某中學活動中心消能減震加固設計

阮錦發

(福建建工集團總公司 福建福州 350001)

某中學活動中心消能減震加固設計

阮錦發

(福建建工集團總公司 福建福州 350001)

對某中學活動中心采用消能減震方法進行加固設計。通過布置20套減震裝置后，結構增加了8%的阻尼比，且通過阻尼器自身的耗能，原結構的抗震性能得到了大幅提高。

耗能減震裝置；加固設計；阻尼器

0 引言

消能減震技術是通過在建筑結構的某些部位(如柱間、剪力墻、相鄰建筑間、主附建筑間等)設置消能器以增加結構阻尼，從而減少結構在風和地震作用下的反應[1]。經過多年發展研究，消能減震器的種類通常分為位移相關型、速度相關型和其他類型，其中金屬阻尼器和摩擦阻尼器屬于位移相關型，要求位移達到預定的啟動限才能發揮消能作用；而利用粘性、 粘彈性材料制成的阻尼器屬于速度相關型，其性能與速度有關[2-3]。近年來，該項技術在新建項目和加固項目中均得到了廣泛應用[4-6]。

1 工程概況

某中學青少年活動中心建于2003年，抗震設防烈度8度(0.3g)，為6層框架結構，整個建筑平面基本呈L形，總長約40m，總寬23.9m，高度為24.3m，建筑面積約4 735.02m2，結構布置如圖1所示。

存在的問題為：該工程屬于學校建筑，按照現行國家標準《建筑工程抗震設防分類標準》(GB50023-2008)，該結構抗震設防標準由丙類建筑調整為乙類建筑，抗震設防要求明顯提高；按現行國家規范《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)[7]，該結構所在地區設計地震分組由原來的第二組調整為第三組，地震作用增大。由此，現在結構的梁柱配筋及抗震構造措施等基本上都不滿足規范要求。

圖1 結構平面布置示意圖

加固方案的選擇：由于施工過程僅為暑假期間，所以改造加固周期不宜過長，濕作業不宜過多，而且還要便于檢查和維護，更不能妨礙建筑物的外觀和正常使用。若采用傳統的加固方法對其加固，將影響活動中心的正常使用。因此，該工程采用增設黏滯流體阻尼器進行減震加固，一方面可以通過阻尼器的耗能降低結構的地震作用，另一方面施工速度快，基本不影響活動中心的正常使用，而且相較于傳統的加固方法，采用消能減震方案在施工時間和經濟都具有明顯優勢。

2 分析模型及選波

2.1 計算模型

采用ETABS軟件建立分析模型如圖2所示。ETABS與PKPM各階模態周期、樓層剪力對比情況詳見表1和圖3；另外，ETABS 模型計算的結構總質量為6 391t，PKPM 模型計算的結構總質量為 6 355t。二者計算結果表明，兩個模型的相應數據基本相同，差別很小，故所建立的 ETABS 的模型符合要求。

圖2 ETABS分析計算模型

圖3 ETABS與PKPM層間剪力對比結果

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2.2 地震波輸入

該工程設計選用OBG、SFD、LWD、SFH、SNM、S845-1(人工波)、S845-2(人工波)，共7條。通過對波在頻域內的綜合調整，使得各條波在8(0.30g)度多遇地震(110gal)的反應譜已經與《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)相對應的不同水準設計譜基本一致，見圖4。兩條人工地震波 S845-1、S845-2是根據該工程附近場地的地貌和地質特性生成，見圖5。

圖4 多遇地震動(天然波)和 5%阻尼比規范設計譜對比

圖5 多遇地震動(人工波)和 5%阻尼比規范設計譜對比

3 消能減震分析

3.1 阻尼器布置方案

阻尼器在豎向和平面上都應布置在層間相對位移比較大的地方。框架結構體系的總體水平位移曲線為剪切型，即下部樓層的層間相對水平位移較大，故在結構的第一層至第五層均布置黏滯阻尼器裝置，各樓中黏滯阻尼器裝置的數量、型號和具體位置需通過多輪時程分析進行優化后確定。優化后最終布置20套黏滯阻尼器減震裝置，具體布置位置見圖6。

該工程所采用的消能減震裝置為黏滯阻尼器組合消能支撐，主要由黏滯阻尼器和鋼支撐組合構成，其中黏滯阻尼器的阻尼力可用下式表達：

Fd=Cvsgn(V) ∣V∣α

(1)

式中：α——阻尼指數；V——速度；Cv——阻尼系數。

圖6 一至五層消能減震裝置布置示意圖

阻尼器活塞自由移動位移要求：±120mm。黏滯阻尼器的參數取值見表2。

表2 黏滯阻尼器參數

此外，在該工程中所選取的人字形鋼支撐為型鋼HM 440×300×11×18(mm)，支撐材質均為Q235b，支撐及節點設計此處略，安裝節點示意圖見圖7。

圖7 消能減震裝置安裝節點示意圖

3.2 等效阻尼比計算

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)第12.3.4提供的公式可計算得到X向附加有效阻尼比為8.62%，Y向附加有效阻尼比為8.97%，綜合考慮取附加阻尼比為8%，故結構計算最終采用阻尼比為13%。

3.3 減震效果分析

3.3.1 多遇地震作用下減震分析

為考慮布置黏滯阻尼器后結構減震效果，多遇地震作用共輸入7條波進行計算。限于篇幅，文中僅給出OBG波、SFD波和S845-1人工波的具體計算過程。計算結果取7條波的平均值。

