既有結(jié)構(gòu)的性能化消能減震加固分析

周力強(qiáng)，王玉山,2，廖歡

(1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003； 2新疆兵團(tuán)高烈度寒區(qū)建筑抗震節(jié)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

近年來，我國地震災(zāi)害頻繁出現(xiàn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，造成的地震災(zāi)害主要是城市建筑物的倒塌。針對這一問題，我國在2015年頒布了第5代《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，提高全國部分區(qū)域抗震設(shè)防烈度[1]，使得新建建筑物的抗震能力大幅度增加，保障了人民的生命安全，但是既有結(jié)構(gòu)的抗震性能不滿足現(xiàn)有抗震規(guī)范要求，在地震發(fā)生時(shí)將造成既有結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。在此背景下，對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)是解決這既有建筑抗震性能不足的一種有效方法。

我國對既有結(jié)構(gòu)的抗震加固研究于20世紀(jì)60年代開始，逐漸在全國范圍內(nèi)推廣實(shí)施[2-5]。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，提高既有結(jié)構(gòu)抗震性能的加固方法主要有傳統(tǒng)抗震加固和消能減震加固2種。傳統(tǒng)抗震加固方法的主要措施是通過對既有結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件進(jìn)行加固，在不改變原既有結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，使既有結(jié)構(gòu)的抗震承載力和延性滿足現(xiàn)行抗震要求，現(xiàn)在開始大量使用的傳統(tǒng)加固方法主要有增大混凝土截面、粘貼鋼板、粘貼碳纖維、鋼板圍套等加固方法[6-8]。通過使用傳統(tǒng)的加固能使既有結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足要求，達(dá)到了一定的效果，但是也存在施工困難、造價(jià)大且加固效果并不明顯的不足，所以，引出消能減震加固方法，不僅能使結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度提高后抗震性能滿足要求，而且對施工要求、經(jīng)濟(jì)都具有一定的減少。消能減震加固技術(shù)[9]是通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器來消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量的途徑實(shí)現(xiàn)加固，當(dāng)阻尼器設(shè)置在結(jié)構(gòu)后，為結(jié)構(gòu)提供的附加阻尼耗散地震能量，不僅能有效提高既有結(jié)構(gòu)的抗震性能，而且可減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)而達(dá)到預(yù)期的抗震目標(biāo)和有效作用，同時(shí)保證既有結(jié)構(gòu)加固的實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性。

消能減震的概念是20世紀(jì)70年代Kelly等提出，結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)方法和工程應(yīng)用都有了新的變革。近年很多強(qiáng)震的記錄推動(dòng)了結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力分析方法的發(fā)展，同時(shí)，許多應(yīng)用于試驗(yàn)的大型加載設(shè)備的成功制造又推動(dòng)消能減震阻尼器的制造以及消能減震技術(shù)取得了重大的進(jìn)展。目前，應(yīng)用消能減震技術(shù)提高新建結(jié)構(gòu)抗震性能的研究已經(jīng)趨于成熟，但對設(shè)防烈度提高一度的既有結(jié)構(gòu)消能減震加固的研究仍然存在不足，主要是沒有考慮基于性能化的消能減震加固的理想模式。本文以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對象，基于時(shí)程分析方法采用PERFORM-3D有限元軟件對既有建筑進(jìn)行性能化消能減震加固分析，并通過合理增設(shè)阻尼器后對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析，從而解決設(shè)防烈度提高后既有結(jié)構(gòu)抗震性能指標(biāo)等不滿足現(xiàn)有抗震規(guī)范要求的問題。

1 工程概況

本工程位于新疆某市，無地下室，地上4層，結(jié)構(gòu)總建筑面積為2808.67 m2。一層層高3.9 m，2-4層層高3.6 m，主體結(jié)構(gòu)總高度14.70 m，原既有結(jié)構(gòu)平面布置為矩形，結(jié)構(gòu)三維圖如圖1所示。原結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，特征周期為0.45 s，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15 g，場地類別Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第3組，設(shè)防類別為丙類，抗震等級為三級。

圖1 結(jié)構(gòu)三維圖Fig.1 Three-dimensional structure diagram

原結(jié)構(gòu)框架柱的截面尺寸為500 mm×500 mm、550 mm×550 mm，框架梁的截面尺寸主要為300 mm×750 mm、300 mm×600 mm、250 mm×700 mm、250 mm×600 mm；次梁截面尺寸主要為250 mm×500 mm，板厚100 mm；主筋和箍筋分別采用HRB400級鋼筋和HPB300級鋼筋，梁、板、柱皆采用C30級混凝土，設(shè)計(jì)樓面恒載為4.8 kN/m2，活載為2.0 kN/m2。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.2 Standard layer structure layout

