某養(yǎng)老建筑單跨框架結(jié)構(gòu)的減震加固抗震分析

孟 磊

(安徽省金田建筑設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230051)

1 工程概況

本項目位于合肥市蜀山區(qū)科學(xué)大道8號。原結(jié)構(gòu)為六層現(xiàn)澆混凝土單跨框架結(jié)構(gòu)房屋,抗震設(shè)防烈度7度第一組,設(shè)計基本地震加速度0.1g。建筑面積約3 909.42m2,柱下獨立基礎(chǔ),地上 6 層、地下 0層,其中框架柱截面為500mm×500mm,框架主梁尺寸主要為240mm×650mm和240mm×400mm。建筑高度為18.3m,層高均為3m。建造年代為2004年。原建筑使用功能為宿舍,框架抗震等級為三級。改造后使用功能為:一、二層改造后主要功能為老年人活動中心,3F改造后主要功能為老年人日間照料中心,四至六層改造后主要功能為老年人照護(hù)中心。改造后框架抗震等級為二級。建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1所示。

圖1 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2 確定加固方案

本工程屬養(yǎng)老建筑,根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[1]類比原則屬重點設(shè)防類建筑。在Y方向上僅有兩排框架柱,屬于單跨框架結(jié)構(gòu),不滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[2]第6.1.5中乙類建筑不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)的要求,需要對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行加固。常用加固方法有增加框架跨數(shù)法、增設(shè)剪力墻法和采用消能減震加固法。由于增加框架跨數(shù)法對本項目而言形成了大小跨組成的兩跨框架,在重力荷載及多遇地震下小跨框架柱受拉,形成排架柱對結(jié)構(gòu)抗震性能無明顯改善,且須進(jìn)行基礎(chǔ)開挖。增設(shè)剪力墻法可利用房屋的樓、電梯間等位置布置適當(dāng)數(shù)量的剪力墻以形成框架剪力墻結(jié)構(gòu)或少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu),從而改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,但增設(shè)剪力墻后現(xiàn)場濕作業(yè)較多并需開挖基礎(chǔ)且施工較慢。消能減震加固設(shè)計法是根據(jù)多遇地震下的預(yù)期減震要求及罕遇地震下的預(yù)期結(jié)構(gòu)位移要求,沿結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向分別設(shè)置適當(dāng)?shù)南懿考?該法有利于提高整個結(jié)構(gòu)的消能減震能力,形成均勻合理的受力體系,設(shè)計上較為合理且現(xiàn)場施工較快。綜合比較,采用消能減震加固法。

3 消能減震裝置的布置方案

在本工程減震設(shè)計中,為更好發(fā)揮消耗地震能量的作用,經(jīng)反復(fù)對比各層剪力和位移角,沿結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向和結(jié)構(gòu)變形較大的部位共設(shè)置20個滯阻尼器(型號噸位一致),6根屈曲約束支撐(BRB)。黏滯阻尼器、BRB及支撐的平面布置位置如圖2、圖3所示。

圖2 加阻尼器結(jié)構(gòu)ETABS模型

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層阻尼器布置平面圖

4 地震波的選取

本工程實際選取了5條天然波和2條人工波,按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[2]提供的小震主方向峰值加速度35gal和三向分量之比(水平主向∶水平次向∶豎向=1.00∶0.85∶0.65)調(diào)整后分別沿建筑物兩個主軸各輸入一次,進(jìn)行時程分析。前三階周期地震影響系數(shù)對比見表1。表1表明所選的7條時程波滿足《抗規(guī)》的規(guī)定要求。

表1 前三階周期地震影響系數(shù)對比

5 消能減震效果對比分析

為方便非消能減震結(jié)構(gòu)與消能減震結(jié)構(gòu)對比,將所建結(jié)構(gòu)模型分為如下兩種結(jié)構(gòu)狀態(tài):結(jié)構(gòu)1(ST0)為不設(shè)阻尼器的主體結(jié)構(gòu)模型;結(jié)構(gòu)2(ST1)為增設(shè)阻尼器后的主體結(jié)構(gòu)模型。

對于多遇地震作用下的彈性工況分析內(nèi)容包括:結(jié)構(gòu)減震前后的層間剪力及層間位移角對比、阻尼器在多遇地震下的實際等效附加阻尼比計算和滯回耗能分析等。

對于罕遇地震的工況分析內(nèi)容包括:罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能的分析、結(jié)構(gòu)減震前后屈服機(jī)制和非線性狀態(tài)的對比、附加黏滯阻尼器的設(shè)計承載力和設(shè)計行程校核。

5.1 多遇地震作用下消能減震結(jié)構(gòu)彈性分析

基于前面建立的ETABS模型(與YJK模型對比驗證其準(zhǔn)確性),對消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的彈性分析,計算結(jié)果取采用地震波平均值與CQC包絡(luò)值進(jìn)行小震彈性設(shè)計。

5.1.1ST0與ST1結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)比較

在多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)1(ST0)和結(jié)構(gòu)2(ST1)輸入7條地震波的計算結(jié)果分別如圖4、圖5所示。由圖示可見消能減震結(jié)構(gòu)(ST1)在多遇地震作用下的層間剪力和層間位移角明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)(ST0),這表面結(jié)構(gòu)在消能減震之后的抗震性能獲得大幅提高。

