墻式鉛剪切型阻尼器在某教學(xué)樓加固中的應(yīng)用

齊宗林

(北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在遭受地震時(shí)，依靠結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件(梁、柱)的彈塑性耗散大部分地震輸入的能量，可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重破壞甚至倒塌，導(dǎo)致造成大量的經(jīng)濟(jì)損失危及生命安全[1-3]。采取傳統(tǒng)的抗震措施提高結(jié)構(gòu)的抗震韌性，存在工作量大、造價(jià)高等缺點(diǎn)，并且在震后也可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p傷，難以修復(fù)[4-5]。而且《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》[6]和《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[7]等規(guī)范規(guī)程的頒布，包括抗震設(shè)防烈度在內(nèi)的部分地震參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，大部分地區(qū)的抗震設(shè)防要求有了進(jìn)一步提高。因此，對(duì)于許多既有建筑結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行加固，但傳統(tǒng)抗震加固措施難以實(shí)現(xiàn)。近些年建筑結(jié)構(gòu)的消能減震技術(shù)受到工程師及業(yè)主的青睞。結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)實(shí)際上是一種結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上設(shè)置某種耗能裝置，利用這些耗能裝置減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，減輕結(jié)構(gòu)的損傷[8-11]。比如北京銀泰中心通過(guò)設(shè)置黏滯阻尼器與無(wú)黏結(jié)屈曲支撐提高其抗震安全儲(chǔ)備。天津貿(mào)易中心A塔樓使用套索連接黏滯阻尼器進(jìn)行減震加固，高效解決了抗風(fēng)結(jié)構(gòu)舒適度不足的大問(wèn)題，并提高了其抗震性能。

本文針對(duì)某中學(xué)教學(xué)樓進(jìn)行抗震加固，提出在結(jié)構(gòu)中增設(shè)墻式鉛剪切型阻尼器的減震加固方案，通過(guò)對(duì)減震框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇和罕遇地震作用下的動(dòng)力時(shí)程分析，驗(yàn)證了加固方案的有效性，并介紹了阻尼器與主體結(jié)構(gòu)之間的連接。

1 工程概況

某中學(xué)教學(xué)樓為框架結(jié)構(gòu)，地下2層，整體4層，局部6層，結(jié)構(gòu)總高度為22.8 m，如圖1所示。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)的要求，建筑抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別二類(lèi)，設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜特征周期0.35 s。該教學(xué)樓建于20世紀(jì)50年代末，因?yàn)闀r(shí)間久遠(yuǎn)，建筑的安全性已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)行教學(xué)安全要求，因此需進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)加固。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮安裝位移型阻尼器，在多遇地震作用下，阻尼器主要作用是給結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度；罕遇地震作用下，阻尼器先于結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)的阻尼比以減小地震作用下輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，從而提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 有限元模型建立

依據(jù)設(shè)計(jì)院提供的設(shè)計(jì)資料建立該教學(xué)樓的SAP2000有限元模型，如圖2所示。其中梁和柱采用桿系單元，樓板采用面單元。樓面恒荷載為3 kN/m2，活荷載為3.5 kN/m2；屋面恒荷載為6 kN/m2，活荷載為2 kN/m2。為了驗(yàn)證基于SAP2000建立的有限元模型的正確性和合理性，與所建立的YJK模型進(jìn)行質(zhì)量、振型與周期的對(duì)比，分別如表1，表2所示。分析結(jié)果表明質(zhì)量誤差為0.75%，振型完全一致，周期最大誤差為4.64%。證明了基于SAP2000軟件所建立有限元模型的正確性和合理性。

表1 減震前結(jié)構(gòu)前6階周期對(duì)比 s

表2 結(jié)構(gòu)總質(zhì)量對(duì)比

2.2 地震波的選取方法和原則

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016版)5.1.2的規(guī)定，采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按建筑場(chǎng)地類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)小于總數(shù)的2/3。本項(xiàng)目選取2條實(shí)際強(qiáng)震記錄和1條人工模擬地震波。本項(xiàng)目根據(jù)場(chǎng)地條件選取RSN93和RSN163兩條天然波，天然波的加速度時(shí)程曲線的峰值根據(jù)反應(yīng)譜調(diào)整，人工波根據(jù)8度Ⅱ類(lèi)第一組對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜生成。地震波的加速度時(shí)程曲線如圖3所示，進(jìn)一步可獲得反應(yīng)譜曲線如圖4所示。