參照現(xiàn)行《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，本既有結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度由7度提高為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度提高為0.2 g，抗震等級由三級提高為二級，采用反應(yīng)譜法對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下抗震性能驗(yàn)算，結(jié)果顯示：設(shè)防烈度提高后，柱子軸壓比和位移角不滿足現(xiàn)規(guī)范的要求。針對抗震設(shè)防烈度提高后既有結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的主要問題，引入消能減震技術(shù)，通過在既有結(jié)構(gòu)中合理增設(shè)粘滯阻尼器提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全儲備，利用基于性能的設(shè)計(jì)方法，在保障抗震構(gòu)造措施不變的前提下，采用消能減震技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中新增的第12.3.8條規(guī)定：當(dāng)消能減震的地震影響系數(shù)不到非消能減震的50%時(shí)，既有結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯提高，抗震構(gòu)造要求可降低1 度，同時(shí)柱子軸壓比達(dá)到規(guī)范要求，也解決了既有結(jié)構(gòu)層間位移角不足的問題。

2 減震性能目標(biāo)

目前，抗震性能化理論在復(fù)雜高層建筑的設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用[11]，通過合理設(shè)定結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)及抗震設(shè)防目標(biāo)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，對設(shè)防烈度提高后，既有結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)不滿足規(guī)范要求，可通過消能減震技術(shù)提高結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[10]要求，減震結(jié)構(gòu)的設(shè)防目標(biāo)高于常規(guī)結(jié)構(gòu)(小震不壞，中震可修，大震不倒)。本工程設(shè)防烈度提高后，為了保證結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，參考《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》[12]和《建筑消能減震應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[13]，以層間位移角為量化指標(biāo)，對結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)進(jìn)行控制。當(dāng)前國際公認(rèn)的非線性應(yīng)力—應(yīng)變(廣義)關(guān)系如圖3所示，其中，縱坐標(biāo)Q/Qy表示彎矩與屈服彎矩之比，橫坐標(biāo)θ表示轉(zhuǎn)角，構(gòu)件的性能水準(zhǔn)有離散的三個(gè)性能點(diǎn)，立即使用(IO)：地震后不間斷運(yùn)行，稍加修理后可立即使用。生命安全(LS)：地震后間斷運(yùn)行，經(jīng)適當(dāng)修理后可以繼續(xù)使用。防止倒塌(CP)：地震時(shí)嚴(yán)重破壞，但仍未倒塌，地震后幾乎不能繼續(xù)使用。本文工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件以中國規(guī)范為基礎(chǔ)，參照ASCE 41-06性能水準(zhǔn)，制訂的具體減震性能目標(biāo)如表1所示。

圖3 性能水準(zhǔn)Fig.3 Performance levels

表1 減震性能目標(biāo)Tab.1 Damping performance goals

3 消能減震加固分析

3.1 模型驗(yàn)證

結(jié)構(gòu)模型由軟件 PKPM 建模導(dǎo)入 ETABS 中，使用膜單元模擬樓板，使用連接單元準(zhǔn)確模擬粘滯阻尼器。對ETABS軟件建立的模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的前三階周期、基底剪力和質(zhì)量與PKPM模型分析結(jié)果(表2)，表2顯示：2種軟件的質(zhì)量和前三階周期的比值差異不大于3.0%，基底剪力在X方向和Y方向差異均較小。說明ETABS建立模型與PKPM模型吻合良好。

表2 模型對比表Tab.2 Model comparison table

3.2 阻尼器的布置和數(shù)量

阻尼器的布置方式、支撐方式是提高結(jié)構(gòu)抗震性能、滿足工程經(jīng)濟(jì)和建筑物使用要求的重要因素。根據(jù)《建筑消能減震應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[13]以及提供的建筑設(shè)計(jì)圖、結(jié)構(gòu)布置圖，結(jié)合現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的狀況及特點(diǎn)綜合考慮，確定在1和2層沿X、Y二個(gè)主軸方向分別設(shè)置2個(gè)粘滯阻尼器，3層X、Y向分別設(shè)置布置1個(gè)，阻尼器總數(shù)為10個(gè)，X個(gè)向布置5個(gè)，Y向布置5個(gè)。具體布置圖見圖4、圖5所示。

