粘滯性阻尼器在單向框架抗震加固中的運(yùn)用

鄒 超 翁大根

(1.上海寶冶工程技術(shù)有限公司，上海 200941; 2.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

1 概述

單向框架由于受當(dāng)時(shí)建筑科學(xué)技術(shù)水平的限制，特別是對(duì)地震認(rèn)識(shí)的缺乏，在設(shè)計(jì)方面存在以下缺陷:1)僅對(duì)橫向框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析;2)對(duì)縱向按連系梁考慮，僅考慮其承擔(dān)豎向荷載，在箍筋配置及縱筋的錨固上也常按一般梁考慮。我國(guó)在二十世紀(jì)七八十年代曾出現(xiàn)一些單向框架結(jié)構(gòu)房屋。而隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，特別是隨著人們對(duì)地震認(rèn)識(shí)程度不斷深入，抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也不斷更新，對(duì)房屋的抗震設(shè)計(jì)要求不斷的提高，原有的單向框架房屋由于結(jié)構(gòu)體系上的缺陷已經(jīng)不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。根據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范GB 50023-2009建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)及JGJ 116-2009建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程中的要求:對(duì)于不符合要求的建筑應(yīng)進(jìn)行改變結(jié)構(gòu)體系以及加固或采取其他相應(yīng)的措施。然而有些建筑由于受現(xiàn)場(chǎng)條件或建筑功能的限制，不易改變結(jié)構(gòu)體系，在這種情況下，可以考慮耗能減震裝置來減小非框架方向的地震作用，從而使其滿足抗震性能。由于粘滯性阻尼器是一種阻尼力與速度相關(guān)的消能器，其對(duì)連接阻尼器的支撐剛度要求比位移相關(guān)型阻尼器的要求低些。在水平地震作用下最大阻尼力發(fā)生的時(shí)刻與結(jié)構(gòu)柱產(chǎn)生的最大軸力的時(shí)刻存在相位差，這種受力狀態(tài)對(duì)于結(jié)構(gòu)柱的強(qiáng)度設(shè)計(jì)有利。粘滯性阻尼器作為消能減振裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn):1)只要有微小的振動(dòng)，它就能耗能減振;2)既能用于抗震又能用于抗風(fēng);3)力—位移滯回曲線近似為平行四邊形，耗能能力強(qiáng)。粘滯阻尼器的力學(xué)性能可以用如下數(shù)學(xué)公式表達(dá):Fd=Cvsign(V)|V|α。其中，Cv為根據(jù)需要設(shè)計(jì)的阻尼常數(shù)，kN/(mm/s)α;V為阻尼器活塞相對(duì)阻尼器外殼的運(yùn)動(dòng)速度，mm/s;α為根據(jù)需要設(shè)計(jì)的常數(shù)，變化范圍可為0.1～1.0;取α=1時(shí)，是線性阻尼的情況。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

某五層單向框架結(jié)構(gòu)建于20世紀(jì)80年代，作為藥劑生產(chǎn)車間，層高均為3.6 m，典型結(jié)構(gòu)平面圖見圖1。經(jīng)抗震鑒定，該房屋X向(非框架方向)1層～4層、Y向(框架方向)1層～3層層間位移角超過規(guī)范要求;1層～4層部分柱軸壓比超限或超筋;縱向(X向)連系梁配筋普遍不能滿足計(jì)算要求。

由于場(chǎng)地條件的限制及建筑功能的要求，不能新增框架柱或墻等抗側(cè)力構(gòu)件;若對(duì)縱向連系梁進(jìn)行加大截面，一方面工程量太大，另一方面會(huì)影響到樓層凈高的使用要求。由此可見，不易改變上述房屋的結(jié)構(gòu)體系，需采取其他措施進(jìn)行加固。在對(duì)軸壓比超限或超筋的柱子加大截面后，發(fā)現(xiàn)Y向能滿足層間位移角的要求，但X向在柱加固后小震下層間位移角仍不滿足1/550的要求。

圖1 房屋典型結(jié)構(gòu)平面圖

綜合考慮上述分析，決定選擇在X向增設(shè)消能支撐裝置來增加房屋縱向抗震性能。

2.2 消能減震設(shè)計(jì)

2.2.1 阻尼器性能參數(shù)選取

本工程選用阻尼力與其活塞桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成非線性關(guān)系的粘滯流體阻尼器，當(dāng)發(fā)生大于1/300層高的結(jié)構(gòu)層間位移時(shí)，其等效剛度較小，一般情況下，不會(huì)給結(jié)構(gòu)層間造成過大的剛度貢獻(xiàn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)基本周期，經(jīng)過試算，最后確定消能支撐阻尼器參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。阻尼器的布置位置見圖1(消能支撐共計(jì)10個(gè))。

