消能減震技術(shù)在加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

■ 蘭學(xué)平 Lan Xueping

0 引言

隨著我國城市更新進(jìn)程的加速，針對(duì)既有房屋功能提升和加固改建類的工程日益增多。傳統(tǒng)的加固方法主要有加大截面法、外包鋼法、增設(shè)抗震翼墻法等。該類加固方法主要是增加結(jié)構(gòu)自身剛度，利用損傷結(jié)構(gòu)自身為代價(jià)來耗散地震輸入的能量，其缺點(diǎn)主要是施工周期長、濕作業(yè)面大、自重增加多、減小建筑物使用效率等[1]。消能減震技術(shù)作為一種新型技術(shù)，主要是在結(jié)構(gòu)中附加耗能裝置，利用耗能裝置耗散地震輸入到上部結(jié)構(gòu)中的能量，從而達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)免遭破壞的目的，其優(yōu)點(diǎn)是濕作業(yè)面小、工期短等[2]。

目前，消能減震技術(shù)在房屋加固中已有較多應(yīng)用，如：張超、翁大根等[3]提出了將消能減震技術(shù)運(yùn)用于C類框架學(xué)校建筑提高一度抗震設(shè)防加固；賈傳勝[4]提出在框架增層工程中運(yùn)用消能減震加固技術(shù)；張玉蕾[5]提出運(yùn)用消能減震技術(shù)加固中小學(xué)單跨框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓等。本文將著眼于消能減震加固既有房屋設(shè)計(jì)方法的全過程分析，為后續(xù)改造項(xiàng)目提供借鑒。

1 消能減震加固房屋全過程分析概述

1.1 主要內(nèi)容

采用消能減震技術(shù)加固既有房屋主要包含3個(gè)方面內(nèi)容，即房屋原結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估、附加耗能裝置的設(shè)計(jì)和加固后房屋整體抗震性能評(píng)估。

（1）房屋設(shè)計(jì)年代不同，原結(jié)構(gòu)的抗震性能往往存在較大差異性，對(duì)房屋原結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合評(píng)估是進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

（2）耗能裝置是消耗地震輸入能量的主要構(gòu)件，如何確保并提高該類構(gòu)件在地震中發(fā)揮其工作效率，是消能減震技術(shù)加固房屋的關(guān)鍵所在。

（3）加固完成后，房屋整體的抗震能力是否滿足新的設(shè)防要求，是判斷加固設(shè)計(jì)是否合格的主要標(biāo)志。

1.2 主要設(shè)計(jì)步驟

基于上述3方面的內(nèi)容，本文對(duì)消能減震技術(shù)加固房屋設(shè)計(jì)方法進(jìn)行全過程分析，其具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示，主要設(shè)計(jì)步驟有：①加固前對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估，明確存在的缺陷；②設(shè)定加固后結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)目標(biāo)；③耗能裝置的配置和參數(shù)設(shè)計(jì)；④減震控制效果分析；⑤原結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固形式的確定；⑥抗震驗(yàn)算與安全性評(píng)價(jià)[6]。

（1）原房屋結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)價(jià)工作主要由檢測單位依據(jù)相關(guān)鑒定規(guī)范進(jìn)行，消能減震設(shè)計(jì)主要由加固設(shè)計(jì)單位或相關(guān)耗能器產(chǎn)品單位完成，而原結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固及加固后房屋抗震能力評(píng)估主要由加固設(shè)計(jì)單位進(jìn)行。

（2）關(guān)于消能減震部分的設(shè)計(jì)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究和實(shí)踐工作，如：鄧明科等[7]提出了基于能力譜法進(jìn)行減震設(shè)計(jì)的方法；c h o i等[8]提出基于滯回耗能譜和累積延性譜的性能化減震設(shè)計(jì)方法；B e n a v e n t-C l i me n t[9]提出了基于能量的減震加固設(shè)計(jì)方法；翁大根等[6、10]等提出了契合中國規(guī)范的附加黏滯阻尼器和附加金屬阻尼器實(shí)用設(shè)計(jì)方法等。附加消能器對(duì)房屋主體結(jié)構(gòu)的減震作用主要體現(xiàn)在附加阻尼比和有效剛度上[11]。目前，關(guān)于消能器的附加阻尼比計(jì)算方法主要有規(guī)范法[11、12]、自由振動(dòng)衰減法[13]和模態(tài)阻尼耗能法[14]等，其附加阻尼和附加剛度一般采用S A P 2 0 0 0、E t a b s等有限元軟件進(jìn)行分析得到，而減震主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則一般采用常規(guī)設(shè)計(jì)軟件。

