消能減震技術在某高層框架結構抗震加固中的應用

【摘要】某高層混凝土框架結構由于抗震等級的提高，導致原結構抗震構造措施無法滿足抗震規范的要求。針對此情況，在結構主要樓層布置了軸向型金屬抗震阻尼器，采用了消能減震技術進行抗震加固。結果表明，采用消能減震技術加固后，有效地降低了結構的地震響應，減小了地震作用下的層間位移角，達到了國家抗震規范要求。

【關鍵詞】消能減震；" 抗震構造措施； 軸向型金屬阻尼器； 層間位移角； 時程分析

【中圖分類號】TU352.11【文獻標志碼】B

［定稿日期］2022-11-15

［作者簡介］李純（1978—），男，本科，高級工程師，研究方向為既有建筑加固改造設計與施工。

0 引言

消能減震技術在既有建筑抗震加固中的應有日益增多。本文以某既有建筑功能改造項目為例，采用位移型金屬阻尼器對一高層框架結構進行消能減震加固，結果表明，采用消能減震技術加固后，有效地降低了結構的地震響應，達到了國家抗震規范要求。該技術較傳統加固技術具有明顯的優勢，能夠取得較大的經濟效益和社會效益［1］。

1 既有結構概況

本工程為一棟地下1層、地上8層（局部9層）鋼筋混凝土高層框架結構房屋，工程竣工于2016年，設計使用年限為50年。房屋東西方向軸線總尺寸為42.40 m，南北方向軸線總尺寸為27.00 m，基礎形式為樁基礎，地下室層高4.4 m、1～2層層高4.0 m、3～6層層高4.2 m、7～8層層高4.0 m，室內外高差0.15 m，地上建筑總高32.95 m，總建筑面積約10 303 m2。房屋設計使用功能為辦公樓，設計使用年限為50年，抗震設防烈度為6度，建筑抗震設防類別為丙類（標準設防），框架抗震等級為三級。現該房屋擬改造為一學校建筑，抗震設防烈度不變，設計使用年限不變，建筑抗震設防類別提高到乙類（重點設防），框架抗震等級提高到了二級［2］。經抗震鑒定，由于設防類別的提高，導致部分框架梁、柱等抗側力構件的抗震承載力不足，抗震構造措施無法滿足抗震規范的相關要求，需采取整體抗震加固措施。

2 抗震加固方案的選擇

針對本工程的實際情況，由于出現整體結構抗震構造措施不滿足要求的情況，若采用傳統直接加固法，有幾個缺點：①結構層數為8～9層，加固構件的數量很多，因為涉及的所有框架柱、梁都需進行加固；②直接加固法對既有結構有一定的損傷，若加固范圍很大，損傷范圍也很大；③加固構件較多時，造價偏高，工期長。

由于本結構主要缺陷為框架梁、柱的抗震構造措施無法滿足二級框架的情況，若能夠采取措施降低框架結構的抗震等級，由二級框架降為三級框架，則原結構大部分構件的抗震構造措施可滿足要求，加固范圍及加固構件數量可大大減少。基于此目的，本次抗震加固方案選擇消能減震技術，即在結構適當部位增設抗震阻尼器，只需將與消能器連接的子結構進行加固滿足相關要求，其余地方的結構構件抗震等級可降低一級，從而使大部分既有框架構件的抗震構造措施滿足要求［3］。

采用消能減震技術進行加固的主要依據為T/CECS 547-2018《建筑消能減震加固技術規程》中第6.3.6條規定：罕遇地震下最大層間位移角為2.0～4.0△θe時， B、C類鋼筋結構混凝土房屋可按常規設計的有關規定降低一度且不低于6度采用，A類鋼筋結構混凝土房屋應按A類房屋構造措施采用［4］（注：△θe為結構彈性層間位移角限值，對框架結構為1/550）。因此減震目標達到規范要求后，可使本結構抗震構造措施按常規設計的有關規定降低一度采用，即由二級構造要求降低為三級構造要求，這樣原結構大部分構件可滿足。

