消能減震在某加固改造項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

鄭建文

上海市建工設(shè)計(jì)研究總院有限公司 上海 200235

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，減震技術(shù)在越來越多的實(shí)際工程中得到了普遍應(yīng)用。本文以某商業(yè)加固改造項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹了以阻尼支撐及套索連接作為典型減震耗能方式的消能減震技術(shù)在加固項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)思路與分析過程，為消能減震措施在加固項(xiàng)目中的推廣應(yīng)用提供實(shí)際案例，同時(shí)對(duì)已建項(xiàng)目抗震性能的提升提供設(shè)計(jì)思路。

1 項(xiàng)目概況

本工程為上海市大型綜合體中的商務(wù)中心樓，建筑高度78 m，地上17層，地下3層，其中1—8層為商場(chǎng)及配套裙房，平面為矩形，9—17層為服務(wù)式公寓。建筑平面呈L形，裙房以上呈兩翼臺(tái)階式立面收進(jìn)，地上結(jié)構(gòu)采用混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系（圖1）。工程抗震設(shè)防烈度7度（0.10g），建筑抗震設(shè)防類別低區(qū)（8層及以下）為乙類，高區(qū)（9層及以上）為丙類。

整棟建筑分批建設(shè)，裙房部分于1999年建成，9層及以上公寓于2005年左右進(jìn)行續(xù)建?，F(xiàn)因商區(qū)功能品質(zhì)升級(jí)的需求，業(yè)主擬對(duì)該房屋進(jìn)行建筑平面布局調(diào)整及加固改造[1]。

1.1 鑒定情況

本工程建筑抗震設(shè)防類別低區(qū)為乙類，高區(qū)為丙類，低區(qū)需按抗震設(shè)防烈度8度的要求采取抗震措施。裙房商場(chǎng)及地庫(kù)建成于1999年，對(duì)照GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱“鑒定標(biāo)準(zhǔn)”）規(guī)定，按B類建筑進(jìn)行抗震措施鑒定[2]。后續(xù)使用年限取40 a。因?yàn)樯虾？拐鹨?guī)程和國(guó)標(biāo)抗震規(guī)范有一定差異，例如上?？拐鹨?guī)程要求框剪結(jié)構(gòu)首層層間位移角不大于1/2 000，且抗震措施要和新建建筑相同，只是地震作用打折，這樣，就會(huì)對(duì)加固量影響較大。因此，如采用減震加固形式則會(huì)體現(xiàn)較大優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過對(duì)歷史改造狀況進(jìn)行調(diào)查，本工程曾于2002年上部公寓續(xù)建啟動(dòng)前對(duì)已建部分即裙房商場(chǎng)部分進(jìn)行過抗震鑒定，并對(duì)1—8層已建成結(jié)構(gòu)完成過一次加固設(shè)計(jì)及施工。

2002年的主要加固措施為：在1—8層設(shè)置88個(gè)阻尼器和鋼支撐增強(qiáng)框架體系的抗震性能；在外露的8層樓面板底、橫梁之間增設(shè)斜向鋼支撐，增加突變層剛度；采用碳纖維復(fù)合材料對(duì)不滿足受力和抗震構(gòu)造要求的構(gòu)件進(jìn)行加固。

本次最新的鑒定報(bào)告顯示，房屋現(xiàn)有結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)要求總體上相符、無大的改變。房屋整體無明顯傾斜，無顯著不均勻沉降現(xiàn)象。房屋實(shí)測(cè)各層框架柱墻、梁等主要承重構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)總體上均達(dá)到原設(shè)計(jì)等級(jí)要求。房屋整體無明顯變形，框架柱、梁及混凝土墻等主要受力構(gòu)件基本完好，未見明顯結(jié)構(gòu)性損傷，房屋使用情況正常。

1.2 改造方案

根據(jù)建筑布局及商管方案，本次改造對(duì)結(jié)構(gòu)的主要變動(dòng)體現(xiàn)在：建筑方案增加了中庭，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)樓板2—7層大開洞、局部分區(qū)荷載調(diào)整、個(gè)別區(qū)域結(jié)構(gòu)布置調(diào)整，板洞封堵等。

其中對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大的是因商業(yè)流線調(diào)整，導(dǎo)致前次改造時(shí)裙房中的部分黏滯阻尼器消能支撐的位置位于本次方案中庭和增加的自動(dòng)扶梯位置，因此必須對(duì)這些影響方案的阻尼器和鋼支撐進(jìn)行拆除移位，共涉及原有14組黏滯阻尼器消能支撐及對(duì)應(yīng)位置的鋼支撐，并需對(duì)房屋重新進(jìn)行減震分析與設(shè)計(jì)。

本文就阻尼器調(diào)整后的減震加固設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用進(jìn)行主要闡述。其他結(jié)構(gòu)部分的加固，根據(jù)構(gòu)件類型及受力具體情況采用常規(guī)的加固方案。

2 減震加固設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

如果全部采用傳統(tǒng)加固措施，加固量將非常大，通過附加阻尼的方式可以大大降低加固量。但是受到位置的限制，只能通過采用放大支撐的方式予以彌補(bǔ)。

結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行3種模型的對(duì)比分析。

1）ST0模型：去除原有所有黏滯阻尼器消能支撐，根據(jù)建筑需要和常規(guī)加固后的結(jié)構(gòu)模型。

2）ST1模型：經(jīng)過本次加固改造后并能滿足抗震要求的減震結(jié)構(gòu)模型（改造包含：常規(guī)加固、拆除原有14組黏滯阻尼器消能支撐及對(duì)應(yīng)位置的鋼支撐，并新增合適的套索黏滯消能支撐）。