2.2.2 地震響應(yīng)分析工況

分別在小震、大震下沿X方向輸入時(shí)程shwn1002，shwn2002，shwn3002，shwn4002進(jìn)行2個(gè)工況下的計(jì)算。考慮7度設(shè)防，地震波峰值在小震時(shí)的最大加速度取35 gal，大震時(shí)按上海抗震設(shè)計(jì)規(guī)程取最大加速度為200 gal，同時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比取5%。對(duì)以下兩種結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行地震作用下的分析比較(以下所述小震、大震所采用的數(shù)據(jù)均是在人工時(shí)程shwn1002作用下得到的):狀態(tài)1:普通體系下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng);狀態(tài)2:消能支撐體系結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。

表1 阻尼參數(shù)選擇

2.2.3 小震作用下計(jì)算結(jié)果及分析

圖2是在小震作用下結(jié)構(gòu)無阻尼及加入阻尼狀態(tài)下的各層位移和層間位移角。從結(jié)果的比較可以看出，消能支撐體系對(duì)結(jié)構(gòu)位移的控制作用相當(dāng)好，X向減震效果達(dá)到29%～40%。圖3中的層間剪力是結(jié)構(gòu)兩種不同狀態(tài)下各層層間剪力分布情況，其中有阻尼的情況下，層間剪力為結(jié)構(gòu)層間剪力和阻尼力的和。設(shè)置消能支撐后，各層層間剪力均有所增加。

圖2 小震下結(jié)構(gòu)X向?qū)游灰萍皩娱g位移角

圖3 小震下層間剪力比較

2.2.4 大震作用下計(jì)算結(jié)果及分析

圖4是在大震作用下結(jié)構(gòu)無阻尼及加入阻尼狀態(tài)下的各層位移和層間位移角。從結(jié)果的比較可以看出，在大震作用下消能支撐體系對(duì)結(jié)構(gòu)位移的控制作用也非常好，X向減震效果達(dá)到50%～57%。圖5中的層間剪力是結(jié)構(gòu)兩種不同狀態(tài)下各層層間剪力分布情況。在大震情況下，消能支撐對(duì)于層間剪力的控制作用非常明顯，1層～5層的層間剪力減小，最高達(dá)26.5%。

圖4 大震作用下X向?qū)游灰萍皩娱g位移角

圖5 大震下層間剪力比較

2.2.5 其他

輸入 shwn2002，shwn3002，shwn4002三條人工時(shí)程，小震、大震下最大加速度峰值分別為35 gal和200 gal，等效阻尼比取各種時(shí)程計(jì)算的平均值;另外從以上各種人工時(shí)程的輸入結(jié)果可以得到:1)小震作用下阻尼器已經(jīng)達(dá)到額定設(shè)計(jì)阻尼力的70%左右;故消能支撐結(jié)構(gòu)體系在小震情況下具有很好的抗震性能;2)大震作用下阻尼器內(nèi)力基本達(dá)到額定設(shè)計(jì)阻尼力。

2.3 加固效果

通過在房屋的非框架方向(X向)安裝阻尼器不僅有效解決了地震作用下變形超限的問題，也大大減小縱向連系梁加固工程量(本工程中縱向連系梁僅采用粘鋼的加固方法來滿足抗震構(gòu)造上的不足)，同時(shí)很好的滿足了建筑功能和場(chǎng)地限制條件的要求，真正做到將科技轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3 結(jié)語

通過上述工程實(shí)例可以看出:單向框架在受到現(xiàn)場(chǎng)條件或建筑功能要求的限制，不易改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系時(shí)，采用粘滯阻尼器不失為一種行之有效的方法。粘滯阻尼器是一種耗能能力強(qiáng)的消能器，可以彌補(bǔ)單向框架在結(jié)構(gòu)體系抗震性能的不足，但需要同傳統(tǒng)的加固方法相結(jié)合，在對(duì)原有柱增大柱截面后，再在非框架方向布置粘滯阻尼器的效果更加明顯;兩種方向結(jié)合起來能有效控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，特別是在大震作用下。

[1] GB 50023-2009，建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] JGJ 116-2009，建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 蔣 見，呂西林，翁大根.附加黏滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法[J].力學(xué)季刊，2009，30(4):70-71.