消能減震措施在改造工程中的應(yīng)用實(shí)例★

戴 亞 鵬

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

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消能減震措施在改造工程中的應(yīng)用實(shí)例★

戴 亞 鵬

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

以一位于8度區(qū)的多層商業(yè)中心為例，因建設(shè)單位對(duì)使用功能要求的調(diào)整，需對(duì)已施工完成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，經(jīng)仔細(xì)復(fù)核驗(yàn)算，對(duì)各加固方案進(jìn)行了綜合比較，提出了采用增設(shè)消能減震構(gòu)件的加固方案，并對(duì)比了其與傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)加固方法的不同。

框架結(jié)構(gòu)，加固改造方案，消能減震措施，粘滯阻尼器

1 工程概況

本項(xiàng)目原設(shè)計(jì)為地下1層、地上4層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，使用功能均為商業(yè)，地下室層高6.1 m，1層層高4.5 m，2層～4層層高3.6 m。本地區(qū)地震基本烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防類別為丙類，框架及剪力墻的抗震等級(jí)均為一級(jí)。施工到地上2層頂(標(biāo)高8.100 m)時(shí)停工，建設(shè)方擬對(duì)原設(shè)計(jì)使用功能做局部調(diào)整，地上3層由原商業(yè)變更為影院使用，4層取消，3層層高9.12 m，局部設(shè)有放映夾層，夾層層高5.1 m。2層頂以上部分?jǐn)M采用鋼框架結(jié)構(gòu)。如圖1所示為原設(shè)計(jì)3層建筑平面布置圖，如圖2所示為擬改造后3層建筑平面布置圖。

主要更改內(nèi)容有：3層取消4根柱子，且層高由原3.6 m增至9.12 m；2層頂板增設(shè)座椅臺(tái)階鋼架，恒荷載(除鋼筋混凝土樓板自重外)由原2.1 kN/m2變更為4 kN/m2，部分區(qū)域活荷載由原3.5 kN/m2變更為3 kN/m2；樓梯位置變更等。依據(jù)變更后實(shí)際狀況對(duì)原結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行修改，對(duì)變更后2層頂以下結(jié)構(gòu)梁、柱、墻、板配筋計(jì)算值與原施工圖紙配筋詳細(xì)核對(duì)，發(fā)現(xiàn)2層頂板配筋不足，地下1層～2層變更影響范圍內(nèi)大部分梁、柱配筋均不足。

現(xiàn)場(chǎng)裝飾裝修情況匯總：地下1層～2層內(nèi)部隔墻也已砌筑完畢，部分商家已經(jīng)裝修入駐。

2 加固方案對(duì)比和確定

根據(jù)使用功能變更條件對(duì)原結(jié)構(gòu)模型相關(guān)構(gòu)件布置、荷載等修改調(diào)整并進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)已施工完畢的地下1層～2層改造影響范圍內(nèi)大部分梁、柱原設(shè)計(jì)配筋不能滿足規(guī)范及計(jì)算要求。地下1層～2層內(nèi)部隔墻現(xiàn)已砌筑完畢，且部分商家已經(jīng)裝修入駐。可見加固施工涉及經(jīng)濟(jì)利益方多雜，操作空間受限，實(shí)施難度大。初步提出兩種加固方案，一種是傳統(tǒng)梁、柱配筋補(bǔ)強(qiáng)加固方法，另一種是增設(shè)消能減震裝置加固方法。

傳統(tǒng)梁、柱配筋補(bǔ)強(qiáng)加固方法，經(jīng)計(jì)算、核對(duì)、統(tǒng)計(jì)得出：功能更改影響范圍內(nèi)的所有框柱(僅B1區(qū)，約25根柱)均需加固，影響范圍內(nèi)所有框梁均需加固。可見，此加固方法影響范圍達(dá)到100%，需拆除全部裝飾裝修做法及部分砌塊隔墻，加固改造后恢復(fù)費(fèi)用甚巨，另外還有入駐商家停業(yè)歇業(yè)等一系列需要賠償、協(xié)商等問(wèn)題。

增設(shè)消能減震裝置加固方法，在圖3所示位置設(shè)置消能減震裝置。地下1層～2層共設(shè)置9個(gè)防屈曲支撐(Y向布置6個(gè)，X向布置3個(gè))，每層3個(gè)，短橢圓標(biāo)記為單斜撐屈曲約束支撐，長(zhǎng)橢圓標(biāo)記為人字形屈曲約束支撐；另外共設(shè)置8個(gè)粘滯阻尼器(Y向布置4個(gè)，X向布置4個(gè))，地下1層X,Y向各設(shè)置1個(gè)，1層,2層X,Y向各設(shè)置3個(gè)，阻尼器參數(shù)如表1所示。經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算分析得出：設(shè)置防屈曲支撐及粘滯效能器后，結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)大幅改善，抗震性能目標(biāo)可達(dá)到高于基本設(shè)防目標(biāo)的性能要求，同時(shí)，地下1層～2層框架柱、框架梁的加固量大幅減少，約為傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)加固方法加固量的30%。采用這種加固方法，加固影響范圍縮小，加固改造后恢復(fù)費(fèi)用及其他有關(guān)費(fèi)用均可大幅縮減。具體對(duì)比結(jié)果如表2所示，加固工程造價(jià)及后續(xù)費(fèi)用支出傳統(tǒng)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固方法按相對(duì)值1計(jì)量。

表1 阻尼器相關(guān)參數(shù)

