消能減震措施在改造工程中的應用實例★

戴 亞 鵬

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

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消能減震措施在改造工程中的應用實例★

戴 亞 鵬

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

以一位于8度區的多層商業中心為例，因建設單位對使用功能要求的調整，需對已施工完成的結構進行加固處理，經仔細復核驗算，對各加固方案進行了綜合比較，提出了采用增設消能減震構件的加固方案，并對比了其與傳統補強加固方法的不同。

框架結構，加固改造方案，消能減震措施，粘滯阻尼器

1 工程概況

本項目原設計為地下1層、地上4層的鋼筋混凝土框架結構，使用功能均為商業，地下室層高6.1 m，1層層高4.5 m，2層～4層層高3.6 m。本地區地震基本烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，抗震設防類別為丙類，框架及剪力墻的抗震等級均為一級。施工到地上2層頂(標高8.100 m)時停工，建設方擬對原設計使用功能做局部調整，地上3層由原商業變更為影院使用，4層取消，3層層高9.12 m，局部設有放映夾層，夾層層高5.1 m。2層頂以上部分擬采用鋼框架結構。如圖1所示為原設計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層頂板增設座椅臺階鋼架，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。依據變更后實際狀況對原結構模型進行修改，對變更后2層頂以下結構梁、柱、墻、板配筋計算值與原施工圖紙配筋詳細核對，發現2層頂板配筋不足，地下1層～2層變更影響范圍內大部分梁、柱配筋均不足。

現場裝飾裝修情況匯總：地下1層～2層內部隔墻也已砌筑完畢，部分商家已經裝修入駐。

2 加固方案對比和確定

根據使用功能變更條件對原結構模型相關構件布置、荷載等修改調整并進行計算，發現已施工完畢的地下1層～2層改造影響范圍內大部分梁、柱原設計配筋不能滿足規范及計算要求。地下1層～2層內部隔墻現已砌筑完畢，且部分商家已經裝修入駐。可見加固施工涉及經濟利益方多雜，操作空間受限，實施難度大。初步提出兩種加固方案，一種是傳統梁、柱配筋補強加固方法，另一種是增設消能減震裝置加固方法。

傳統梁、柱配筋補強加固方法，經計算、核對、統計得出：功能更改影響范圍內的所有框柱(僅B1區，約25根柱)均需加固，影響范圍內所有框梁均需加固。可見，此加固方法影響范圍達到100%，需拆除全部裝飾裝修做法及部分砌塊隔墻，加固改造后恢復費用甚巨，另外還有入駐商家停業歇業等一系列需要賠償、協商等問題。

增設消能減震裝置加固方法，在圖3所示位置設置消能減震裝置。地下1層～2層共設置9個防屈曲支撐(Y向布置6個，X向布置3個)，每層3個，短橢圓標記為單斜撐屈曲約束支撐，長橢圓標記為人字形屈曲約束支撐；另外共設置8個粘滯阻尼器(Y向布置4個，X向布置4個)，地下1層X,Y向各設置1個，1層,2層X,Y向各設置3個，阻尼器參數如表1所示。經計算機模擬計算分析得出：設置防屈曲支撐及粘滯效能器后，結構整體指標大幅改善，抗震性能目標可達到高于基本設防目標的性能要求，同時，地下1層～2層框架柱、框架梁的加固量大幅減少，約為傳統補強加固方法加固量的30%。采用這種加固方法，加固影響范圍縮小，加固改造后恢復費用及其他有關費用均可大幅縮減。具體對比結果如表2所示，加固工程造價及后續費用支出傳統構件補強加固方法按相對值1計量。

表1 阻尼器相關參數

經綜合考慮，采用增設消能減震裝置配合個別柱、梁補強加固方法完成該加固改造項目。

表2 加固方案對比

3 工程經驗分析

1)消能減震控制方案較傳統加固方案的對比。

傳統的補強加固方法加固后結構用構件的材料強度與彈塑性變形能力來耗散和吸收地震作用輸入結構的能量。結構的質量越大，輸入結構的地震能量越大；結構的剛度越大，地震能量的耗散和地震作用動力反應的衰減越慢。傳統的補強加固辦法總會或多或少的增大原有結構的質量和剛度。

