屈曲約束支撐及粘滯阻尼器在抗震加固中的應(yīng)用

陳曉強(qiáng)， 李 霆， 陳焰周

(中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430071)

地震是人類社會(huì)最主要的自然災(zāi)害，我國(guó)也是遭受地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。在歷次地震中，建筑物的破壞和倒塌是造成大量人員傷亡的直接因素。限于目前還無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)地震，只能通過(guò)對(duì)建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)來(lái)減少或避免人員傷亡。按照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)的建筑物，能夠抵抗相應(yīng)烈度的地震，這已經(jīng)在多次地震中得到了驗(yàn)證，這說(shuō)明目前我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)是必要的，也是有效的。但是，目前我國(guó)仍存在大量未進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的建筑，還有一些建筑雖進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)但不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。為確保這些建筑在遭遇地震時(shí)不發(fā)生較大破壞，必須對(duì)其進(jìn)行抗震加固。

本文介紹了屈曲約束支撐及粘滯阻尼器這兩種消能減震元件的特性，重點(diǎn)闡述了同時(shí)采用屈曲約束支撐及粘滯阻尼器進(jìn)行聯(lián)合消能減震的抗震加固技術(shù)，并結(jié)合一棟既有綜合樓的抗震加固設(shè)計(jì)，介紹了該技術(shù)的具體加固設(shè)計(jì)方法及加固效果，證明了該方法的可行性。

1 抗震加固方法簡(jiǎn)介

抗震加固是指對(duì)正在使用的既有建筑進(jìn)行加固、維修、改造，提高其抗震性能，滿足抗震鑒定的要求［1，2］。

目前，我國(guó)抗震加固工程主要采用直接加固梁柱構(gòu)件、增設(shè)抗震墻等抗側(cè)力構(gòu)件、增設(shè)支撐、設(shè)置外部框架等方法。這些傳統(tǒng)方法主要通過(guò)提高結(jié)構(gòu)自身的剛度和強(qiáng)度，抵抗地震作用，屬于“硬碰硬”的剛性抗震。它們?cè)谔岣呓Y(jié)構(gòu)自身抗震能力的同時(shí)，也一定程度上加大了地震作用效應(yīng)，而且施工相對(duì)復(fù)雜，施工周期長(zhǎng)，通常需要中斷建筑物的使用。

近年來(lái)，一些學(xué)者及工程技術(shù)人員嘗試將消能減震技術(shù)應(yīng)用到既有建筑的抗震加固中來(lái)［3～8］，這改變了傳統(tǒng)的剛性抗震加固思想，通過(guò)增設(shè)消能元件消耗輸入到結(jié)構(gòu)中的地震能量，減小原有主體結(jié)構(gòu)遭受的地震作用，從而避免主體結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞或倒塌，達(dá)到了柔性抗震加固的目的。這種消能減震的加固技術(shù)，僅需要增設(shè)一些消能元件，安裝簡(jiǎn)單、施工周期短，對(duì)建筑物使用干擾小，并且可更換。

新的《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》(JGJ 116-2009)已經(jīng)吸納了“消能支撐”這一消能減震加固技術(shù)［1］。由于消能減震技術(shù)在建筑工程中還未廣泛使用，而且消能元件單價(jià)較貴(加固綜合費(fèi)用并不貴)，在結(jié)構(gòu)抗震加固中應(yīng)用還比較少。同時(shí)采用屈曲約束支撐及粘滯阻尼器進(jìn)行聯(lián)合消能減震的抗震加固技術(shù)更是鮮有見聞。

2 屈曲約束支撐及粘滯阻尼器特性

2.1 屈曲約束支撐

屈曲約束支撐屬于位移相關(guān)型消能元件，其基本工作原理為:支撐結(jié)構(gòu)在地震作用下所承受的軸向力作用全部由支撐中心的芯材承受，該芯材在軸向拉力和壓力作用下屈服耗能，而外圍鋼管和套管內(nèi)灌注混凝土或砂漿提供給芯材彎曲限制，避免芯材受壓時(shí)屈曲失穩(wěn)。

由于沒有受壓失穩(wěn)問題，在相同承載力條件下，屈曲約束支撐相比普通鋼支撐，截面可以大大減小，使結(jié)構(gòu)在小震彈性狀態(tài)下的抗側(cè)剛度減小，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)周期，減小了地震作用。屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力，在中震和大震情況下，率先屈服耗能，有效減小輸入到其余主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的地震能量，起到結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”的作用，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生嚴(yán)重破壞［9］。

