墻式鉛剪切型阻尼器在某教學樓加固中的應用

齊宗林

(北京工業大學，北京 100124)

傳統結構在遭受地震時，依靠結構承重構件(梁、柱)的彈塑性耗散大部分地震輸入的能量，可能會引起結構構件嚴重破壞甚至倒塌，導致造成大量的經濟損失危及生命安全[1-3]。采取傳統的抗震措施提高結構的抗震韌性，存在工作量大、造價高等缺點，并且在震后也可能會造成結構的嚴重損傷，難以修復[4-5]。而且《抗震設計規范(2016年版)》[6]和《中國地震動參數區劃圖》[7]等規范規程的頒布，包括抗震設防烈度在內的部分地震參數進行了調整，大部分地區的抗震設防要求有了進一步提高。因此，對于許多既有建筑結構需要進行加固，但傳統抗震加固措施難以實現。近些年建筑結構的消能減震技術受到工程師及業主的青睞。結構消能減震技術實際上是一種結構振動控制技術，在結構上設置某種耗能裝置，利用這些耗能裝置減小結構的動力響應，減輕結構的損傷[8-11]。比如北京銀泰中心通過設置黏滯阻尼器與無黏結屈曲支撐提高其抗震安全儲備。天津貿易中心A塔樓使用套索連接黏滯阻尼器進行減震加固，高效解決了抗風結構舒適度不足的大問題，并提高了其抗震性能。

本文針對某中學教學樓進行抗震加固，提出在結構中增設墻式鉛剪切型阻尼器的減震加固方案，通過對減震框架結構進行多遇和罕遇地震作用下的動力時程分析，驗證了加固方案的有效性，并介紹了阻尼器與主體結構之間的連接。

1 工程概況

某中學教學樓為框架結構，地下2層，整體4層，局部6層，結構總高度為22.8 m，如圖1所示。依據《建筑抗震設計規范》(2016年版)的要求，建筑抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別二類，設計地震反應譜特征周期0.35 s。該教學樓建于20世紀50年代末，因為時間久遠，建筑的安全性已經無法滿足現行教學安全要求，因此需進行相應結構加固。該結構設計時考慮安裝位移型阻尼器，在多遇地震作用下，阻尼器主要作用是給結構提供抗側剛度；罕遇地震作用下，阻尼器先于結構進入屈服狀態，提高結構的阻尼比以減小地震作用下輸入結構的地震能量，從而提高結構的整體抗震性能。

2 結構分析

2.1 有限元模型建立

依據設計院提供的設計資料建立該教學樓的SAP2000有限元模型，如圖2所示。其中梁和柱采用桿系單元，樓板采用面單元。樓面恒荷載為3 kN/m2，活荷載為3.5 kN/m2；屋面恒荷載為6 kN/m2，活荷載為2 kN/m2。為了驗證基于SAP2000建立的有限元模型的正確性和合理性，與所建立的YJK模型進行質量、振型與周期的對比，分別如表1，表2所示。分析結果表明質量誤差為0.75%，振型完全一致，周期最大誤差為4.64%。證明了基于SAP2000軟件所建立有限元模型的正確性和合理性。

表1 減震前結構前6階周期對比 s

表2 結構總質量對比

2.2 地震波的選取方法和原則

依據《建筑抗震設計規范》(2016版)5.1.2的規定，采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數量不應小于總數的2/3。本項目選取2條實際強震記錄和1條人工模擬地震波。本項目根據場地條件選取RSN93和RSN163兩條天然波，天然波的加速度時程曲線的峰值根據反應譜調整，人工波根據8度Ⅱ類第一組對應的反應譜生成。地震波的加速度時程曲線如圖3所示，進一步可獲得反應譜曲線如圖4所示。

利用建立的SAP2000結構有限元模型對選取的三條地震波進行多遇地震下的彈性時程分析，可獲得結構的基底剪力時程，并對三條地震動下結構基底剪力的包絡值及其平均值與通過反應譜分析獲得的基底剪力包絡值進行對比，如圖5所示。結構在單條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值為振型分解反應譜法計算結果的98.97%(X向)及92.93%(Y向)，滿足規范對每條時程曲線計算所得結構底部剪力的要求。

3 消能減震方案

首先對結構有限元模型進行多遇地震下的彈性時程分析，獲得該結構在X方向的最大層間位移角為1/368，在Y向的最大層間位移角為1/455，均大于規范規定的1/550，因此結構的整體剛度和層間剛度均不滿足規范要求。

本項目選擇墻式鉛剪切型阻尼器，要根據結構的特點及建筑格局的布置要求，在盡量不影響現有結構設計的前提下，充分利用適于布置的位置。消能阻尼器的動力參數、布設位置和數量通過反復試算進行優化調整后確定。其中一些阻尼器的布置可能會影響到建筑門窗布置，需要和建筑專業再詳細溝通。經計算，本項目采用阻尼器參數如下：第一剛度：不小于4×105kN/m；第二剛度：不大于0.02倍的第一剛度；屈服力：±30 t；最大行程：±70 mm。經過優化設計后，綜合樓阻尼器布置數量見表3。

表3 結構的阻尼器布置數量

4 減震效果分析

4.1 多遇地震作用下減震效果分析

按選定的減震方案將墻式鉛剪切型阻尼器布置在結構中，如圖2所示。其中墻式鉛剪切型阻尼器用Link單元中的Plastic(Wen)模型模擬[12]。然后進行無控結構和減震結構在三條地震動下的彈性時程分析，并通過減震前后層間位移角、基底剪力等性能指標評價阻尼器的減震效果。