綜上所述，若采用消能減震技術對該結構進行抗震加固，可以大大減少構件加固的數量，不僅減少了拆除量也最大限度保護了原結構的完整性，該技術最終也得到了建設單位的認可。

3 消能減震技術的選擇

眾所周知，消能減震產品多種多樣，主要分位移型和速度型2種。軸向型抗震阻尼器作為一種常用的、成熟的位移型阻尼器產品，在結構抗震領域有著廣泛的應用，尤其適用于框架結構的抗震加固。軸向型金屬抗震阻尼器一般由耗能芯材及加勁構造、外約束套筒組成。長度和參數可靈活調節，連接形式一般均采用軸向連接，可采用人字形、V字形或單斜形式連接［5］。

根據本工程業主和建筑要求，采用了基于軸向型金屬抗震阻尼器的消能減震方案，連接形式為單斜、人字或V字形式連接。阻尼器均勻布置在結構的X、Y 2個主方向上，阻尼器在平面上均勻分散，并布置在結構的主要樓層中（1～6層），滿足規范對阻尼器布置的要求。

本工程中軸向型金屬抗震阻尼器在小震下不屈服，僅提供一定的剛度，在設防地震和罕遇地震下屈服耗能。阻尼器的布置位置如圖1所示。

4 消能減震方案的彈性計算分析

4.1 小震反應譜分析

由于本工程阻尼器在小震下不屈服耗能，因此阻尼器剛度為初始剛度，不需要計算小震下的附加阻尼比。本工程將與實際消能部件剛度等效的等代構件建入模型中得到最終的反應譜計算模型。按照上節所述原則分別采用PKPM和MIDAS建立結構的三維計算模型，模型如圖2所示。

結構前3個周期及平動扭轉情況的計算結果如表1、表2所示，2個軟件計算結果基本一致。

4.2 小震時程分析

GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》及JGJ 297-2013《建筑消能減震技術規程》中指出，消能減震結構，采用振型分解反應譜法分析時宜采用時程分析法進行多遇地震下的計算，同時為驗證阻尼器的工作情況，并對反應譜法中阻尼器的附加阻尼比和消能部件有效剛度進行計算，選取7條地震波對本結構進行動力彈塑性時程分析（主體結構為彈性模型，阻尼器為彈塑性模型）。

4.2.1 地震波的選取

GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》（以下簡稱《抗規》）5.1.2條規定：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，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3，多組時程的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。彈性時程分析時，每條時程計算的結構底部剪力不應小于振型分解反應譜計算結果的65%，多條時程計算的結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。

本工程選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線。7條地震波的反應譜曲線及加速度時程曲線如圖3所示。

4.2.2 小震時程分析結果

如表3所示，各條地震波下，結構底部剪力彈性時程分析結果均滿足大于反應譜法的65%小于135%，且7條波計算所得的結構底部剪力的平均值滿足大于反應譜法求得的底部剪力的80%小于120%的要求，說明所選地震波是滿足規范要求的。同時7條地震波作用下的結構層間位移角，均滿足規范要求。由表3、表4可知，結構小震時程7條波基底剪力平均值為反應譜的86%、91%，反應譜計算結果可包絡7條波的平均值，小震時程的層間位移角滿足要求。

5 消能減震方案的動力彈塑性時程分析

5.1 大震下時程分析結果

《抗規》中5.5.2條規定：采用隔震和消能減震設計的結構，應進行彈塑性變形驗算，同時為進一步驗證本工程消能減震結構在大震下的性能以及阻尼器的工作情況，采用MIDAS GEN軟件進行了罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析［2］。選用地震波與前文中的小震彈性時程分析是一致的（驗算表明，罕遇地震下場地特征周期增加0.05 s后，所需地震波仍然滿足與反應譜在統計意義上相符的要求），共進行了7條波，每條波均對X、Y向分別進行了動力彈塑性時程分析。

