阻尼器在高層教學樓結(jié)構(gòu)加固中的作用★

成琬玥 何 斌,2 納曼·麥麥提,2 柯 譜,2 徐 靜

(1.喀什大學土木工程學院，新疆 喀什 844008； 2.喀什大學建筑設(shè)計研究中心(所)，新疆 喀什 844008)

中小學在地震作用下的安全問題在汶川地震后得到了相當?shù)闹匾暋２捎谜硿枘崞髯鳛楦郊幼枘岬姆绞郊庸啼摻罨炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)案例中，楊康(2016)將6層結(jié)構(gòu)的等效阻尼比由5%提高至19%，阮錦發(fā)(2016)將6層結(jié)構(gòu)等效阻尼比由5%提高至13%。采用軟鋼阻尼器作為附加阻尼的案例中，陳曉彬(2016)將5層結(jié)構(gòu)增加了2%的附加阻尼比；吳道敏(2017)將3層(局部4層)的結(jié)構(gòu)增加附加阻尼比為3%。因此可以較大幅度的改善原結(jié)構(gòu)在地震中的反應。本文對采用附加阻尼的加固方式進行簡要描述，并以一框架—剪力墻結(jié)構(gòu)為案例論述該方法的有效性。

1 有阻尼系統(tǒng)的受迫振動

結(jié)構(gòu)在地震中的反應，在一定程度上可以視為有阻尼體系在激勵下的強迫振動。對于如圖1所示的單自由度在周期性荷載作用下，采用無量綱表示的系統(tǒng)運動方程為：

(1)

采用振幅放大因子H和相頻φ衡量有阻尼振動的頻幅特性，其中:

(2)

(3)

其中，λ為周期性激勵的頻率和體系固有頻率的比值，λ=Ω/ωn。針對λ取值范圍為0～3，分別取ζ=0.05，0.10，0.15，0.25，0.5，1.0，根據(jù)式(2)和式(3)可以得出H—λ和φ—λ的相關(guān)曲線如圖2所示。

由圖2可知，當在共振區(qū)附加，阻尼比的增加可以有效的降低系統(tǒng)的振幅，對于結(jié)構(gòu)而言，則可以有效降低地震中與結(jié)構(gòu)自振周期相近的分量對結(jié)構(gòu)作用的影響。同時阻尼對相位角滯后也有一定影響。

2 結(jié)構(gòu)減震控制設(shè)計

消能減震設(shè)計的關(guān)鍵在于合理選用附加阻尼比，從宏觀上控制減震目標，同時合理選用阻尼器的類型和布置方式。其分析流程簡單描述如下：

1)對未設(shè)置阻尼器的結(jié)構(gòu)進行抗震計算，獲得其基本動力特性、第一階段設(shè)計下的層間位移角和第二階段設(shè)計下的薄弱層部位等；

2)根據(jù)《規(guī)范》對結(jié)構(gòu)層間位移角、薄弱層部位的彈塑性層間變形等性能要求，通過附加阻尼比的方式試算，確定減震目標；

3)根據(jù)所需附加阻尼比的具體情況選擇阻尼器類型及初步確定阻尼比數(shù)量；根據(jù)結(jié)構(gòu)的豎向剛度分布情況進行阻尼器布置；

4)建立具有阻尼器的結(jié)構(gòu)整體模型，并進行時程分析，校核結(jié)構(gòu)宏觀指標，判定增設(shè)的阻尼器所產(chǎn)生的附加阻尼比；如果該阻尼比與2)所要求的目標基本一致，則進入下一環(huán)節(jié)，否則重新選擇布置阻尼器并建立整體模型驗算；

5)針對未設(shè)置阻尼器的結(jié)構(gòu)模型，采用由步驟4)所確定的阻尼比進行抗震計算，確定整體結(jié)構(gòu)反應，并進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計；

6)針對阻尼器附件的構(gòu)件，采用步驟4)的具有阻尼器的結(jié)構(gòu)整體模型進行抗震驗算，并與步驟5)中相關(guān)構(gòu)件計算結(jié)果進行對比，進行此類構(gòu)件的截面設(shè)計；

7)根據(jù)步驟4)的計算結(jié)果，對阻尼器進行細部設(shè)計。

整個設(shè)計流程可以通過PKPM的最新版本實現(xiàn)，根據(jù)GB 50011建筑抗震設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求，可以采用盈建科、邁達斯或ETABS/SAP2000等軟件進行設(shè)計或校核。

3 案例

某教學樓為10層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，屋面高度34 m，建筑平面圖如圖3所示。該建筑所處的場地類別為Ⅳ類場地，抗震設(shè)防烈度為7度，為乙類建筑。計算采用ETABS(V9.7.3)非線性版計算軟件。

建立結(jié)構(gòu)三維空間有限元模型如圖4所示，采用軟鋼阻尼器的力學性能如表1所示，標準層阻尼器布置如圖5所示。

表1 力學性能

以El Centro-NW作為天然波輸入，可以獲得7度(0.10g)多遇地震作用下、罕遇地震作用下薄弱層的阻尼器滯回曲線分別如圖6，圖7所示。

通過計算可以知道，多遇地震下軟鋼阻尼器的使用增加了原結(jié)構(gòu)的層間抗側(cè)剛度；罕遇地震作用下，軟鋼阻尼器的使用增加了結(jié)構(gòu)的耗能能力，軟鋼阻尼器先于結(jié)構(gòu)進入塑性狀態(tài)，通過彈塑性滯回耗散大量地震能力，保護主體結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件免遭地震損壞。

4 結(jié)語

教學樓由于其使用功能的限制，通常為多層。但是隨著城市化進程，也出現(xiàn)部分教學樓采用高層建筑形式，對于此類結(jié)構(gòu)的加固需要做特殊的研究。本文描述使用軟鋼阻尼器加固10層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)對此類結(jié)構(gòu)的加固提供了有益探索。通過時程分析表明，在多遇地震和罕遇地震中增設(shè)軟鋼阻尼器作用形式有所不同，但均改善了整體結(jié)構(gòu)抗震性能。

[1] 吳道敏,張 慶.某綜合樓消能減震設(shè)計研究[J].低溫建筑技術(shù),2017,39(6):53-57.

[2] 阮錦發(fā).某中學活動中心消能減震加固設(shè)計[J].福建建筑,2016(12):25-30.

[3] 陳曉彬,潘 文,白 羽,等.高烈度區(qū)框架結(jié)構(gòu)裝設(shè)黏滯阻尼器的減震控制分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2016,46(S1):391-394.

[4] 楊 康,張志強,周 晨.某中學框架結(jié)構(gòu)減震優(yōu)化控制及抗震加固分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2016,46(5):29-33.