利用建立的SAP2000結(jié)構(gòu)有限元模型對(duì)選取的三條地震波進(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析，可獲得結(jié)構(gòu)的基底剪力時(shí)程，并對(duì)三條地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)基底剪力的包絡(luò)值及其平均值與通過(guò)反應(yīng)譜分析獲得的基底剪力包絡(luò)值進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。結(jié)構(gòu)在單條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值為振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的98.97%(X向)及92.93%(Y向)，滿足規(guī)范對(duì)每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的要求。

3 消能減震方案

首先對(duì)結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析，獲得該結(jié)構(gòu)在X方向的最大層間位移角為1/368，在Y向的最大層間位移角為1/455，均大于規(guī)范規(guī)定的1/550，因此結(jié)構(gòu)的整體剛度和層間剛度均不滿足規(guī)范要求。

本項(xiàng)目選擇墻式鉛剪切型阻尼器，要根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及建筑格局的布置要求，在盡量不影響現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，充分利用適于布置的位置。消能阻尼器的動(dòng)力參數(shù)、布設(shè)位置和數(shù)量通過(guò)反復(fù)試算進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后確定。其中一些阻尼器的布置可能會(huì)影響到建筑門(mén)窗布置，需要和建筑專(zhuān)業(yè)再詳細(xì)溝通。經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目采用阻尼器參數(shù)如下：第一剛度：不小于4×105kN/m；第二剛度：不大于0.02倍的第一剛度；屈服力：±30 t；最大行程：±70 mm。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，綜合樓阻尼器布置數(shù)量見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)的阻尼器布置數(shù)量

4 減震效果分析

4.1 多遇地震作用下減震效果分析

按選定的減震方案將墻式鉛剪切型阻尼器布置在結(jié)構(gòu)中，如圖2所示。其中墻式鉛剪切型阻尼器用Link單元中的Plastic(Wen)模型模擬[12]。然后進(jìn)行無(wú)控結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)在三條地震動(dòng)下的彈性時(shí)程分析，并通過(guò)減震前后層間位移角、基底剪力等性能指標(biāo)評(píng)價(jià)阻尼器的減震效果。

結(jié)構(gòu)在安裝阻尼器之后各層層間位移角顯著減小，其中在RSN93波下結(jié)構(gòu)減震前后的層間位移角對(duì)比結(jié)果如圖6所示。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)層間位移角的減震效果如表4所示，結(jié)果顯著說(shuō)明了本文消能減震方案的有效性。墻式剪切型鉛阻尼器使結(jié)構(gòu)層間位移角的分布更加均勻，這是因?yàn)樽枘崞鳛榻Y(jié)構(gòu)提供了合適的層間抗側(cè)剛度。

表4 地震波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角及減震率匯總

對(duì)減震前后結(jié)構(gòu)基底剪力的減震效果進(jìn)行分析，計(jì)算其包絡(luò)值的減震率如表5所示，減震后框架結(jié)構(gòu)的基底剪力X向、Y向平均減震率分別為31.04%和27.14%。由于輸入減震結(jié)構(gòu)的部分地震力被阻尼器所承擔(dān)，降低了框架部分承擔(dān)的地震力，有效提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

表5 結(jié)構(gòu)基底剪力最大值及減震率匯總

選取結(jié)構(gòu)二層位置的阻尼器，分別繪制其在X向和Y向的滯回曲線，如圖7所示。由圖7可以看出，在多遇地震作用下，二層阻尼器雖然先于結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài)，但各阻尼器滯回并不飽滿，阻尼器雖然為結(jié)構(gòu)提供一定的阻尼比，但主要還是給主體結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，可以有效保護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

4.2 罕遇地震作用下減震效果分析

對(duì)建立的SAP2000有限元模型進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，梁柱單元的塑性變形通過(guò)在其兩端設(shè)置塑性鉸進(jìn)行模擬，樓板仍然保持彈性，墻式鉛剪切型阻尼器用Link單元中的Plastic(Wen)模型模擬?；谶x定的地震動(dòng)對(duì)無(wú)控結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震動(dòng)下的彈塑性時(shí)程分析，并通過(guò)減震前后層間位移角、基底剪力等性能指標(biāo)評(píng)價(jià)阻尼器的減震效果。在罕遇地震下，結(jié)構(gòu)在減震之后的層間位移角明顯減小，其中在RSN93波下結(jié)構(gòu)減震前后的層間位移角對(duì)比結(jié)果如圖8所示。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)層間位移角的減震效果如表6所示，結(jié)果顯著說(shuō)明了本文消能減震方案的有效性。顯著降低了主體結(jié)構(gòu)的損傷。

