對(duì)首層柱頂框架柱切割，安裝隔震支座。加固修復(fù)的結(jié)構(gòu)投入了正常使用，抗震安全性能得到提高（圖8、圖9）。

圖7　震后的都江之春

圖8　震損結(jié)構(gòu)的支護(hù)與復(fù)位

圖9　隔震支座的安裝

結(jié)語(yǔ)

消能減震與隔震加固技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與應(yīng)用，技術(shù)已比較成熟，但在實(shí)際抗震加固工程中尚應(yīng)根據(jù)工程的具體特點(diǎn)選用最合理的方法。“先進(jìn)”的不一定是“合理”的，“先進(jìn)”的也不是萬(wàn)能的，有時(shí)“傳統(tǒng)”的加固方法可能是最經(jīng)濟(jì)、最合理、可操作性最強(qiáng)的方法。抗震加固，權(quán)從適宜！

感謝李愛(ài)群、葉列平、潘鵬、苗啟松和薛彥濤幾位教授提供了大量的素材。