2.2 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器屬于速度相關(guān)型消能元件，一般是由缸筒、活塞、阻尼孔、粘滯流體材料和導(dǎo)桿等部分組成，利用活塞與缸筒之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力差，擠壓迫使粘滯流體材料從阻尼孔中通過(guò)，從而產(chǎn)生阻尼力，通過(guò)粘滯耗能耗散能量。粘滯阻尼器的阻尼力為:

式中，C為阻尼系數(shù)，V為阻尼器兩端相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，α為阻尼指數(shù)。工程中所用粘滯阻尼器α一般取值為0.2～1，當(dāng)α=1時(shí)阻尼器為線性阻尼器，當(dāng)α＜1時(shí)為非線性阻尼器。

線性阻尼器出力與速度成正比，小震時(shí)出力很小，大震時(shí)出力很大;非線性阻尼器相比線性阻尼器，小震時(shí)就有較大的出力，大震時(shí)出力不會(huì)非常大。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)消能減震而言，非線性阻尼器通常更適合，它在小震下就可以起到一定的減震作用，而且可以起到抗風(fēng)作用;大震時(shí)，出力又不會(huì)非常大，避免了傳到相連主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的阻尼力過(guò)大導(dǎo)致這些構(gòu)件事先破壞。

3 屈曲約束支撐及粘滯阻尼器在抗震加固中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

作為典型的消能元件，近年來(lái)，屈曲約束支撐及粘滯阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到應(yīng)用，新的抗震規(guī)范已經(jīng)對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一些基本設(shè)計(jì)原則和要求［10］。借鑒了在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，屈曲約束支撐及粘滯阻尼器在一些重要建筑抗震加固中也開始得到應(yīng)用，例如:北京火車站加固改造工程［3］，北京飯店抗震加固工程［4］，五臺(tái)山體育館加固工程［5］，還有一些多高層建筑抗震加固中也分別選用了這兩種消能元件中的一種［6～8］。

3.2 屈曲約束支撐及粘滯阻尼器聯(lián)合消能減震的抗震加固技術(shù)

目前，抗震加固中基本是單獨(dú)采用屈曲約束支撐或粘滯阻尼器。它們分別是位移相關(guān)性和速度相關(guān)性阻尼器，具有各自的特性，在工程中只采用其中一種，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響很明確，地震計(jì)算分析也相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，同時(shí)采用這兩種阻尼器聯(lián)合消能減震的抗震加固工程鮮有見聞。

屈曲約束支撐作為位移相關(guān)型阻尼器，在小震作用下處于彈性狀態(tài)，不能夠消能減震，但它給結(jié)構(gòu)增加了一定的側(cè)向剛度，減小了結(jié)構(gòu)小震位移，這點(diǎn)類似普通鋼支撐，但相比相同承載力的普通支撐，其對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)要小很多;中大震下，屈曲約束支撐發(fā)生屈服(但不發(fā)生屈曲失穩(wěn))，起到消能減震作用。粘滯阻尼器作為速度相關(guān)型阻尼器，小震下可以產(chǎn)生較小阻尼力，起到一定的消能減震作用，中大震下則能夠消耗更多的地震能量;但粘滯阻尼器不能提供側(cè)向靜剛度，如果原結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度很弱，小震下位移指標(biāo)不滿足要求，如單純依賴粘滯阻尼器小震下的動(dòng)剛度來(lái)減小結(jié)構(gòu)位移，往往需要增設(shè)大量的粘滯阻尼器，由于粘滯阻尼器價(jià)格相對(duì)屈曲約束支撐要高，整個(gè)工程造價(jià)將相當(dāng)昂貴。

因此，聯(lián)合運(yùn)用屈曲約束支撐和粘滯阻尼器進(jìn)行抗震加固，可以使結(jié)構(gòu)在小震、中震、大震下均能消能減震，容易滿足結(jié)構(gòu)小震下的彈性位移要求，使結(jié)構(gòu)同時(shí)達(dá)到小、大震的抗震設(shè)防性能目標(biāo)。粘滯阻尼器制作成本相對(duì)屈曲約束支撐高很多，其價(jià)格也相對(duì)貴很多，抗震加固中聯(lián)合使用時(shí)，在實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)的前提下，盡量多使用屈曲約束支撐，少布置粘滯阻尼器，使整個(gè)加固工程費(fèi)用較低。