表6 地震波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角及減震率匯總

在罕遇地震下，對(duì)減震前后結(jié)構(gòu)基底剪力的減震效果進(jìn)行分析，計(jì)算其包絡(luò)值的減震率如表7所示，減震后框架結(jié)構(gòu)的基底剪力X向、Y向平均減震率分別為4.88%和4.07%。減震主體結(jié)構(gòu)的基底剪力降低，說(shuō)明其承擔(dān)的地震力降低，從而降低了主體結(jié)構(gòu)的損傷。

表7 結(jié)構(gòu)基底剪力最大值及減震率匯總

仍然選取結(jié)構(gòu)二層位置的阻尼器，分別繪制其在X向和Y向的滯回曲線，如圖9所示。由圖9可以看出，在罕遇地震作用下，阻尼器均已屈服且滯回飽滿，有效地降低了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，阻尼器耗散了大量輸入結(jié)構(gòu)的能量。

5 阻尼器與結(jié)構(gòu)連接件設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度較大，當(dāng)通過(guò)減震裝置進(jìn)行減震設(shè)計(jì)時(shí)，必須使減震構(gòu)件在小變形的情況下能有效地發(fā)揮作用。本項(xiàng)目采用微小變形就可耗能的墻式鉛剪切型阻尼器，為保證阻尼器與主體結(jié)構(gòu)的可靠連接以發(fā)揮耗能減震效能，采用鋼板附加墻形式。這種阻尼器減震性能優(yōu)良，布設(shè)靈活，對(duì)主體結(jié)構(gòu)使用功能影響很小，優(yōu)勢(shì)明顯。

本項(xiàng)目中阻尼器的連接件如圖10所示：端板和耳板。阻尼器蓋板與端板1焊接；耳板與端板2焊接，支撐與預(yù)埋件焊接，從而構(gòu)成了整個(gè)連接件。

根據(jù)GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：

單條焊縫長(zhǎng)度為：

則取每條焊縫長(zhǎng)度為340 mm。

耳板與端板2連接設(shè)計(jì)。

強(qiáng)度驗(yàn)算：

耳板的尺寸為：t=20 mm，b=340 mm，h=200 mm，N=300×1.2=360 kN。

根據(jù)GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范5.1.1：

其中,An=(200-45)×20=3 100 mm2。

故滿足規(guī)范要求。

根據(jù)GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：

單條焊縫長(zhǎng)度：

則取每條焊縫長(zhǎng)度為340 mm。

工字形鋼支撐通過(guò)預(yù)埋在混凝土梁里的預(yù)埋件進(jìn)行焊接形成阻尼器的支撐。錨板尺寸為l=1 500 mm，t=20 mm，b=300 mm，鋼材為Q345鋼?；炷凛S心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=16.7 N/mm2；錨筋尺寸d=20 mm，材料為HPB335，鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=300 N/mm2，錨筋共布置三排，錨筋具體排列如圖11所示。

在剪力和彎矩共同作用時(shí)，錨筋的總截面面積AS應(yīng)符合以下規(guī)定：

4 019.86 mm2。

其中：

αr=0.9。

6 結(jié)論

采用墻式鉛剪切型阻尼器對(duì)某中學(xué)教學(xué)樓進(jìn)行加固改造，提出了阻尼器的加固方案，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震性能分析，得到以下主要結(jié)論：

1)通過(guò)對(duì)減震結(jié)構(gòu)減震性能的分析，本文提出的阻尼器加固方案能夠有效降低無(wú)控結(jié)構(gòu)的層間位移及基地剪力，驗(yàn)證了該加固方案的合理性。2)通過(guò)無(wú)控與減震結(jié)構(gòu)的多遇及罕遇地震性能分析，驗(yàn)證了在提出的阻尼器加固方案下主體結(jié)構(gòu)滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范要求，達(dá)到了消能減震的設(shè)計(jì)目的。3)通過(guò)對(duì)減震結(jié)構(gòu)在彈性及彈塑性狀態(tài)的分析，表明墻式鉛剪切型阻尼器在多遇地震下主要為主體結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，而在罕遇地震下，阻尼器完全屈服，耗散大量輸入結(jié)構(gòu)的能量，也達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。