增設消能減震裝置加固方法加固后，在地震作用下，主體結構與消能減震裝置共同耗散地震輸入的能量，消能裝置分擔了原結構的地震作用，一定程度上保護了主體結構的安全。在小震及風載作用下，消能裝置處于彈性工作狀態，可提供一定的剛度，略微減小結構的側向位移，增加結構使用舒適度；當遭遇強震作用時，消能裝置先于主體結構進入非彈性狀態，消能裝置剛度減小趨于零，阻尼快速成倍增長，吸收且快速耗散大量的地震輸入能量。

本工程B1部分結構采用設置消能減震裝置后，在設防地震作用下，X方向層剪力較原結構最大減震效果達19.87%，Y方向層剪力較原結構最大減震效果達21.07%；結構X向層間位移角減小，減震效果達21.89%，Y向層間位移角亦有一定地減小，最大減震效果達到36.14%；在罕遇地震作用下，結構X向層間位移角減小，減震效果達14.87%，Y向層間位移角亦有一定地減小，最大減震效果達到26.26%。

加固改造工程結構抗震性能設計預期達到同樣的抗震性能目標時，傳統補強加固辦法造價要遠高于增設消能減震裝置加固方法。且震后的修復難易程度、修復費用等方面，消能裝置加固結構明顯占優。

2)計算機模擬輔助設計。

本工程采用美國Computer and Structures Inc.(CSI)公司開發研制ETABS房屋建筑結構分析與設計軟件建立的有限元模型，該模型與原結構PKPM結構設計計算模型結構動力特性具有良好的吻合性：

B1的周期和質量誤差均在5%以內，結構動力響應即樓層最大地震剪力誤差也在5%以內，具有良好的吻合性。每條時程曲線計算所得未減震結構的底部地震剪力均大于反應譜法計算結果的65%，7條時程曲線計算所得結構底部地震剪力的平均值大于反應譜法計算結果的80%。

綜上所述，采用ETABS軟件建立的有限元模型能夠準確反映實際結構的質量和剛度分布，所建模型是合理有效的；且與原結構PKPM模型具有很好的匹配性、延續性，為既有結構消能減震加固改造提供便捷的設計計算方法。

3)推廣條件。

隨著中國經濟和技術的大力發展，社會對建筑居住環境的安全度及舒適度有了更高的要求。山西省住房和城鄉建設廳關于積極推進建筑工程減隔震技術應用的通知(第115號)明確提出：抗震設防烈度8度區、地震重點危險區學校和幼兒園的新建教學用房、學生宿舍、食堂以及醫院的新建醫療建筑，必須采用減隔震技術；重點設防類、特殊設防類建筑，優先采用減隔震技術；標準設防類建筑，提倡采用減隔震技術。可見，為了更好的保障在大災情況下人民的生命及財產的安全，政府部門已經作出積極的導向，對建筑結構提出更高的抗震性能目標要求。在既有建筑的加固改造工程中，采用減隔震措施將會是發展的必然，亦是契機。

4 結語

由此工程實例可以看出，與傳統補強加固方法相比，設置消能減震裝置加固方法可縮減加固影響范圍，減少構件加固量，同樣的抗震性能目標條件下工程造價明顯降低等優勢，且隨著結構計算軟件的升級，對消能裝置的力學性能、地震作用下的動力反應等的模擬更趨真實、有效，增設消能裝置加固改造設計更為簡便、可靠。可見，增設減震裝置是一種綜合技術較好的結構加固改造設計方案。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[2] GB 50010—2010,混凝土結構設計規范[S].

[3] GB 50367—2013,混凝土結構加固設計規范[S].

[4] JG/T 209—2012,建筑消能阻尼器[S].

[5] JGJ 297—2013,建筑消能減震技術規程[S].

[6] 潘 鵬,葉列平，錢嫁茹，等.建筑結構消能減震設計與案例[M].北京:清華大學出版社，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★:山西省建筑科學研究院科研項目(項目編號：1608)資助

戴亞鵬(1983- )，男，工程師

TU352

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