圖4 一、二層阻尼器平面布置圖Fig.4 Floor plan of damper on first or second floor

圖5 三層阻尼器平面布置圖Fig.5 Floor plan of damper on the third floor

設(shè)計(jì)粘滯阻尼器的參數(shù)時(shí)，既要考慮到減震效果，同時(shí)也要保證對結(jié)構(gòu)的主體擾動(dòng)過大，因此，確定的阻尼器參數(shù)需要相互協(xié)調(diào)，使結(jié)構(gòu)在充分減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)的同時(shí)基底剪力的大小在可接受的范圍內(nèi)。本工程粘滯阻尼器的支撐方式為墻撐式，水平放置，夾角為0°，阻尼系數(shù)C=700 kN/(s/m),阻尼指數(shù)α=0.3，依據(jù)《建筑消能減震應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[13]，采用粘滯阻尼器時(shí)，結(jié)構(gòu)各層消能構(gòu)件的最大阻尼力與主體結(jié)構(gòu)的層間剪力和層間位移乘積的比值宜接近。最大阻尼力與層間剪力和層間位移乘積的比值如表3所示，通過對比分析X向和Y向采用上述阻尼器參數(shù)對結(jié)構(gòu)層間位移具有較好的控制效果。

表3 最大阻尼力與主體結(jié)構(gòu)的層剪力和層位移的乘積之比Tab.3 The ratio of the maximum damping force to the product of the layer shear force and the layer displacement of the main structure

3.3 輸入地震動(dòng)

使用時(shí)程分析法對結(jié)構(gòu)分析時(shí)，選擇合適的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)才能模擬結(jié)構(gòu)真實(shí)的抗震性能，這對預(yù)防地震作用具有重要意義。本文根據(jù)場地類別和設(shè)計(jì)地震分組，選擇了2條實(shí)際強(qiáng)震記錄Big Bear-01_ NO_907(TRB1)和Kocaiwan-06_NO_1172(TRB2)和1條人工模擬的加速度時(shí)程曲線ArtWaveRH2TG045(RGB)，3條加速度時(shí)程曲線如圖6所示。

圖6 地震波的時(shí)程曲線圖Fig.6 Time history curve of seismic wave

地震波的選擇應(yīng)符合建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[10]地震波滿足的要求，保證在前三周期點(diǎn)上平均地震響應(yīng)曲線與陣型反應(yīng)譜法相差小于20%，對2條實(shí)際強(qiáng)震記錄和1條人工模擬加速度時(shí)程曲線與規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行對比分析，結(jié)果(圖7)顯示：3條地震波的平均值曲線與規(guī)范反應(yīng)譜曲線具有一致性。

3.4 彈性時(shí)程分析

采用有限元軟件ETABS對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析在ETABS中，框架梁和框架柱均采用桿單元模擬，樓板用膜單元模擬，粘滯阻尼器使用link單元建立模型，結(jié)構(gòu)的非線性單元建立等效彈性剛度矩陣，能有效減少迭代步數(shù)，使方程快速收斂[15]，因此，ETABS更適合分析設(shè)有有限個(gè)非線性單元的結(jié)構(gòu)。層間位移角是衡量結(jié)構(gòu)變形能力是否滿足建筑功能要求的重要指標(biāo)。對結(jié)構(gòu)設(shè)置阻尼器前后層間位移角、層間剪力對比分析，結(jié)果如圖8、表4所示。

圖7 規(guī)范譜和反應(yīng)譜圖Fig.7 Specification spectrum and reaction spectrum

圖8 小震層間位移角Fig.8 Story drift between small earthquakes

表4 小震層間剪力Tab.4 Shear force between small earthquakes

由圖8可知：3條地震響應(yīng)曲線作用下，非減震結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角分別為1/571、1/491和1/483，Y向最大層間位移角分別為1/530、1/451和1/479，不滿足規(guī)范限值1/550的要求；既有結(jié)構(gòu)在設(shè)置粘滯阻尼器后最大層間位移角大幅度減小，X向最大層間位移角分別為1/3078、1/2409和1/3129，Y向最大層間位移角分別為1/1033、1/735和1/1019，減震結(jié)構(gòu)滿足框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角限值1/550的要求；X向、Y向最大層間位移角包絡(luò)值減震率(減震率是非減震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)的差與非減震結(jié)構(gòu)的比值)分別為84.56%、52.99%。

由非減震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)的層間剪力相比較結(jié)果(表4)可知：既有結(jié)構(gòu)在設(shè)置粘滯阻尼器后，機(jī)構(gòu)層間剪力有明顯減小，結(jié)構(gòu)基底剪力相比原結(jié)構(gòu)降低50% 以上(降低一度)。

比較減震前后樓層剪力與層間位移角的變化趨勢可知：結(jié)構(gòu)設(shè)置粘滯阻尼器后，各樓層剪力和層間位移角相比非減震結(jié)構(gòu)降低50%左右(降低一度)?？傮w而言，多遇地震作用下，粘滯阻尼器在既有結(jié)構(gòu)中耗能明顯，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)滿足規(guī)范要求，達(dá)到了預(yù)定的抗震設(shè)防目標(biāo)。