圖4 多遇地震作用下ST0與ST1結(jié)構(gòu)層間剪力對比

圖5 多遇地震作用下ST0與ST1結(jié)構(gòu)層間位移角對比

5.1.2 阻尼器附加阻尼比計算

對以剪切變形為主的多層框架結(jié)構(gòu),且不計及其扭轉(zhuǎn)影響時,消能減震結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的總應(yīng)變能可按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[2]第12.3.4條款計算。綜合七條時程波計算結(jié)果消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比平均值為:X向為8.91%和Y向為8.35%?？紤]到本工程消能部件設(shè)置在地上第1～5層,選取ST1結(jié)構(gòu)阻尼器為代表,來查驗阻尼器的耗能情況。

進(jìn)一步分析對比可知消能部件在多遇地震下的出力X向布置阻尼器的最大出力為70kN;Y向最大出力為71kN,相應(yīng)的X、Y向阻尼器最大位移分別為1.54mm和1.54mm。

5.2 罕遇地震作用下消能減震結(jié)構(gòu)彈塑性分析

罕遇地震作用下主體結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移驗算能更好反應(yīng)結(jié)構(gòu)的抗震性能,結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性行為,根據(jù)整體結(jié)構(gòu)塑性變形(位移角)和主要構(gòu)件的塑形損傷情況,確認(rèn)結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求。

5.2.1ST1消能減震結(jié)構(gòu)罕遇地震響應(yīng)分析

基于前文中的彈性分析結(jié)果,選擇其中地震響應(yīng)相對較大的R1、T1和T2三條時程波進(jìn)行罕遇地震作用下主體結(jié)構(gòu)彈塑性動力時程分析。

R1、T1和T2時程波罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)減震后的X、Y向?qū)娱g位移角如圖6所示。

圖7 時程波作用下的層間位移角對比圖

由上述R1、T1和T2三條時程波在罕遇地震作用下X、Y向的計算結(jié)果可知,消能減震結(jié)構(gòu)(ST1)的彈塑性層間位移角都滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[2]第5.5.5條1/50的限值要求,這表明結(jié)構(gòu)采用黏滯阻尼器進(jìn)行消能減震設(shè)計是切實有效的。

5.2.2 阻尼器耗能滯回曲線及出力分析

對于罕遇地震作用下本工程黏滯阻尼器的耗能滯回曲線及出力分析按R1、T1 和T2三條時程波分別分析。

(1)罕遇地震作用下的阻尼器的滯回耗能分析：

選取R1波X、Y方向各1個黏滯阻尼器與BRB,7度罕遇地震下的滯回曲線如圖7所示。

圖7 R1時程波作用下BRB的耗能滯回曲線

(2) 罕遇地震作用下的阻尼器的出力分析：

R1、T1和T2時程波罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)中所布置消能部件的最大出力及最大位移可知附加的黏滯阻尼器在罕遇地震作用下出力最大為155kN,位移最大為20.97mm。同時,BRB1大震出力及位移均超過屈服承載力及屈服位移,BRB在地震中有明顯耗能。

5.2.3 消能減震結(jié)構(gòu)的彈塑性發(fā)展?fàn)顩r

設(shè)置黏滯阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下呈現(xiàn)“強柱弱梁”的塑性鉸發(fā)展機(jī)制,且在帶阻尼器子框架均未達(dá)到極限承載力,沒有出現(xiàn)破壞,滿足《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》[3]中的要求,這表明主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的損傷狀況能夠得到有效控制和改善,從而使得整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能,更有利于實現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

6 結(jié) 論

通過對普通結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)在7度(0.1g)地震作用下進(jìn)行反應(yīng)譜分析和時程分析,比較了多遇地震作用下和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng),通過對比分析表明結(jié)構(gòu)采用消能減震設(shè)計方案具有良好的效果和獨特的優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1) 在結(jié)構(gòu)設(shè)置黏滯阻尼器和BRB后,通過7條時程波的計算分析,得出多遇地震作用下消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比X、Y向均滿足8%的要求。

(2) 原結(jié)構(gòu)在多遇地震時,時程分析平均值在X、Y向的最大層位移角分別是1/1268、1/1 073,設(shè)置黏滯阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)在8度多遇地震時X、Y向的最大層間位移角則分別降低到1/1 622、1/2 197,位移角有較大改善。

(3) 在多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)附加黏滯阻尼器減震設(shè)計后主體結(jié)構(gòu)部分的抗震安全性大大提高,消能減震設(shè)計是可行有效的,較好地改善了原結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(4) 附加的黏彈性阻尼器結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的出力最大為155kN,位移最大為20.97mm。

(5) 消能減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下呈現(xiàn)“強柱弱梁”的塑性鉸發(fā)展機(jī)制,根據(jù)整體結(jié)構(gòu)塑性變形(位移角)和主要構(gòu)件的塑形損傷情況,確認(rèn)結(jié)構(gòu)可滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求。