圖1 采用消能減震技術(shù)加固設(shè)計(jì)流程

（3）消能器與房屋主體的連接是否有效直接影響著消能器工作效率的發(fā)揮，建筑結(jié)構(gòu)消能減震（振）設(shè)計(jì)圖集[15]中給出了各類消能器的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，翁大根、楊凱等[16]亦提出了一種U型鋼套的消能支撐連接方式并驗(yàn)證了該方式的有效性，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件做合理的設(shè)計(jì)。另外，與消能器直接相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，往往承受著較大的附加內(nèi)力，該部分構(gòu)件若過早地屈服發(fā)生較大塑性變形，將大大降低消能器的消能效果。因此，相關(guān)規(guī)程[12]規(guī)定，“消能子結(jié)構(gòu)中的相關(guān)構(gòu)件應(yīng)考慮消能器在極限位移或極限速度下的附加阻尼力作用等”。

（4）采用常規(guī)設(shè)計(jì)軟件對(duì)消能減震主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，目前主要是將消能器的附加阻尼作用通過增大結(jié)構(gòu)整體阻尼比的方法進(jìn)行考慮，附加剛度作用則采用等效鋼支撐的方法進(jìn)行考慮?？紤]減震作用之后仍有不足的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，常結(jié)合局部外包鋼、粘貼碳纖維及擴(kuò)大截面的方法進(jìn)行加固。

（5）對(duì)于附加金屬阻尼器減震結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的設(shè)定，則需結(jié)合我國現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)來確定。實(shí)際減震分析中，對(duì)于大震工況下的減震控制效果分析，通常的做法是利用纖維單元模型做動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，或者設(shè)定框架塑性鉸進(jìn)行靜力非線性p u s h o v e r分析，但計(jì)算工作量較大。因此，工程中為了簡化計(jì)算，有時(shí)也會(huì)結(jié)合結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況而近似采用剛度打折的方法[13]。

2 工程案例分析

現(xiàn)引用某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震加固工程來詳細(xì)闡述消能減震技術(shù)用于房屋加固設(shè)計(jì)的全過程。

2.1 工程概況及抗震鑒定結(jié)果

該項(xiàng)目為1棟7層的鋼筋混凝土框架辦公樓，其中主體結(jié)構(gòu)6層，7層為屋面電梯機(jī)房。該樓原設(shè)計(jì)按 7 度（0.1 5 g）進(jìn)行抗震設(shè)防，框架等級(jí)為二級(jí)，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1 5 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜特征周期0.4 s。由于業(yè)主要求，需對(duì)該房屋進(jìn)行抗震加固?？拐鹪O(shè)防烈度由7 度（0.1 5 g）提高到8 度（0.3 g），設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.3 0 g。根據(jù)檢測單位提供的抗震鑒定報(bào)告，房屋結(jié)構(gòu)存在層間位移角不滿足規(guī)范限值要求，房屋部分框架梁、柱配筋不滿足計(jì)算要求等問題，需要對(duì)房屋進(jìn)行整體加固。

2.2 消能減震結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)

考慮到房屋仍處于正常使用中，業(yè)主希望盡可能減少濕作業(yè)面和總體加固量。故本次采用消能減震的方法對(duì)房屋進(jìn)行抗震加固。減震加固目標(biāo)為：房屋總體抗震能力提高1度。

2.3 消能器布置和參數(shù)設(shè)計(jì)

為后續(xù)分析方便，現(xiàn)約定將未加固的原結(jié)構(gòu)記為S T 0結(jié)構(gòu)，將采用耗能器進(jìn)行抗震加固的減震結(jié)構(gòu)記為S T 1結(jié)構(gòu)。

（1）對(duì)房屋原結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到主體結(jié)構(gòu)基本信息（表1、2）。

（2）按照文獻(xiàn)[6、1 0]提供的方法配置消能器。本項(xiàng)目采用金屬消能器，其附加屈服阻尼力實(shí)配值見表3，消能器具體型號(hào)、布置方案和產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)見表4、5和圖2、3。

