黏滯阻尼器在辦公樓抗震加固改造中的應(yīng)用

周書敬+劉帥楊

摘要： 消能減震技術(shù)在實際工程中應(yīng)用越來越廣泛，該文闡述了消能減震加固技術(shù)的耗能機(jī)理，詳細(xì)介紹了黏滯阻尼器的計算模型，并推導(dǎo)出阻尼結(jié)構(gòu)在抗震加固中的計算方法。結(jié)合某辦公樓采用黏滯阻尼器進(jìn)行加固設(shè)計，首先采用PKPM對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，其次用SAP2000對增設(shè)阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析，對比分析結(jié)構(gòu)加固前后的性能指標(biāo)。結(jié)果表明：采用黏滯阻尼器加固后，可以有效減小結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

Abstract： Energy dissipation technology is more and more widely used in practical engineering， in this paper， the concept and mechanism of energy dissipation reinforcement technology are expounded. The calculation model of viscous dampers is introduced in detail， and the calculation method in seismic strengthening of damping structure is dervived. Combined with a certain office building that reinforcement design with viscous dampers， the anti-seismic calculation of the original structure is carried out by PKPM， followed by using SAP2000 to add damper structure time history analysis， the performance indexes of structure before and after reinforcement are compared. The results show that the dynamic response of the structure can be effectively reduced by the viscous damper， and the performance indexes of the structure can reach the requirements of the code.

關(guān)鍵詞： 消能減震；抗震加固；黏滯阻尼器；時程分析；性能指標(biāo)

Key words： energy dissipation；seismic strengthening；viscous damper；time-history analysis；performance indexes

中圖分類號：TU352.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0137-03

0 引言

對既有建筑加固改造是解決早期建設(shè)不滿足現(xiàn)有抗震規(guī)范建筑的新途徑。傳統(tǒng)的抗震加固方法不能滿足人們的需求和結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計的要求，而采用消能減震裝置，可以解決這一問題。通過在原結(jié)構(gòu)上安消能裝置來消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量并迅速降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)從而使主體結(jié)構(gòu)免受破壞[1]。

我國消能減震加固技術(shù)的應(yīng)用較晚，國內(nèi)2001年發(fā)布的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》首次將耗能減震技術(shù)寫入規(guī)范。2008年汶川地震后消能減震加固發(fā)展迅速普及[2]。文章通過對某辦公樓采用黏滯阻尼器進(jìn)行加固設(shè)計，分析增設(shè)黏滯阻尼器后結(jié)構(gòu)的抗震性能，并得出結(jié)論。

1 消能減震技術(shù)概念及耗能原理

關(guān)于消能減震結(jié)構(gòu)的耗能原理從能量角度分析[3]以單自由度體系的能量平衡方程為例。

EK+ED+EE+EP+EH=EEO（1）

式中，EK系統(tǒng)動能；ED系統(tǒng)阻尼耗能；EE彈性變形能；EP塑性變形能；EH滯回耗能；EEQ地震輸入總能量。

而對于消能減震技術(shù)就是通過布置消能裝置增加耗能能力，用公式表達(dá)如下：ED+EP+EH+ES=EEO（2）

ES為消能減震裝置耗能，即等式左邊耗能能力大于右邊地震輸入能量，從而使結(jié)構(gòu)可以有效抵抗地震作用。

2 黏滯阻尼器的研究及理論分析

2.1 黏滯阻尼器的基本概述

黏滯流體阻尼器（圖1），是利用高黏性液體運動產(chǎn)生阻尼來耗能的一種被動速度相關(guān)型阻尼器。

起初這種阻尼器主要用于軍事工業(yè)和航天工業(yè)等領(lǐng)域，后來才在土木工程領(lǐng)域被商業(yè)化應(yīng)用[5]。已有很多工程采用了黏滯流體阻尼器，包括：高層建筑、橋梁、體育館、火車站等。

2.2 增設(shè)阻尼器結(jié)構(gòu)的時程分析計算

主體結(jié)構(gòu)在彈性階段時，增設(shè)阻尼器后，一般采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析。但安裝非線性阻尼器后，一般直接采用時程分析法進(jìn)行分析。為了更準(zhǔn)確反映地震作用下結(jié)構(gòu)的動力特性，減小結(jié)果誤差，采用非線性時程分析法[6]（Fast Nonlinear Analysis Method簡稱FNA），這種方法主要針對阻尼器為非線性，而主體結(jié)構(gòu)還處于彈性階段情況。

