消能減震技術在某公共建筑改造加固中的應用1

舒 蓉

（甘肅省建筑科學研究院（集團）有限公司抗震分院, 蘭州 730070）

引言

我國建筑業已進入新建與改造并行階段，因建筑功能改變、抗震設防升級、規范修訂等原因，大量既有建筑需采取抗震加固措施。增大截面、外粘型鋼等傳統加固方法，可在一定程度上使既有結構抗震性能滿足要求，取得一定加固效果，但往往工程量大，造價高，施工困難。受現場條件限制，部分抗震措施難以實施。消能減震技術因其機理明確、效果明顯、可靠度高，已被廣泛應用于新建建筑工程中，近年來逐漸應用在既有建筑改造加固中（賀峰等，2015；陳越等，2020；傅友東，2020）。本文依托某地產公司售樓部改造工程，針對大量梁、柱承載力不足，主控參數超限等問題，提出在原結構中增設一定數量的黏滯阻尼器，以減小地震作用，減少加固梁、柱數量的消能減震方案，分析結構在多遇和罕遇地震作用下的時程反應，研究消能減震效果和結構抗震性能。

1 工程概況

本工程所在地為甘肅省蘭州市，結構形式為框架結構，共3 層，層高分別為6.0、5.4、5.4 m，建筑面積7 051.79 m2，建造于2016 年，原為售樓部，改造前2 層結構平面如圖1 所示。

圖1 改造前2 層結構平面（單位：毫米）Fig. 1 Second floor plan of structure before reconstruction（Unit: mm）

由于使用功能改變，將售樓部改為購物中心的一部分，改造要求如下：（1）在⑩～?軸與?～?軸包含范圍內原通道處新增結構，將①～⑩軸與?～?軸、?～?軸與?～?軸包含的2 個獨立單體框架結構連為一體；（2）售樓部⑥～⑩軸躍層中庭部分進行封堵，形成平層；（3）為與購物中心其他部分連通，對①～③軸與?～?軸、?軸與?～1/?軸包含的部分范圍進行擴建；（4）根據新使用功能及消防要求，原有樓梯、電梯洞口均進行封堵，拆除②～③軸與?～1/?軸、③～④軸與?～?軸、?～?軸與?～?軸包含范圍內原樓板，新增3 部樓梯；（5）在①～④軸與?～?軸包含范圍內新增局部4 層，層高5.4 m，建筑面積為410 m2，在⑤～?軸與?～?軸包含范圍內新增高度為5.4 m 的屋面造型。改造后2 層結構平面如圖2所示。

圖2 改造后2 層結構平面（單位：毫米）Fig. 2 Second floor plan of structure after reconstruction（Unit: mm）

該建筑改造后結構布置發生較大變化，根據改造后的建筑平面，采用YJK 軟件進行結構設計，并根據計算結果核對原設計配筋。核對后發現原結構存在以下問題：（1）多數梁、柱配筋不滿足承載力要求；（2）大量節點核心區超限，截面不滿足抗剪要求；（3）首層部分柱軸壓比超限；（4）主控參數和層間位移角超限。

2 加固方案

針對該改造工程存在的問題，若全部采用傳統的增大截面、外包型鋼、粘貼碳纖維布等加固方法，按原設計建造的結構構件加固工作量大，施工難度大，造價高。本文針對工程特點，提出將消能減震技術與傳統加固技術相結合的方案，即在改造后的結構中置入適量的黏滯阻尼器，形成消能減震體系。通過消能減震體系減小地震作用后，可大大減少加固梁、柱數量，提高結構抗震性能，降低加固費用。

本工程改造后僅y向剛度不足，相差20%左右，因此采用黏滯阻尼器為結構提供附加阻尼比，可有效降低成本。經試算，結構總阻尼比達13%（附加阻尼比為8%）時，結構主控參數指標可滿足規范要求。

黏滯阻尼器屬于速度相關型消能器（劉小萌等，2015），其力學關系曲線及滯回曲線如圖3 所示，力學公式如下：

圖3 黏滯阻尼器力學關系曲線及滯回曲線Fig. 3 Mechanical relation curves and hysteretic curves of viscous damper

式中，F為阻尼力，C為阻尼系數，v為活塞運動速度，α 為阻尼速度指數。

為降低結構地震反應，經反復試算對比，優化調整黏滯流體阻尼器數量及位置，分別在1～3 層x向布置2、5、4 個黏滯流體阻尼器，分別在1～3 層y向布置4、4、3 個黏滯流體阻尼器，2 層阻尼器平面布置如圖4 所示，?軸阻尼器立面布置如圖5 所示。阻尼器設計阻尼力為450 kN，阻尼系數為650 kN/(mm·s-1)，阻尼指數為0.3，行程為70 mm。