4 聯(lián)合消能減震抗震加固工程算例

4.1 工程概況

本工程為12層鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)綜合樓，樓頂有一8 m高鋼結(jié)構(gòu)造型頂棚。主體結(jié)構(gòu)呈圓弧形，南北(Y向)寬15～18 m，東西(X向)長(zhǎng)57～64 m(外弧線)，南北主要柱距3.00～5.00 m，東西主要柱距7.16～8.00 m;結(jié)構(gòu)層高分別為5.00 m(底層)、4.50 m(2～5層)、2.95 m(6～12層)。在樓梯、電梯井處設(shè)有剪力墻，但剪力墻又薄又少且開了大洞，抗側(cè)剛度并不大，其承擔(dān)的地震傾覆力矩僅占總地震傾覆力矩的26%。1～2層為商鋪，3～5層為會(huì)所，6～12層為住宅。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)模型(含加固消能元件)

本綜合樓原處于7度設(shè)防區(qū)，二類場(chǎng)地二組，按照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2001版)［11］設(shè)計(jì)施工。汶川地震后，抗震規(guī)范對(duì)部分地區(qū)的抗震設(shè)防烈度進(jìn)行了調(diào)整，該樓所在地區(qū)變?yōu)?度設(shè)防區(qū)。因此，原結(jié)構(gòu)需要根據(jù)新抗震設(shè)防要求進(jìn)行抗震鑒定，并進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)。

4.2 原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算校核

利用PKPM軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行8度小震彈性階段的驗(yàn)算表明:原結(jié)構(gòu)在8度小震作用下，其層間位移角計(jì)算結(jié)果如圖2所示(限于篇幅，這里僅圖示了結(jié)構(gòu)弱方向X向的計(jì)算結(jié)果，下同)，部分樓層層間位移角不滿足規(guī)范要求的1/800［11］;許多梁、柱的原有配筋已不能滿足8度小震的設(shè)計(jì)配筋結(jié)果。剪力墻原有實(shí)際配筋基本達(dá)到8度小震的計(jì)算結(jié)果。整體而言，整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度及構(gòu)件實(shí)際承載力均不滿足8度抗震設(shè)防要求。

圖2 8度小震X向?qū)娱g位移角(X向地震作用)

4.3 聯(lián)合消能減震加固方案

若采用傳統(tǒng)的加固方法，需要對(duì)結(jié)構(gòu)增設(shè)剪力墻，還需要對(duì)大片的梁柱進(jìn)行截面加固，一方面影響了結(jié)構(gòu)使用功能，并且造價(jià)高、中斷建筑使用時(shí)間長(zhǎng)，而且加固成本高。因此，可考慮消能減震加固技術(shù)?？紤]到原結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度(配筋)均不能滿足現(xiàn)有的抗震設(shè)防要求，根據(jù)3.2節(jié)所述，采用屈曲約束支撐及粘滯阻尼器聯(lián)合消能減震的抗震加固技術(shù)。

根據(jù)4.2節(jié)彈性計(jì)算結(jié)果，首先在主樓四角分別設(shè)置X、Y向屈曲約束支撐(圖3中BRB)，共計(jì)138根;下部5層地震作用下層間剪力較大，而且層高較高，故采用屈服承載力為80 t的支撐，其余樓層則采用60 t的屈曲約束支撐。其次，在層間位移超標(biāo)的4～8層增設(shè)粘滯阻尼器(圖3中Damper)，阻尼系數(shù) 600 kN(s/m)0.3，阻尼指數(shù)0.3，最大出力500 kN，共計(jì)30套。

圖3 典型樓層消能元件布置

4.4 抗震加固設(shè)計(jì)效果

對(duì)抗震加固后的結(jié)構(gòu)采用Midas Gen軟件進(jìn)行分析計(jì)算。首先與PKPM軟件對(duì)比了原模型的周期計(jì)算結(jié)果，如表1所示:二者前三階周期最大相差不到3%，這說(shuō)明在Midas Gen中建立的模型與原設(shè)計(jì)模型是一致的。

表1 Midas Gen與PKPM模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

按照4.3節(jié)方案在結(jié)構(gòu)模型中增設(shè)屈曲約束支撐及阻尼器。屈曲約束支撐用一般梁?jiǎn)卧M即可，但需要將兩端彎曲自由度釋放;材料及截面積與支撐芯材一致，選用Q235鋼材。粘滯阻尼器用一般連接單元模型，選用Maxwell阻尼器模型。

小震下由于結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，仍采用規(guī)范的反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)的附加阻尼比按下式進(jìn)行近似估算［10］:

