裙房結構大跨度空間改造與減震分析

陳武雄，賈傳勝

（深圳中建院建筑科技有限公司，廣東 深圳 518000）

文章以某酒店工程的裙房框架的大跨度空間改造為研究對象，為在大跨度空間下使結構的抗震性能得到有效滿足，采用混合減震方案即防屈曲支撐和非線性粘滯阻尼器，以此對其減震性能進行檢測分析。文章還對該工程減震框架結構的動力響應以及阻尼裝置的能耗情況進行了詳細分析。經研究得知，大跨度空間結構的裙房抗震性能能夠通過混合減震控制的方法得到有效提高，即使在罕遇和頻發的地震情況下，也能夠發揮良好的抗震性能。

1 工程實例

該工程是某酒店的裙房大跨度空間結構，建筑面積為5200m2，平面尺寸為53.2m×32.5m。該裙房的結構總高為18m，層數為3。結構組成形式為現澆鋼筋混凝土剪力墻框架結構體系，乙類防震級別，一級安全等級，一級框架抗震性能，防裂度數為7，使用年限為50年，場地特征周期為0.35s。裙房三層的支撐圓柱直徑均為750mm，矩形柱尺寸為500mm×500mm。由于酒店的空間需要，需要將5根圓形框架直徑為750mm的圓柱進行通高拆除，以此使其形成局部的架空大空間框架結構，但是這種改造方式會使該結構的抗側剛度大幅度降低。為了保證該結構的抗震性能，施工團隊擬在結構中設置聯合性的非線性粘滯阻尼器和抗屈曲支撐阻尼器，以此使該結構無論是在罕遇地震作用下還是在頻發地震結構下，都能夠符合《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）的限值標準要求。除此之外，在舊柱拆除后形成的大空間結構屋頂，采用縱橫桁架屋架體系，具體設置在第三層的樓面上，以此來減少屋架對結構大跨度空間的占用。改造后的裙房屋架的最大高度為3.5m。

2 裙房結構大跨度空間減震方案

在裙房結構的減震方案中提出了采用非線性粘滯阻尼器和抗屈曲支撐阻尼器的混合控制方案來控制裙房結構的減震性能，以使結構的抗震要求得到有效滿足。具體分布位置為灰圈1～3層均設置非線性粘滯阻尼器，黑圈1～3層均設置抗屈曲支撐阻尼器。采用人字形支撐非線性粘滯阻尼器，采用兩個對角撐桿支撐抗屈曲支撐阻尼器。非線性粘滯阻尼器和抗屈曲支撐阻尼器的設計參數與數量如表1、表2所示。

根據設計者提供的CAD結構設計圖，建立裙房結構的有限元模型，如圖1所示。

改進后的裙房結構因沿孔型高度去掉了5根柱和框架柱，自振周期增大，結構變得更加靈活。在裙房結構中安裝抗屈曲支撐阻尼器和非線性粘滯阻尼器后，抗屈曲支撐阻尼器使裙房結構的剛度得到了一定程度的提高，結構的動力特性與改進后的非減震結構相比有一定的變化，但由于抗屈曲支撐阻尼器所提供的剛度小于結構本身的剛度，因此裙房結構在減震器安裝前后的動力特性變化并不顯著。改造前后的裙房結構振動頻率和周期分別如表3、表4所示。

表1 非線性粘滯阻尼器設計參數與數量

表2 抗屈曲支撐阻尼器設計數量

圖1 3D有限元模型

表3 改造前的裙房結構振動頻率和周期

綜上可知，本工程結構體系為高度不超過120m框架-剪力墻體系，有裙邊超長、扭轉不規則、垂直收進等問題。為了使結構預定性能水平達到相關標準，文章提出了以下措施和注意事項：為了對結構形狀的扭轉進行控制，本工程采用最新的減震技術，將215個減震器和72個屈曲約束支撐設置在了連接梁上。地板平面形凹陷部用雙層雙向鋼筋分加厚至150mm。裙樓與主樓縮進處的板厚為160mm，而上下加強層的板厚等于雙層雙向加強的長度。裙邊101m，均采用120mm雙層雙向厚鋼板進行處理，同時加固周邊梁的縱向鋼筋和腰筋，再設置3個后澆鋼筋帶在長方向位置。在樓板和基礎中，采用摻加混凝土外加劑、補償收縮混凝土的措施，并根據溫度計算結果來增加溫度鋼筋、中抗震彈性設計。在4個孔柱中，裙樓的設計是為了增加結構的延性、柱的剛度，以提高整個建筑的抗震性能。

