某教學樓的消能減震降度設計

李 佳

(中國商用飛機有限責任公司，上海 200126)

1 工程概況

某既有教學樓建筑，為一幢7層房屋，總建筑面積約為7 988 m2。房屋東西向總長約58.5 m，南北向總寬約23.5 m；采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。抗震設防烈度為7度(0.10g)，原設計抗震等級為3級。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，需對該房屋進行檢測及抗震鑒定，其抗震措施需按提高1度執(zhí)行，則其抗震等級相應提高至2級。

根據(jù)抗震鑒定報告中的鑒定結(jié)論可知，本結(jié)構(gòu)有以下幾點不滿足規(guī)范要求：

1)框架柱箍筋最小體積配箍率及節(jié)點區(qū)內(nèi)體積配箍率、填充墻拉結(jié)筋等抗震構(gòu)造措施不符合規(guī)范要求,需進行加固處理。

2)部分框架柱軸壓比超過規(guī)范限值，部分框架柱正截面及斜截面承載力不滿足要求，部分框架梁的受彎承載力不滿足要求。

3)各樓層在地震作用下的扭轉(zhuǎn)位移比超出規(guī)范限值。

因此，需針對上述問題進行加固處理。

2 消能減震方案選擇

2.1 傳統(tǒng)加固方案

對于混凝土結(jié)構(gòu)，常規(guī)的加固方法[1,2]有加大截面法、粘鋼法和粘碳纖維法等。這些方法在多數(shù)情況下是有效的，但也存在以下問題：

1)增大截面的同時，也增加了結(jié)構(gòu)的剛度，導致地震作用增大，經(jīng)濟性相對不高；

2)加大截面法現(xiàn)場施工的濕作業(yè)時間長，且會導致建筑內(nèi)部空間使用面積減小，對建筑的使用功能影響較大；

3)粘鋼法和粘碳纖維法存在耐久性和防火性能差等問題。

2.2 消能減震技術(shù)的適用性

采用消能減震設計方案，具有以下優(yōu)點：

1)通過設置消能減震產(chǎn)品，在小震作用下即可耗能，提高結(jié)構(gòu)的附加阻尼比，進而降低結(jié)構(gòu)響應。

2)中震、大震作用下，消能減震產(chǎn)品繼續(xù)耗能，起到第一道抗震防線的作用，保護主體結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的延性。

3)根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范[2]規(guī)定，當消能減震結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯提高時，主體結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造要求可適當降低，當消能減震后水平向地震作用影響系數(shù)不到非消能減震時的50%時，此消能減震結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造可降低1度。

考慮到本工程的施工性及建筑空間的使用性，本項目采用軟鋼制位移型阻尼器。在小震作用下即可提供附加有效剛度和附加阻尼比，有效降低地震作用力并提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。從而減少梁柱的加固量、降低加固費用，同時可避免基礎的加固，且施工較簡單，施工工期較短。

3 消能減震設計

3.1 阻尼器布置

本工程采用的位移型軟鋼阻尼器的力學參數(shù)見表1。

表1 阻尼器力學參數(shù)

阻尼器布置匯總見表2，阻尼器平面布置位置和編號如圖1，圖2所示。共設置32組阻尼器。

表2 阻尼器布置匯總表

阻尼器均采用墻支撐方式與建筑相接合，如圖3所示。

3.2 附加阻尼比計算

采用ETABS軟件進行減震分析，位移型阻尼器采用連接單元(Link Element)中Plastic(Wen)的線性行為來進行分析，在連接單元中輸入阻尼器的有效剛度并采用線性迭代分析方法[4]來進行消能減震結(jié)構(gòu)在設計地震下的振型分解反映譜法分析。

迭代計算結(jié)果詳見表3，可知結(jié)構(gòu)總阻尼比可由0.05提升至0.11。

表3 附加阻尼比迭代計算

3.3 減震效果分析

分別對非減震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)進行振型分解反應譜法計算。計算結(jié)果表明，首層柱剪力的降低比例約為65%，首層柱彎矩的降低比例約為62%，因此消能減震結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯提高，參照現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》的規(guī)定，本結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造要求可按降低1度考慮，則與抗震等級相關(guān)的構(gòu)造措施均可滿足要求，無需加固。

同時消能減震結(jié)構(gòu)的整體指標均可滿足規(guī)范要求；框架柱承載力也可滿足要求；少量框架梁承載力不滿足要求，采用了加大截面法進行加固。

3.4 大震靜力推覆分析

采用ETABS軟件對減震結(jié)構(gòu)進行大震靜力推覆分析，其中梁、柱構(gòu)件采用集中塑性鉸模型，軟鋼消能器設定為剪力塑鉸。

由靜力非線性分析可得知，X向(長向)的性能點為(19 039.588 2，0.201 33)；Y向(短向)的性能點為(19 018.397 6，0.158 615)。

大震下結(jié)構(gòu)彈塑性位移角計算結(jié)果見表4，均小于1/50，滿足要求。

表4 大震彈塑性層間位移角

4 結(jié)語

1)與傳統(tǒng)加固方式相比，采用消能減震技術(shù)進行加固優(yōu)勢明顯。

2)本工程采用位移型軟鋼阻尼器，小震下附加阻尼比為6.13%，有效地減小了框架柱承擔的地震作用，實現(xiàn)了抗震構(gòu)造措施的降度設計。

3)通過大震靜力推覆分析可知，結(jié)構(gòu)彈塑性位移角不超過1/50，可滿足大震不倒的要求。