3.5 彈塑性時(shí)程分析

采用有限元軟件PERFORM-3D進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，其中梁、柱均采用集中塑性鉸模型，梁采用M鉸，柱采用PMM，粘滯阻尼器由一個(gè)Fluid Damper單元與一個(gè)Elastic Bar單元串聯(lián)模擬，只抵抗軸力。為了保證彈塑性時(shí)程計(jì)算結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，將PERFORM-3D模型與PKPM模型進(jìn)行質(zhì)量、周期的對比，2種軟件建立模型差異在3%以內(nèi)，模型吻合良好。

彈塑性時(shí)程分析時(shí)，地震響應(yīng)曲線采用彈性時(shí)程分析地震波進(jìn)行計(jì)算，在PERFORM-3D有限元軟件中采用單向地震輸入，得到中、大震下的地震響應(yīng)，最終計(jì)算結(jié)果選取3條地震波作用下的包絡(luò)值。

彈塑性時(shí)程分析的動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果(表5)表明：設(shè)置粘滯阻尼器后，結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯改變，中震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角1/401，變形小于1/275(2倍的彈性層間位移角限值)，大震作用下最大層間位移角為1/198，變形小于1/138(4倍的彈性層間位移角限值)，減震結(jié)構(gòu)達(dá)到“中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，且滿足性能目標(biāo)3的要求。

表5 中、大震層間位移角Tab.5 Comparison table of story drift

以天然波(TRB01)為例分析消能減震結(jié)構(gòu)在中震和大震作用下結(jié)構(gòu)的出鉸情況，將原結(jié)構(gòu)和消能減震加固結(jié)構(gòu)中同一構(gòu)件的損傷進(jìn)行對比分析，觀察局部構(gòu)件的減震效果其中，中震作用下原結(jié)構(gòu)與消能減震結(jié)構(gòu)主框架梁和框架柱塑性鉸分布情況如圖9、圖10所示，大震作用下原結(jié)構(gòu)與消能減震結(jié)構(gòu)主框架梁和框架柱塑性鉸分布情況如圖11、圖12所示，圖9-12中出鉸顏色對應(yīng)的意義為OP≤藍(lán)

圖9 中震作用下原結(jié)構(gòu)梁、柱塑性鉸Fig.9 Plastic hinge of beam and column oforiginal structureunder the action of moderate earthquake

圖12 大震作用下減震結(jié)構(gòu)梁、柱塑性鉸發(fā)展示意圖Fig.12 Plastic hinge of beam and column of damping structure under the action of large earthquake

由TRB01波作用下原結(jié)構(gòu)框架梁和框架柱塑性鉸分布(圖9、圖11)可知：中震作用下原結(jié)構(gòu)最大變形處于有限安全性能階段，小于CP控制點(diǎn)；大震作用下原結(jié)構(gòu)一層梁柱構(gòu)件超過有限安全性能階段。

由消能減震結(jié)構(gòu)框架梁和框架柱塑性鉸分布(圖10、圖12)可知：中震作用下減震結(jié)構(gòu)框架梁和框架柱最大變形處于運(yùn)行控制階段，小于IO控制點(diǎn)；大震作用下框架梁的損傷相對框架柱更為嚴(yán)重，符合“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)思想，減震結(jié)構(gòu)框架梁最大變形處于有限安全階段，小于CP控制點(diǎn)，框架柱最大變形處于破控制段，小于LS控制點(diǎn)。

綜上所述：消能減震結(jié)構(gòu)受力及變形機(jī)制合理，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)較大的損壞，滿足預(yù)期的性能目標(biāo)要求。

此外，原結(jié)構(gòu)塑性鉸最先出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)第1層和第2層，在地震作用下?lián)p傷最嚴(yán)重，在采用粘滯阻尼器后，消能減震結(jié)構(gòu)框架梁和框架柱塑性鉸在第2層的數(shù)量減少，損傷情況得到了較好的控制，各樓層的損傷程度都有減小，釆用粘滯阻尼器的加固方法成功的提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低了結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷程度。

4 結(jié)論

(1)對于設(shè)防烈度提高后抗震性能不滿足規(guī)范的既有結(jié)構(gòu)，本文基于性能化的設(shè)計(jì)方法對工程結(jié)構(gòu)設(shè)置粘滯阻尼器后，消能減震結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯提高，達(dá)到了預(yù)定的抗震設(shè)防目標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)既有結(jié)構(gòu)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，且滿足性能目標(biāo)3的要求。

(2)消能減震結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的非減震結(jié)構(gòu)相比，設(shè)有粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)對地震的減震效果較好，可有效提升結(jié)構(gòu)的抗震能力，因此，對設(shè)防烈度提升后，采用設(shè)置粘滯阻尼器這種消能減震技術(shù)對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)既有建筑的加固是一種非常有效的手段。