圖4 2 層阻尼器平面布置（單位：毫米）Fig. 4 The layout plan of damper in second floor（Unit: mm）

圖5 ?軸阻尼器立面布置Fig. 5 Elevation plan of damper on the 12th axis

3 多遇地震作用下的結構抗震性能

3.1 地震波的選取

依據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）（中華人民共和國住房和城鄉建設部等，2010）第5.1.2 條第3 款及條文說明要求，從工程角度出發，選取2 條天然波、1 條人工波時程曲線進行分析。經試算，最終選擇人工波ArtWave-RH4TG045Tg（0.45）、天然波1 Chi-Chi Taiwan-05_NO_2966Tg（0.49）、天然波2 Irpinia Italy-02_NO_298Tg（0.49），規范譜與加速度時程曲線對比如圖6 所示。ETABS 彈性時程分析與YJK 振型分解反應譜分析的基底剪力如表1 所示，其中，時程平均與反應譜基底剪力差值比x方向為13.3%，y方向為2.24%。由圖6 及表1 可知，所選的3 條地震波滿足規范要求。

表1 基底剪力Table 1 Time history analysis of base shear

圖6 設計地震動和規范設計譜對比Fig. 6 Comparison of design ground motion spectrum and code design spectrum

3.2 多遇地震作用下黏滯阻尼器性能分析

x、y向黏滯阻尼器滯回曲線如圖7、圖8 所示。由圖可知，多遇地震作用下黏滯阻尼器滯回曲線飽滿，可較好地發揮消能減震作用。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）第12.3.4 條規定，采用時程分析計算得到黏滯阻尼器附加給結構的有效阻尼比，如表2 所示。由表2 可知，在多遇地震作用下，阻尼器可為結構提供8%的附加阻尼比。

圖7 x 向黏滯阻尼器滯回曲線Fig. 7 Hysteresis curves of viscous damper of x direction

圖8 y 向黏滯阻尼器滯回曲線Fig. 8 Hysteresis curves of viscous damper of y direction

表2 小震時程結構附加阻尼比Table 2 Structure additional damping ratio of small earthquake time-history

3.3 消能減震效果對比

在保證結構小震彈性層間位移角和柱軸壓比限值滿足規范要求的前提下，采用純傳統加固方法和消能減震技術與傳統加固技術相結合的減震加固方案分別進行計算，對需加固的結構構件數量進行對比，結果如表3 所示。由表3 可知，采用消能減震方案，需加固框架柱數量為純傳統加固方法的1/3，框架梁加固數量約為純傳統加固方法的2/5。純傳統加固方法（張波，2016）主要為增大截面法，存在大量的植筋，部分原結構構件尺寸無法滿足植筋深度要求，需穿透錨固，如果施工工藝不到位，不僅達不到加固效果，而且有可能造成原結構損傷（張雅杰，2018）。加大框架梁、柱截面均對室內凈空產生一定影響。本文采用的消能減震方案，可大幅度減小結構地震作用，減少加固構件數量，減少大量植筋施工對原結構產生的損傷，施工較簡單，周期短，經濟性較好。

表3 傳統加固方案與消能隔震方案加固構件數量表Table 3 The components quantity of traditional reinforced and energy dissipation reinforcement scheme

4 罕遇地震作用下結構時程響應分析

4.1 抗震性能目標

當前國際公認的非線性應力-應變關系（廣義）如圖9 所示。圖9 中，Q為彎矩，Qy為屈服彎矩，θ為轉角。構件性能水準有3 個離散的性能點，即IO（立即使用）、LS（生命安全）及CP（接近倒塌）。IO 即地震后不間斷運行，稍加修理后可立即使用；LS 即地震后間斷運行，經適當修理后可繼續使用；CP 即結構承載力仍下降，但地震時破壞嚴重，震后無法繼續使用。消能減震設防目標除可滿足抗震設防三水準外，還能進行結構性能化設計，提出更優化的結構加固方案和滿足更高的抗震要求。本工程以《建筑結構抗倒塌設計規范》（CECS 392-2014）（中國工程建設標準化協會，2015）、《建筑工程抗震性態設計通則》（CECS 160-2004）（中國工程建設標準化協會，2004）為基礎，參考美國規范ASCE41-06，制訂本工程抗震性能目標，如表4 所示。

圖9 非線性應力-應變關系曲線和性能水準Fig. 9 Nonlinear stress-strain relationship and performance level