結構在安裝阻尼器之后各層層間位移角顯著減小，其中在RSN93波下結構減震前后的層間位移角對比結果如圖6所示。進一步統計地震動下結構層間位移角的減震效果如表4所示，結果顯著說明了本文消能減震方案的有效性。墻式剪切型鉛阻尼器使結構層間位移角的分布更加均勻，這是因為阻尼器為結構提供了合適的層間抗側剛度。

表4 地震波作用下結構層間位移角及減震率匯總

對減震前后結構基底剪力的減震效果進行分析，計算其包絡值的減震率如表5所示，減震后框架結構的基底剪力X向、Y向平均減震率分別為31.04%和27.14%。由于輸入減震結構的部分地震力被阻尼器所承擔，降低了框架部分承擔的地震力，有效提高了結構的安全性。

表5 結構基底剪力最大值及減震率匯總

選取結構二層位置的阻尼器，分別繪制其在X向和Y向的滯回曲線，如圖7所示。由圖7可以看出，在多遇地震作用下，二層阻尼器雖然先于結構進入屈服狀態，但各阻尼器滯回并不飽滿，阻尼器雖然為結構提供一定的阻尼比，但主要還是給主體結構提供抗側剛度，可以有效保護結構安全。

4.2 罕遇地震作用下減震效果分析

對建立的SAP2000有限元模型進行彈塑性分析時，梁柱單元的塑性變形通過在其兩端設置塑性鉸進行模擬，樓板仍然保持彈性，墻式鉛剪切型阻尼器用Link單元中的Plastic(Wen)模型模擬。基于選定的地震動對無控結構與減震結構進行罕遇地震動下的彈塑性時程分析，并通過減震前后層間位移角、基底剪力等性能指標評價阻尼器的減震效果。在罕遇地震下，結構在減震之后的層間位移角明顯減小，其中在RSN93波下結構減震前后的層間位移角對比結果如圖8所示。進一步統計地震動下結構層間位移角的減震效果如表6所示，結果顯著說明了本文消能減震方案的有效性。顯著降低了主體結構的損傷。

表6 地震波作用下結構層間位移角及減震率匯總

在罕遇地震下，對減震前后結構基底剪力的減震效果進行分析，計算其包絡值的減震率如表7所示，減震后框架結構的基底剪力X向、Y向平均減震率分別為4.88%和4.07%。減震主體結構的基底剪力降低，說明其承擔的地震力降低，從而降低了主體結構的損傷。

表7 結構基底剪力最大值及減震率匯總

仍然選取結構二層位置的阻尼器，分別繪制其在X向和Y向的滯回曲線，如圖9所示。由圖9可以看出，在罕遇地震作用下，阻尼器均已屈服且滯回飽滿，有效地降低了結構的地震響應，阻尼器耗散了大量輸入結構的能量。

5 阻尼器與結構連接件設計

鋼筋混凝土結構剛度較大，當通過減震裝置進行減震設計時，必須使減震構件在小變形的情況下能有效地發揮作用。本項目采用微小變形就可耗能的墻式鉛剪切型阻尼器，為保證阻尼器與主體結構的可靠連接以發揮耗能減震效能，采用鋼板附加墻形式。這種阻尼器減震性能優良，布設靈活，對主體結構使用功能影響很小，優勢明顯。

本項目中阻尼器的連接件如圖10所示：端板和耳板。阻尼器蓋板與端板1焊接；耳板與端板2焊接，支撐與預埋件焊接，從而構成了整個連接件。

根據GB 50017—2017鋼結構設計規范：

單條焊縫長度為：

則取每條焊縫長度為340 mm。

耳板與端板2連接設計。

強度驗算：

耳板的尺寸為：t=20 mm，b=340 mm，h=200 mm，N=300×1.2=360 kN。

根據GB 50017—2003鋼結構設計規范5.1.1：

其中,An=(200-45)×20=3 100 mm2。

故滿足規范要求。

根據GB 50017—2017鋼結構設計規范：

單條焊縫長度：

則取每條焊縫長度為340 mm。

工字形鋼支撐通過預埋在混凝土梁里的預埋件進行焊接形成阻尼器的支撐。錨板尺寸為l=1 500 mm，t=20 mm，b=300 mm，鋼材為Q345鋼。混凝土軸心抗壓強度設計值fc=16.7 N/mm2；錨筋尺寸d=20 mm，材料為HPB335，鋼筋強度設計值fy=300 N/mm2，錨筋共布置三排，錨筋具體排列如圖11所示。

在剪力和彎矩共同作用時，錨筋的總截面面積AS應符合以下規定：

4 019.86 mm2。

其中：

αr=0.9。

6 結論

采用墻式鉛剪切型阻尼器對某中學教學樓進行加固改造，提出了阻尼器的加固方案，并在此基礎上對該結構進行減震性能分析，得到以下主要結論：

1)通過對減震結構減震性能的分析，本文提出的阻尼器加固方案能夠有效降低無控結構的層間位移及基地剪力，驗證了該加固方案的合理性。2)通過無控與減震結構的多遇及罕遇地震性能分析，驗證了在提出的阻尼器加固方案下主體結構滿足國家現行規范要求，達到了消能減震的設計目的。3)通過對減震結構在彈性及彈塑性狀態的分析，表明墻式鉛剪切型阻尼器在多遇地震下主要為主體結構提供抗側剛度，而在罕遇地震下，阻尼器完全屈服，耗散大量輸入結構的能量，也達到了設計目的。