8度(0.3g)輸入OBG波、SFD波和S845-1人工波的計算結果，見表3～表5。由表中結果可知，多遇地震OBG波作用下層間剪力和層間位移角X向最小減震率分別為24.65%和37.15%，最大減震率分別為49.72%和51.45%；Y向最小減震率分別為25.20%和23.69%，最大減震率分別為53.25%和52.07%。SFD波作用下層間剪力和層間位移角X向最小減震率分別為29.15%和38.57%，最大減震率分別為43.86%和53.28%；Y向最小減震率分別為27.81%和29.43%，最大減震率分別為44.58%和46.23%。S845-1波作用下層間剪力和層間位移角X向最小減震率分別為34.84%和46.02%，最大減震率分別為46.67%和54.67%；Y向最小減震率分別為38.38%和42.06%，最大減震率分別為43.68%和50.04%。

根據規范要求，計算結果取7條波的平均值，列出各條地震波作用下X向和Y向層間剪力減震率及平均值匯總，見表6和表7。由表可知，在8度(0.3g)常遇地震作用下，X向樓層剪力平均值最大減震率約45.81%，Y向樓層剪力平均值最大減震率約43.84%。

表3 多遇地震作用下OBG波減震率

注：減震率=(減震前數值-減震后數值)/減震前數值，下同。

表4 多遇地震作用下SFD波減震率

表5 多遇地震作用下S845-1人工波減震率

表6 X向各條地震波的層間剪力減震率 %

表7 Y向各條地震波的層間剪力減震率 %

3.3.2 罕遇地震作用下減震分析

為考慮罕遇地震作用下結構減震效果，選用OBG波、SFD波和S845-1波作為地震動輸入進行彈塑性時程分析，其中OBG波、SFD波為天然波，S845-1波為人工波。地震波的峰值加速度根據規范要求分別調整到對應于8度(0.30g)罕遇地震的510gal。計算結果取包絡值。

在8度(0.30g)OBG波作用下，結構在進行減震前后的層間位移角如圖8所示，X向層間位移角在各樓層的減震率最小約為24%，最大可達38%；Y向層間位移角在各樓層的減震率最小約為23%，最大可達51%。SFD波作用下，結構在進行減震前后的層間位移角如圖9所示，X向層間位移角在各樓層的減震率最小約為19%，最大可達42%；Y向層間位移角在各樓層的減震率最小約為15%，最大可達38%。S845-1波作用下，結構在進行減震前后層間位移如圖10所示，X向層間位移角在各樓層的減震率最小約為20%，最大可達41%；Y向層間位移角在各樓層的減震率最小約為10%，最大可達41%。

(a)X向

(b)Y向圖8 OBG波作用下層間位移角

(a)X向

(b)Y向圖9 SFD波作用下層間位移角

3.3.3 減震效果小結

在8度(0.3g)常遇地震作用下，從7條地震波分析結果的平均值可知，布置阻尼器后結構在地震作用下的各層反應均得到了明顯減小。即X向樓層剪力平均值最大減震率達到45.81%，Y向樓層剪力平均值最大減震率達到 43.84%。

在8度(0.3g)罕遇地震作用下，從3條地震波分析結果的包絡值可知，X向各層層間位移角平均值最大減震率可達到42%，Y向各層層間位移角平均值最大減震率可達到51%。

以上分析結果表明，結構布置黏滯阻尼器之后抗震性能得到了大幅提升。

4 結論

通過對該建筑采用消能減震技術進行加固分析，得到主要結論如下：

(1)設置阻尼器裝置后，在8度(0.3g)常遇地震作用下，X向基底剪力平均值最大減震率約45.81%，Y向基底剪力平均值最大減震率約43.84%。在8度(0.3g)罕遇地震作用下，X向各層層間位移角平均值最大減震率約45%，Y向各層層間位移角平均值最大減震率約49%。因此，采用黏滯流體阻尼器后結構的抗震性能得到了大幅提升。

(2)采用本減震設計，X和Y向的基底剪力平均減震率約為30%～40%，故確定結構的抗震等級時可考慮至少降低半度，即可按8度(0.2g)考慮。該工程的框架抗震等級仍然為二級，框架梁、柱的承載力及彈性層間位移角等都已滿足要求，對框架梁、柱可不再進行構造措施方面的加固。

(a)X向

(b)Y向圖10 S845-1波作用下層間位移角

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[2] 蔣夢，阿肯江·托湖提. 阻尼器在消能減震結構中應用概況評述[J]. 低溫建筑技術，2012(1): 48-49.

[3] 周云，丁春花，鄧雪松. 基于性能的耗能減震加固設計理論框架[J]. 工程抗震與加固改造，2005， 27(5): 45-49.

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Strengthening Design of a School Activity Center By Using Energy Dissipation Devices

RUANJinfa

(Fujian Construction Engineering Group Company,Fuzhou 350001)

A school activity center was strengthened by using energy dissipation devices. About 8% damping ratio of the structure is added after arranging 20 energy dissipation devices, and seismic performance has been greatly improved due to energy dissipation of dampers.

Energy dissipation device; Strengthen design; Damper

阮錦發(1972.11- ),男，高級工程師。

E-mail:50506326@qq.com

2016-08-09

TU352

A

1004-6135(2016)12-0025-06