小震彈性計(jì)算結(jié)果如圖2，通過(guò)布置屈曲約束支撐(BRB)，最大的結(jié)構(gòu)層間位移角剛好滿足1/800的彈性限值要求，再設(shè)置粘滯阻尼器(BRB+Damper)，進(jìn)一步減小了結(jié)構(gòu)層間位移角。利用Midas Gen的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行8度小震下鋼筋混凝土配筋計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明原結(jié)構(gòu)實(shí)配鋼筋滿足要求。這說(shuō)明本加固方案已經(jīng)滿足了小震下的抗震設(shè)防要求。

圖4 8度大震X向?qū)娱g位移角(X向地震作用)

考慮到大震下屈曲約束支撐及部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)發(fā)生屈服，進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，因此采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法進(jìn)行分析計(jì)算。在Midas Gen中，輸入原始結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際配筋，然后對(duì)梁、柱分別基于實(shí)際配筋定義塑性鉸;屈曲約束支撐則根據(jù)其設(shè)計(jì)參數(shù)定義塑性鉸;Midas Gen暫無(wú)剪力墻動(dòng)力彈塑性分析鉸模型，考慮到小震計(jì)算校核表明原結(jié)構(gòu)中剪力墻配筋已經(jīng)滿足8度抗震設(shè)計(jì)要求，且剪力墻對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度貢獻(xiàn)不大，因此對(duì)剪力墻暫沒有設(shè)鉸。因暫缺地震安評(píng)報(bào)告，這里地震波選用了El-Centro波，有效峰值加速度調(diào)整為4 m/s2，計(jì)算時(shí)間取20 s。各樓層在20 s時(shí)程分析中的最大層間位移角計(jì)算結(jié)果如圖4所示，結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)情況如圖5所示。另外，對(duì)原結(jié)構(gòu)也同時(shí)進(jìn)行了8度大震的分析。對(duì)比結(jié)果表明:原結(jié)構(gòu)在8度大震下，部分樓層的層間位移角已超過(guò)1/100的規(guī)范限值［11］，而且梁、柱出現(xiàn)了大量嚴(yán)重屈服的塑性鉸，這表明原結(jié)構(gòu)達(dá)不到“大震不倒”的設(shè)防要求;加固后的結(jié)構(gòu)，最大層間位移角滿足要求，大部分屈曲約束支撐出現(xiàn)塑性鉸耗能，中下部樓層梁柱出現(xiàn)了塑性鉸，但大部分塑性鉸未進(jìn)入嚴(yán)重屈服狀態(tài)，整個(gè)主體結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，能夠達(dá)到“大震不倒”的要求。

圖5 8度大震下結(jié)構(gòu)塑性鉸(x向地震作用)

上述分析結(jié)果表明，本工程采用的屈曲約束支撐及粘滯阻尼器聯(lián)合消能減震的抗震加固技術(shù)是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于消能減震思想的結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)，說(shuō)明了屈曲約束支撐及粘滯阻尼器這兩種消能減震元件的特性及在抗震加固中的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了基于屈曲約束支撐及粘滯阻尼器的聯(lián)合消能減震技術(shù)在結(jié)構(gòu)抗震加固中應(yīng)用的可行性;并就一綜合樓加固設(shè)計(jì)，介紹了該技術(shù)的具體加固設(shè)計(jì)方法及加固效果，證明了該方法的可行性。由于基于聯(lián)合消能減震技術(shù)的結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計(jì)是一項(xiàng)分析過(guò)程復(fù)雜、專業(yè)技術(shù)性要求極高的工作，本文也僅作了初步探討，仍有大量后續(xù)工作需要開展:兩種消能元件在結(jié)構(gòu)中的相互影響，消能元件的優(yōu)化布置，消能元件參數(shù)的合理選擇，加固后整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性精細(xì)分析，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法等。

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

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

［3］北京火車站抗震加固與改造設(shè)計(jì)項(xiàng)目組.北京火車站抗震鑒定與加固技術(shù)［J］.工程抗震，2003，(3):25-29.

［4］梁繼東，董 聰，苗啟松.北京飯店消能減振抗震加固的靜力彈塑性分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2005，35(8):24-26.

［5］黃 鎮(zhèn)，李愛群，秦新剛.大跨體育館抗震性能鑒定與加固研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2007，33(S1):72-75.

［6］曹炳政，朱春明.消能減震技術(shù)在某既有綜合樓抗震加固中的應(yīng)用研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2009，35(4):149-152.

［7］吳 軼，何銘基，鄭俊光，等.耗能腋撐對(duì)鋼筋混凝土框架抗震加固性能分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，34(6):725-730.

［8］楊 溥，姬淑艷，肖 志，等.粘滯阻尼器加固的某RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，30(8):114-118.

［9］周 云.防屈曲耗能支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［10］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［11］GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.