2.4 減震控制效果分析

為考查和評(píng)估耗能器的減震效果，本文采用時(shí)程分析方法對(duì)減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。輸入的時(shí)程采用擬合規(guī)范反應(yīng)譜的人工時(shí)程記錄和天然時(shí)程記錄，選取的時(shí)程曲線及擬合反應(yīng)譜見圖4～1 0。

表1 不同有限元模型S T 0的基本振型及周期信息

表2 S T 0結(jié)構(gòu)在8度小震下的基本信息

表3 附加屈服阻尼力實(shí)配置

表4 耗能器布置方案

表5 附加耗能器設(shè)計(jì)參數(shù)

在8度（0.3 g）設(shè)防烈度作用下，僅考慮金屬消能器的非線性而保持房屋主體結(jié)構(gòu)的線彈性。對(duì)7條地震時(shí)程下原結(jié)構(gòu)模型S T 0和減震結(jié)構(gòu)模型S T 1的響應(yīng)均值進(jìn)行對(duì)比分析，相關(guān)結(jié)果見表6、7和圖1 1。設(shè)防烈度地震下層間位移角的性能目標(biāo)按照1/2 0 0控制。

2.5 原結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固

將消能器對(duì)房屋主體結(jié)構(gòu)的消能效果計(jì)入主體結(jié)構(gòu)計(jì)算中，常用的方法是將消能器對(duì)結(jié)構(gòu)的附加阻尼比代入傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件來近似考慮消能器的消能作用，并以等代鋼桿的方法來近似考慮消能器的附加剛度作用。

圖2 結(jié)構(gòu)1層附加耗能器布置圖

圖3 結(jié)構(gòu)2～5層附加耗能器布置圖

圖4 X I N 1人工地震波時(shí)程曲線及其擬合反應(yīng)譜

圖5 X I N 3人工地震波時(shí)程曲線及其擬合反應(yīng)譜

圖6 I MP V A L天然地震波時(shí)程曲線及其擬合反應(yīng)譜

本項(xiàng)目中，計(jì)入附加阻尼比和附加剛度后，房屋結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的層間位移角、位移比等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。針對(duì)附加耗能器后配筋仍有不足的個(gè)別結(jié)構(gòu)構(gòu)件，采用外包型鋼、黏貼碳纖維等方法進(jìn)行加固。對(duì)消能子結(jié)構(gòu)，考慮到消能器的連接，采用外包型鋼的方法進(jìn)行加固。

2.6 抗震驗(yàn)算

針對(duì)減震加固后房屋結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性變形驗(yàn)算，本文采用靜力彈塑性分析方法（pushover）進(jìn)行。鑒于在罕遇地震下，消能器的附加剛度作用往往較小，故可忽略等效附加剛度而僅考慮消能器附加阻尼。采用PKPM系列EPDA/PUSH軟件進(jìn)行分析，推覆曲線見圖1 3、1 4。可以看出，減震加固后，房屋結(jié)構(gòu)在大震下的彈塑性層間位移角能夠滿足抗震規(guī)范的相關(guān)要求，減震加固達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)語

圖7 9 6 3 N O R T H R天然地震波時(shí)程曲線及其擬合反應(yīng)譜

圖8 C H I C H I天然地震波時(shí)程曲線及其擬合反應(yīng)譜

圖9 K O C A E L I天然地震波時(shí)程曲線及其擬合反應(yīng)譜

圖10 H E C T O R天然地震波時(shí)程曲線及其擬合反應(yīng)譜

綜上所述，本文結(jié)合工程案例，針對(duì)消能減震技術(shù)運(yùn)用于房屋加固工程的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了全過程分析。結(jié)果表明：減震加固后，房屋結(jié)構(gòu)在大震下的彈塑性層間位移角能夠滿足抗震規(guī)范的相關(guān)要求，減震加固達(dá)到預(yù)期效果，可為后續(xù)的改造工程提供借鑒。

表6 8度設(shè)防烈度地震作用下S T 0結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果（均值）

表7 8度設(shè)防烈度地震作用下S T 1結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果（均值）

圖11 8度設(shè)防烈度地震下層間位移角對(duì)比圖

圖12 8度設(shè)防烈度地震作用下剪力對(duì)比圖

圖13 減震加固后房屋結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的X向推覆曲線圖

圖14 減震加固后房屋結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的Y向推覆曲線圖

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