經(jīng)綜合考慮，采用增設(shè)消能減震裝置配合個(gè)別柱、梁補(bǔ)強(qiáng)加固方法完成該加固改造項(xiàng)目。

表2 加固方案對(duì)比

3 工程經(jīng)驗(yàn)分析

1)消能減震控制方案較傳統(tǒng)加固方案的對(duì)比。

傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)加固方法加固后結(jié)構(gòu)用構(gòu)件的材料強(qiáng)度與彈塑性變形能力來(lái)耗散和吸收地震作用輸入結(jié)構(gòu)的能量。結(jié)構(gòu)的質(zhì)量越大，輸入結(jié)構(gòu)的地震能量越大；結(jié)構(gòu)的剛度越大，地震能量的耗散和地震作用動(dòng)力反應(yīng)的衰減越慢。傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)加固辦法總會(huì)或多或少的增大原有結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度。

增設(shè)消能減震裝置加固方法加固后，在地震作用下，主體結(jié)構(gòu)與消能減震裝置共同耗散地震輸入的能量，消能裝置分擔(dān)了原結(jié)構(gòu)的地震作用，一定程度上保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)的安全。在小震及風(fēng)載作用下，消能裝置處于彈性工作狀態(tài)，可提供一定的剛度，略微減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，增加結(jié)構(gòu)使用舒適度；當(dāng)遭遇強(qiáng)震作用時(shí)，消能裝置先于主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，消能裝置剛度減小趨于零，阻尼快速成倍增長(zhǎng)，吸收且快速耗散大量的地震輸入能量。

本工程B1部分結(jié)構(gòu)采用設(shè)置消能減震裝置后，在設(shè)防地震作用下，X方向?qū)蛹袅^原結(jié)構(gòu)最大減震效果達(dá)19.87%，Y方向?qū)蛹袅^原結(jié)構(gòu)最大減震效果達(dá)21.07%；結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角減小，減震效果達(dá)21.89%，Y向?qū)娱g位移角亦有一定地減小，最大減震效果達(dá)到36.14%；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角減小，減震效果達(dá)14.87%，Y向?qū)娱g位移角亦有一定地減小，最大減震效果達(dá)到26.26%。

加固改造工程結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)預(yù)期達(dá)到同樣的抗震性能目標(biāo)時(shí)，傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)加固辦法造價(jià)要遠(yuǎn)高于增設(shè)消能減震裝置加固方法。且震后的修復(fù)難易程度、修復(fù)費(fèi)用等方面，消能裝置加固結(jié)構(gòu)明顯占優(yōu)。

2)計(jì)算機(jī)模擬輔助設(shè)計(jì)。

本工程采用美國(guó)Computer and Structures Inc.(CSI)公司開發(fā)研制ETABS房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件建立的有限元模型，該模型與原結(jié)構(gòu)PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性具有良好的吻合性：

B1的周期和質(zhì)量誤差均在5%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)即樓層最大地震剪力誤差也在5%以內(nèi)，具有良好的吻合性。每條時(shí)程曲線計(jì)算所得未減震結(jié)構(gòu)的底部地震剪力均大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，7條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部地震剪力的平均值大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。

綜上所述，采用ETABS軟件建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布，所建模型是合理有效的；且與原結(jié)構(gòu)PKPM模型具有很好的匹配性、延續(xù)性，為既有結(jié)構(gòu)消能減震加固改造提供便捷的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

3)推廣條件。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的大力發(fā)展，社會(huì)對(duì)建筑居住環(huán)境的安全度及舒適度有了更高的要求。山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于積極推進(jìn)建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知(第115號(hào))明確提出：抗震設(shè)防烈度8度區(qū)、地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)學(xué)校和幼兒園的新建教學(xué)用房、學(xué)生宿舍、食堂以及醫(yī)院的新建醫(yī)療建筑，必須采用減隔震技術(shù)；重點(diǎn)設(shè)防類、特殊設(shè)防類建筑，優(yōu)先采用減隔震技術(shù)；標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類建筑，提倡采用減隔震技術(shù)。可見，為了更好的保障在大災(zāi)情況下人民的生命及財(cái)產(chǎn)的安全，政府部門已經(jīng)作出積極的導(dǎo)向，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)提出更高的抗震性能目標(biāo)要求。在既有建筑的加固改造工程中，采用減隔震措施將會(huì)是發(fā)展的必然，亦是契機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

由此工程實(shí)例可以看出，與傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)加固方法相比，設(shè)置消能減震裝置加固方法可縮減加固影響范圍，減少構(gòu)件加固量，同樣的抗震性能目標(biāo)條件下工程造價(jià)明顯降低等優(yōu)勢(shì)，且隨著結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的升級(jí)，對(duì)消能裝置的力學(xué)性能、地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)等的模擬更趨真實(shí)、有效，增設(shè)消能裝置加固改造設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)便、可靠。可見，增設(shè)減震裝置是一種綜合技術(shù)較好的結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)方案。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50367—2013,混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JG/T 209—2012,建筑消能阻尼器[S].

[5] JGJ 297—2013,建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].

[6] 潘 鵬,葉列平，錢嫁茹，等.建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)與案例[M].北京:清華大學(xué)出版社，2014.

Application example of energy dissipation measures in transformation engineering★

Dai Yapeng

(ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China)

Taking a multi-story commercial center in 8-intensity region as an example, owning to the utilization demand adjustment of construction unit, it is necessary to make a reinforcement treatment for the completed structure. Through examination and calculation, the paper comprehensively compares various reinforcement scheme, and puts forward the reinforcement scheme of increasing energy dissipation components, and compares it to traditional reinforcement and strengthening method.

framework structure, reinforcement transformation, energy dissipation measures, viscous damper

1009-6825(2017)18-0019-02

2017-04-14★:山西省建筑科學(xué)研究院科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：1608)資助

戴亞鵬(1983- )，男，工程師

TU352

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