表4 抗震性能目標Table 4 Anti-seismic performance objectives

4.2 彈塑性分析模型

采用PERFORM-3D 軟件建立結構分析模型，如圖10 所示。PERFORM-3D 模型與YJK 模型周期、質量對比如表5 所示，由表可知，PERFORM-3D 模型是準確的。

圖10 PERFORM-3D 結構分析模型Fig. 10 Structural analysis model of PERFORM-3D

表5 結構模型質量、周期對比Table 5 Comparison of structural model quality and natural periods

采用3.1 節所選用的地震波，對結構進行動力彈塑性分析，通過結構、構件變形或以強度為基準的限值狀態進行抗震性能評估。計算分析時采用以下假定：①剛性樓板假定；②塑性鉸模擬梁、柱彎曲破壞，梁、柱分別采用M 鉸和PMM 鉸；③消能子結構梁、柱彎曲分別采用M 強度截面、 PMM 強度截面進行校核，剪切破壞采用 V 強度截面進行校核。

4.3 整體地震反應評估

圖11、圖12 分別為最大位移曲線與最大層間位移角曲線。由圖可知，罕遇地震作用下，結構頂部x、y向最大位移分別為0.221、0.225 m，x、y向最大層間位移角分別為1/51、1/54，均小于1/50，滿足《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）中彈塑性位移角限值要求。

圖11 最大位移曲線Fig. 11 Displacement curves of maximum interlayer

圖12 最大層間位移角曲線Fig. 12 Displacement angle curves of maximum interstorey

罕遇地震作用下，因局部結構構件屈服，整體結構承載力和剛度下降，但仍具備抵抗整體結構倒塌的剛度和承載能力，可保證“大震不倒”的抗震性能目標。

4.4 構件性能評估

根據彈塑性計算分析結果，統計梁、柱、子結構及黏滯阻尼器大震作用下的性能狀態，在x、y向時程波作用下，頂層6 道框架梁在LS 性能水準下彎矩與屈服彎矩之比大于1，在CP 性能水準下彎矩與屈服彎矩之比均小于1；頂層框架柱在LS 性能水準下彎矩與屈服彎矩之比大于1，在CP 性能水準下彎矩與屈服彎矩之比均小于1。結果表明，大震作用下，部分梁、柱進入運行控制性能段，少數進入破壞控制性能段，破壞較輕微。最大塑性變形處于有限安全性能段，小于CP 性能點。

黏滯阻尼器最大位移均小于其極限位移的1/2，極限阻尼力大于最大阻尼力。罕遇地震作用下，黏滯阻尼器仍正常工作，發揮著耗能作用。x、y向時程波作用下，子結構梁彎曲應力比均小于1，最大剪力小于受剪承載力。子結構柱壓彎應力比均小于0.85，最大剪力小于0.8 倍受剪承載力，大震作用下極限承載力均滿足要求。

5 其余構件加固設計

根據多遇地震計算結果，對消能減震后尚需進行加固的其他構件采用傳統加固法進行處理。具體做法為：（1）采用增大截面法加固軸壓比超限的5 根框架柱，如圖13 所示；（2）采用外包型鋼法加固配筋不滿足要求的6 根框架柱，如圖14 所示；（3）采用外包型鋼或粘貼碳纖維布法加固由于建筑功能發生變化導致配筋不滿足改造后計算要求的部分梁、板構件；（4）采用增大截面法加固標高為5.950、11.680 m 的?軸、?～?軸與黏滯阻尼器相連的子結構框架梁；（5）擴建及加建部分結構構件按新建構件進行設計，新、舊構件采用植筋進行連接。

圖13 增大截面法加固框架柱Fig. 13 Frame column strengthening with increasing section area

圖14 外包型鋼加固框架柱Fig. 14 Frame column strengthening with externally wrapped steel section

6 結語

本文針對某既有公共建筑復雜改造中黏滯阻尼器的應用，通過計算分析，得出以下結論：

（1）減震結構主體框架滿足罕遇地震作用下中度損傷的性能目標，子結構滿足大震作用下極限承載力要求。

（2）阻尼器在罕遇地震作用下仍能正常工作，起到主要耗散地震輸入能量的作用，明顯減少框架梁、柱塑性耗能需求。

（3）減震后，地震作用下框架結構各性能指標均符合規范要求，抗震性能得到明顯提升，大大較少加固工作量，取得良好效益。

（4）消能減震加固技術在既有工程改造或抗震加固中的應用越來越廣泛，但為保證設計方案安全可靠、經濟合理，設計人員需掌握規范要求及消能減震原理，以便合理選擇與布置消能器。