3 黏滯阻尼器加固辦公樓的實例分析

3.1 工程概況

該工程建于1997年，4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面呈一字形，東西方向總長64.8m，南北方向總寬17.4m，底層層高5.5m，中間層層高3.6m，頂層高3.2m，主要功能為辦公和住宿。抗震設(shè)防烈度6度，混凝土強(qiáng)度等級為C30。由于使用功能由辦公樓變?yōu)檗k公和住宿，故需要對原結(jié)構(gòu)重新布局，同時不能影響其它辦公區(qū)正常使用，且工期較緊，由此考慮采用消能減震技術(shù)對結(jié)構(gòu)加固。整個結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則但豎向出現(xiàn)剛度突變。建筑平面圖如圖2所示。endprint

3.2 原結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

3.2.1 原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，動力特性如下：

UX、UY、RZ分別為X側(cè)振成份、Y側(cè)振成份、扭振成份。由表1知結(jié)構(gòu)前兩階振型為Y、X向平動，第三階振型為扭轉(zhuǎn)，周期分別是1.08s、1.05s、0.95s。

3.2.2 樓層剪力信息

通過以上分析，原結(jié)構(gòu)在6度多遇地震情況下，框架柱配筋滿足抗震要求，但底層Y向部分配筋不滿足要求，箍筋也不滿足，且在Y向底層結(jié)構(gòu)受剪承載力比值小于給定限制，即為薄弱層，但梁配筋基本滿足要求。表3得出Y向地震工況下的信息。

由表3知結(jié)構(gòu)的最大層間位移角滿足規(guī)范中框架結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下彈性層間位移角小于1/550的規(guī)定，但由于該工程是按89年抗震規(guī)范設(shè)計，改造加固按2016年局部修訂的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[7]GB 50011-2010進(jìn)行，抗震設(shè)防烈度為7度。綜上分析需對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

4 消能減震結(jié)構(gòu)計算分析

4.1 黏滯流體消能器的選取與布置

SAP2000抗震分析采用Nlink單元的Damper模擬非線性黏滯流體阻尼器。通過多次試算最后得出該結(jié)構(gòu)選用的阻尼器速度指數(shù)？琢=0.2，阻尼器系數(shù)Ca=1000kN·s/m，最大行程±100mm，最大阻尼輸出力200kN。

關(guān)于阻尼器的布置本例中采用以層間位移為控制函數(shù)。通過對原結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形分析，找出層間位移最大的樓層，在該層安裝粘滯阻尼器。依次推算然后修改結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼矩陣，再次進(jìn)行計算分析，直到最大層間位移滿足規(guī)范要求為止。故初步設(shè)計在1～2層各增設(shè)4各阻尼器為人字形支撐，在3層最外一榀框架布置兩個阻尼器，共11個阻尼器。具體模型如圖4。

4.2 地震波選取

選取具有代表性的EL Centro波（峰值為341.7cm/s2），而我國規(guī)范中7度區(qū)多遇地震加速度峰值為35Gal，則調(diào)幅后的時程曲線如圖5。

4.3 Y向El Centro波多遇地震下時程分析減震結(jié)果

最大層間位移角對比（圖6）。

層間剪力對比（圖7）。

通過圖6、圖7對比知結(jié)構(gòu)各層Y向減震后的層間位移角和層間剪力都有一定減小，Y向最大位移減震率為42%，大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，減震效果明顯。總之增設(shè)黏滯阻尼器后結(jié)構(gòu)的性能得到改善，各項性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

①通過對實際工程案例分析，得出結(jié)構(gòu)增設(shè)黏滯阻尼器可以提高抗震性能，大幅度減小位移及層間位移角。②根據(jù)消能減震結(jié)構(gòu)的動力平衡方程推導(dǎo)出運用FNA法進(jìn)行非線性時程分析的計算式，得出該方法是一種快速有效的時程分析方法。③對于年代久遠(yuǎn)的建筑想通過加固改造繼續(xù)使用的話，可以考慮運用消能減震技術(shù)進(jìn)行加固，具有減震效果明顯、施工范圍小、無濕作業(yè)、不影響其他正常使用等優(yōu)點。

參考文獻(xiàn)：

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[7]GB5011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.endprint