阻尼器在既有建筑抗震加固中的應用

王文星

（南開大學后勤保障處，天津 300071）

0 引 言

隨著抗震意識的不斷增強，對既有建筑的改造加固也越來越得到重視，以此來達到抗震減災的目的，保證人身財產的安全。在我國學校建筑中，規范規定在抗震設計時，要求比普通建筑的抗震設防烈度提高一度。在一些高等院校，學校建校時間較長，古建筑或者歷史建筑比較多，而過去的抗震設防不夠完善，這些建筑往往達不到目前的抗震要求，因此需要對其進行抗震加固［1］。在抗震加固設計前應先進行建筑安全質量鑒定，依據國家現行相關設計規范、施工質量驗收規范，從主體結構、構件情況到抗震以及外檐進行鑒定分析，從而使既有建筑在維修加固中達到抗震安全、經濟合理的目的［2］。目前抗震加固的方法越來越多，應用最廣的修補混凝土結構的方法是粘貼碳纖維［3-4］。

1 工程概況

天津某高校東方藝術大樓建于 20 世紀 80 年代末，為現澆鋼筋混凝土框架結構教學樓，建筑平面如圖1 所示，由東、西兩段建筑組成，兩段之間為入口大廳。西段建筑為 3 層，層高：首層 5.6 m（局部設置夾層），2 層為3.2 m，3 層為 3.4 m，室內外高差為 0.15 m，建筑檐口高度為 12.35 m。東側建筑為 4 層，層高：首層為 5.0 m，2 層為 3.8 m，3 層為 3.4 m，4 層為 3.8 m，室內外高差為0.15 m，建筑檐口高度為 16.15 m。樓蓋結構為鋼筋混凝土現澆梁、板結構，屋面設計為 200 mm 厚加氣混凝土保溫、二氈三油防水層平頂屋面。

圖1 建筑平面

2 抗震加固方案

通過對東方藝術大樓主體結構及隱蔽部位的檢查，發現樓板、梁柱、墻體等存在多道裂縫，為了保證建筑物主體結構的安全性、適用性及耐久性要求，采用了幾種抗震加固措施，包括纖維布加固，包鋼加固和阻尼器加固等。圖2（a）為纖維布加固，圖2（b）為包鋼加固。本文主要對采用軟鋼阻尼器和粘滯阻尼器的抗震加固措施進行分析。采取的主要措施是在一樓報告廳和樓梯旁墻體處、2、3 層樓梯旁墻體處及變形較大的房間墻體處設置了 14 個 MYD-S mm 軟鋼阻尼器和 12 個 VFD-NLX371X mm 粘滯阻尼器。

圖2 抗震加固

2.1 阻尼器介紹

結構振動控制可分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制。被動控制可分為基礎隔震技術、耗能減震技術和吸能減震技術［5］。耗能減震作為一種被動控制措施是將輸入結構的地震能量引向特別設置的機構和元件加以吸收和耗散，從而能夠保證主體結構的安全［6］，即：

式中：EK為結構體系的動能；ED為阻尼器耗散的能量；EF為主體結構的非彈性變形滯回耗散的能量；EEQ為地震輸入的能量。可通過增大阻尼器耗能能力，即增大ED，達到消能減震的作用。東方藝術大樓的抗震加固采用的耗能減震措施是施加 14 個 MYD-S mm 軟鋼阻尼器和 12 個 VFD-NLX 371 X mm 粘滯阻尼器。

2.2 軟鋼阻尼器

軟鋼阻尼器屬于金屬屈服阻尼器，利用金屬材料在處于臨界狀態時產生的滯回變形消耗能量，所以也屬于位移型消能阻尼器。由于這種阻尼器材質是鋼材，需要進行適當的防銹處理。為適應減震層的移動變形，該部分的建筑外墻應設水平縫，但要考慮防水、隔音、防火等，也要注意立面的協調美觀。在小震作用時，建筑結構本身就具有足夠的剛度，不會發生破壞；在大震作用時，阻尼器首先達到屈服，產生較大的阻尼，達到消耗地震能量的作用［7］。位移型消能阻尼器技術要求很高，縱向水平變形能力≥50 mm，最大抗力應不超過設計值的 ±15 %，延性系數≥10，消能核心構件材質采用軟鋼。本工程加固中設計的軟鋼阻尼器材料采用 Q235B 板型鋼材，圖3 為軟鋼阻尼器示意圖。