動力彈塑性時程分析的消能減震模型同前節小震時程分析的計算模型，因此模型與PKPM小震反應譜分析的模型是一致的。阻尼器模擬同小震時程模型，地震波選取同小震時程分析，按罕遇設置地震波峰值加速度，對應為220 cm/s2，并按X單向和Y單向分別輸入地震波，提取各工況下層間位移角和層間剪力，以及最終結構出鉸情況。

結構在各地震波工況下對應的基底剪力如表5所示。結構在各地震波工況下對應的結構層間位移角及基底剪力如表6所示，結構層間位移角最大值X、Y向分別為1/177、1/186，達到了抗震加固的目標、滿足規范要求，且有余量，說明本消能減震框架結構抗震性能良好，體現了消能減震結構的優勢。

根據T/CECS 547-2018《建筑消能減震加固技術規程》中第6.3.6條：鋼筋混凝土結構采用消能減震技術進行加固時，可根據罕遇地震下的樓層彈塑性位移角確定相應的構造措施［4］，并應符合下列規定：

罕遇地震下最大層間位移角為2.0～4.0 △θe時，B，C類鋼筋結構混凝土房屋可按常規設計的有關規定降低一度且不低于6度采用，A類鋼筋結構混凝房屋應按A類房屋構造措施采用。

本項目為C類框架結構，△θe為1/550，2.0～4.0 △θe即為（1/138～1/275），本項目罕遇地震作用下結構層間位移角最大值為1/177，位于（1/138～1/275）范圍內。故本項目

除子結構外的框架梁、柱可按降低一度（不低于6度）確定其抗震構造措施；而與消能器相連的子結構框架梁、框架柱則按照抗震設防烈度下乙類建筑的抗震構造措施進行補強。

5.2 主體結構塑性鉸開展情況

結構在人工波1工況下最終時刻的結構塑性鉸如圖4所示，由出鉸情況可以看出，大部分的框架梁和部分框架柱均出現了塑性鉸，其中框架梁多數出現第一屈服階斷至第二屈服階段的塑性鉸；框架柱出現的塑性鉸多數為第一階段屈服，部分位置出現第二屈服階段的塑性鉸，實際施工圖設計時將對這些位置的構件配筋進行有針對性的加強，總體來看框架柱的塑性鉸開展程度較輕。其余地震波工況下結構出鉸情況與人工波1基本類似。

6 結論

（1）當既有建筑改造后因抗震等級提高而導致原設計不滿足抗震構造措施要求時，可通過消能減震技術進行抗震加固。與傳統加固方式相比，采用消能減震加固具有拆除量小、加固構件少、施工周期短等特點，綜合經濟效益較好。

（2）軸向型金屬抗震阻尼器作為金屬位移型阻尼器的一種，具有延性好、耗能效率高，用鋼量小，施工方便等優點，在框架結構消能減震加固中具有明顯優勢。

（3）消能減震設計時應進行小震下的彈性時程分析和大震下的彈塑性時程分析，通過將罕遇地震下的層間位移角限制在一定范圍內，可以降低原結構中除子結構以外構件的抗震等級，從而使大部分原結構構件的抗震構造措施滿足規范要求。

參考文獻

［1］ 黃鎮，李愛群. 建筑結構金屬消能器減震設計［M］.北京：中國建筑工業出版社，2015.

［2］ 建筑抗震設計規范： GB 50011-2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2016.

［3］ 建筑消能減震技術規程： JGJ 297-2013［S］.北京：中國建筑工業出版社，2013.

［4］ 建筑消能減震加固技術規程： T/CECS 547-2018［S］.北京：中國建筑工業出版社，2018.

［5］ 潘鵬，葉列平，錢稼茹，等.建筑結構消能減震設計與案例 ［M］.北京：清華大學出版社，2014.