表4 改造后的裙房結構振動頻率和周期

3 裙房框架結構的抗震性能分析

3.1 層間位移角結構

框剪結構有兩條抗震線，第一條是抗震墻，第二條是框架結構。在框架與剪力墻之間的內力重分布效應影響下，剪力墻在罕遇地震作用下，首先進入彈塑性狀態，使其承載力明顯降低。目前我國裙房結構對彈塑性變形控制只提出了部分要求，如在罕遇地震中，框剪結構層的彈塑性位移角不得大于1/100。在地震作用下，X向、Y向的最大層間位移角小于規范要求的1/100，安全儲備性能較高。這說明在罕遇地震的影響下，結構的水平位移能夠滿足相關制作要求，且結構還能夠具備一定的剛度。在層間位移角曲線平緩的狀態下，說明構件側向力剛度處于平衡狀態。三種地震波的變化規律是一致的，說明它們具有良好的相容性，計算結果可靠性較大。

表5 最大層間位移角

3.2 傾覆彎矩

上層傾覆力矩無突變，X傾覆力矩與Y傾覆力矩無差異。結果表明，該結構在X方向和Y方向的豎向剛度均較均勻。

3.3 梁、柱、墻塑性鉸分析

上文分別對裙房結構的層間彈塑性位移角、傾覆彎矩來對大震作用下的結構抗震性能進行了判斷，但是這種判斷方法較為單一，所取得的判斷結果也較為片面。下文將從鋼筋混凝土的非線性分析模型著手，詳細分析在大震作用下的梁柱墻出鉸順序以及屈服情況、塑型發展情況以及破壞程度。文章以天然波為例，對地震作用下X方向的塑性鉸分布情況進行詳細分析。

在X方向的地震作用下，通過柱塑性鉸的發展趨勢可以對塑性鉸的形成位置進行判斷。由此可知，裙房結構的下端是塑性鉸的主要形成區，上部結構中雖然也有塑性鉸形成，但其面積較小，并不明顯。根據其上少下多的分布狀態可以分析出，其分布方式為由下至上逐漸遞減，混凝土開裂情況較為嚴重，但仍存有部分塑性變形能力。這說明在遭遇罕遇地震時，裙房結構的下端會首先出現塑性鉸，這也是本裙房結構最為薄弱的地方。因此在后期計算彎矩時，相關人員應該適當放大柱彎矩的大小，并適當增大柱端配筋，使其能夠擁有在各種震型狀態下的抗震性能，并對其在強震作用下的防倒塌面積進行有效控制。

梁塑性鉸的產生比柱塑性鉸的產生要早，符合本工程強柱弱梁的設計思想。由于梁塑性鉸主要分布在框架梁端和剪力墻梁端，其分布說明在該結構設計中較為薄弱的部位為梁端。因此，在這一部位應該適當增加配筋數量，以保證梁端在滿足配筋率的條件下不發生脆性破壞的要求。但是，梁塑性鉸的抗彎承載力，應該小于柱的抗彎承載力，也就是塑性鉸的產生應該比柱的塑性鉸晚，只有這樣才能保證其具有一定的變形能力，并且防止結構因側向剛度不足而倒塌。

3.4 罕遇地震主要計算結果分析

（1）在罕遇地震中，X、Y向性能點處的彈塑形夾層的最大位移角小于1/100，滿足相關建設標準。這說明該建筑在建設中能夠達到大地震的抗震效果，在罕遇地震作用下構件能夠滿足4級性能要求。（2）在罕遇地震中，底部剪力墻加固區的個別墻肢和連接梁會首先出現塑性鉸，然后呈垂直方向發展，使塑性鉸點逐漸出現在框架梁柱之上。塑性鉸數量最多的是位置就代表該工程結構的薄弱環節，說明這些部位在地震中會首先遭到破壞。對此，必須采取一定的抗震措施使其得到有效改善。（3）從計算結果可知，底部加固區的剪力墻沒有發生屈服反應，說明符合預期設置。

4 結論

通過對本工程的裙房框架空間改造和減震控制進行分析可以發現：（1）當裙房的空間發生大跨度改變之后，其動力特性與改造前相比具有較大的差異性，且周期變強，柔性也會變大。但是當設置防屈曲支撐阻尼器和非線性粘滯阻尼器之后，裙房結構的動力特性就會相應得到提高，與其改造前的差別就會相應減小。（2）在裙房結構改造后，其非減震結構的層間位移角均不符合相關標準規定，而在減震結構中增設彈塑性層后，就可以滿足其性能要求。也就是說，在設置非線性粘滯阻尼器和防屈曲耗能支撐阻尼器后，能夠使結構的安全使用性能在消能減震后得到大幅度提升，這兩種不同地震類型的最大減震效果分別為27.51%和46.52%。（3）在頻發和罕遇地震的作用下，非線性粘滯阻尼器擁有十分飽滿的滯回曲線，且擁有大量耗散地震能量輸入的能力，而在頻發地震作用下屈服位移性能的觸發作用力較低，使得其耗能效果也相對較低。但防屈曲支撐阻尼器在罕遇地震中的耗能能力較為優異。