圖3 軟鋼阻尼器示意

軟鋼阻尼器安裝工藝過程如下：①在混凝土澆筑前需先將預埋件植入混凝土墻體內部。②將阻尼器吊裝到位，待位置調整好以后和預埋件焊接。③觀察阻尼器整體安裝的協調性，無誤后阻尼器及預埋件碰撞處補涂油漆，并將阻尼器噴防火涂料。④最終判斷阻尼器的安裝位置是否符合設計要求及安裝后阻尼器整體美觀協調性。安裝時要注意所有焊接均為圍焊，焊縫要求平整均勻，紋理一致，不得出現咬邊，夾渣，虛（漏）焊等。同時要求預埋件、阻尼器與墻中心線在同一平面內。軟鋼阻尼器安裝示意及效果圖如圖4 所示。

2.3 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器一般是由缸體、活塞和流體組成，活塞在缸筒內可作往復運動，活塞上有適量油孔，筒內盛滿流體，當活塞與筒體間產生相對運動時，流體從活塞上的油孔內通過，對活塞與筒體間的相對運動產生阻尼，從而耗散運動能量，減小結構的反應［8］。粘滯阻尼器結構示意圖和實物圖如圖5 所示。

圖4 軟鋼阻尼器安裝

圖5 粘滯阻尼器結構

在建筑結構的某些部位設置阻尼器和鋼支撐吸收地震能量，以減輕結構所受的地震作用。事先對需要設置阻尼器和鋼支撐的結構節點（一般為框架的梁柱節點），采用粘貼鋼板或用螺栓包鋼板加固，然后安裝鋼支撐及阻尼器。粘滯阻尼器外殼為不銹鋼材料表面拋光處理，其余材料表面熱噴鋅加封閉油漆處理，阻尼器產品外觀應表面平整、無機械損傷、外表采用防腐措施，涂層應均勻、美觀，防腐效果應不低于 50 年。

本項目對 JZN1000X±30 粘滯阻尼器進行試驗檢驗，檢驗設備采用的是 200 t 電液伺服阻尼器試驗系統，設計噸位為 1 000 kN，設計行程為 ±45 mm，測試時采用靜力加載試驗，控制試驗機的加載系統使阻尼器勻速緩慢移動，并記錄其伸縮運功的極限位移值。測試時采用正弦激勵法，按照正弦波規律變化的輸入位移 u=usin（wt），對阻尼器施加頻率分別為 0.10、0.212、0.424、0.637、0.847 和 1.06 Hz，連續進行 4 個循環，記錄最大阻尼力作為實測值，進行了本構關系試驗和最大阻尼力試驗。表1 為粘滯阻尼器試驗結果。

由表1 可以看出阻尼器樣品符合拉伸與壓縮的極限位移要求；本構關系性能試驗滿足阻尼力±15 % 范圍要求，且阻尼器外觀良好，在整個試驗過程中，阻尼器運行正常，無漏油現象。

粘滯阻尼器安裝工藝過程如下：①將預埋件及連接螺桿固定到位。②將節點板、阻尼器、法蘭、銷軸、水平支撐型鋼等吊裝到位。③斜支撐分別吊裝固定到位焊接固定，滑動塊焊接固定。④阻尼器及連接座碰撞處補涂油漆，并將阻尼器噴防火涂料。⑤最終判斷阻尼器的安裝位置是否符合設計要求及安裝后阻尼器整體美觀協調性。安裝時要注意阻尼器的耳環孔中心及節點板孔中心應在同一水平線上，并保持與梁平行，與柱垂直，不得出現明顯夾角；阻尼器安裝應做到繃緊拉實，不得出現松動和搖晃；所有焊接均為圍焊，焊縫與母材等高，焊縫要求平整均勻，紋理一致，不得出現咬邊，夾渣，虛（漏）焊；阻尼器連接銷軸與孔的間隙公差不超過 0.1 mm。粘滯阻尼器的安裝分為兩種，分別是人字支撐加固和單斜支撐加固，安裝示意及效果圖如圖6 和圖7 所示。

表1 粘滯阻尼器試驗結果

3 結 論

本文介紹了軟鋼阻尼器和粘滯阻尼器對既有建筑進行抗震加固的技術在天津某高校東方藝術大樓的加固工程中的應用情況。可以得到以下幾個結論。

1）對于軟鋼阻尼器，在小震作用時，建筑結構本身就具有足夠的剛度，不會發生破壞；在大震作用時，阻尼器首先達到屈服，產生較大的阻尼，達到消耗地震能量的作用。

2）通過試驗報告可以得出粘滯阻尼器具有良好的塑性性能，滯回曲線飽滿，塑性變形較大，具有較高的初始剛度，抗震性能好，可應用于改造加固工程中。

3）由于阻尼器具有構造簡單、施工方便、工期短且經濟適用的特點，建議在高校的既有建筑抗震加固中得到推廣。

圖6 人字支撐加固粘滯阻尼器安裝

圖7 單斜支撐粘滯阻尼器安裝