3）ST2模型：原有黏滯阻尼器消能支撐布置不變的情況下，僅采取常規(guī)加固措施后的消能結(jié)構(gòu)模型。

因?yàn)榈叵率翼敯迩豆蹋M(jìn)行對(duì)比分析的3種計(jì)算模型均不含地下室。

計(jì)算基本參數(shù)取值為：抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分為第2組；場(chǎng)地類別為Ⅳ類；反應(yīng)譜特征周期Tg＝0.90 s（小震），地震影響系數(shù)αmax＝0.08，基本地震動(dòng)峰值加速度amax＝35 cm/s2；Tg＝1.1 s（大震），地震影響系數(shù)αmax＝0.45，基本地震動(dòng)峰值加速度amax＝200 cm/s2。

2.2 原結(jié)構(gòu)（ST0無控模型）性能分析

為全面了解該房屋原主體結(jié)構(gòu)（無控模型ST0）的抗震性能，對(duì)房屋主體結(jié)構(gòu)（ST0）用PKPM軟件進(jìn)行計(jì)算分析，如表1所示。

表1 ST0結(jié)構(gòu)小震作用

從表1中可以看出，ST0結(jié)構(gòu)模型x、y向2～5層層間位移角均大于1/800，超過了規(guī)范限值要求，應(yīng)進(jìn)行整體加固。為進(jìn)一步提升抗震效能，擬采用黏滯阻尼器套索消能支撐進(jìn)行減震設(shè)計(jì)[3-4]，適當(dāng)減小常規(guī)加固工作量。

2.3 黏滯阻尼器消能支撐配置方案（ST1模型）

原有減震結(jié)構(gòu)（即ST0模型）在1—7層共在44處設(shè)置88個(gè)黏滯阻尼器，根據(jù)現(xiàn)有改造方案，對(duì)建筑功能有影響的阻尼器及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除，新減震結(jié)構(gòu)（即ST1模型）保留了原有30處60個(gè)60 t黏滯阻尼器。

此次拆除原有14處28個(gè)黏滯阻尼器消能支撐及對(duì)應(yīng)位置鋼支撐后，需重新根據(jù)新建筑平面和計(jì)算要求增加阻尼器消能支撐，通過增加阻尼力，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。阻尼器消能支撐布置的原則：低樓層（即ST0模型計(jì)算結(jié)果中抗震薄弱的2—6層）結(jié)構(gòu)靠外邊緣側(cè)（受地震力較大處）、優(yōu)先考慮永久隔墻（樓梯等）。

按建筑平面及經(jīng)驗(yàn)擬增加19個(gè)140 t套索黏滯阻尼器消能支撐，套索支撐擬采用圓管形式（直徑350 mm、壁厚20 mm）。按經(jīng)驗(yàn)在相同阻尼器參數(shù)下，采用套索阻尼器的作用一般可以放大到2～3倍，阻尼器的總體數(shù)量可減少約一半。

以2層結(jié)構(gòu)平面布置為例，原有阻尼器保留位置、拆除位置、新加套索阻尼器、以及原阻尼器置換套索阻尼器平面和立面如圖2、圖3所示。

圖2 改造后2層阻尼器平面布置示意

圖3 改造后2層局部阻尼器立面示意

這次改造x、y向總的阻尼力配置相當(dāng)，改造后總的阻尼力增加了70%，耗能效果增加了1倍以上。

3 消能減震性能計(jì)算分析

在本項(xiàng)目中，對(duì)ST0模型和ST1模型分別進(jìn)行多遇地震和罕遇地震工況分析。多遇地震作用下進(jìn)行非線性分析（ETABS軟件），進(jìn)行結(jié)構(gòu)減震前后的層間剪力、層間位移角、滯回耗能、等效附加阻尼比計(jì)算等。罕遇地震工況（PERFORM-3D軟件），進(jìn)行結(jié)構(gòu)層間位移角驗(yàn)算，消能器滯回耗能、消能子框架極限承載力驗(yàn)算。

3.1 多遇地震下的減震計(jì)算分析

為了在計(jì)算中較精確地模擬消能器的非線性性質(zhì)，按規(guī)范相關(guān)要求，采用動(dòng)力時(shí)程分析法對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行分析計(jì)算，本工程選用5條天然地震波和2條人工波。

3.1.1 多遇地震下ST0與ST1結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)比分析

在小震7度（0.10g）作用下，ST0和ST1結(jié)構(gòu)在地震時(shí)程作用下，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，ST0模型在2—4層2個(gè)方向的層間位移角超出規(guī)范限值，而ST1結(jié)構(gòu)模型，即在增加黏滯阻尼器消能支撐結(jié)構(gòu)后，最大層間位移角為1/930，滿足規(guī)范限值要求；與原結(jié)構(gòu)相比，ST1結(jié)構(gòu)在多遇地震時(shí)程中2—5層層間剪力明顯減小，最大減小幅度約38%。由此可知，黏滯阻尼器消能支撐有效地承擔(dān)了部分地震作用，并發(fā)揮了較好的減震效果。

3.2 附加等效阻尼比計(jì)算

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015年版）中12.3.4的規(guī)定，可對(duì)消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比進(jìn)行估算。經(jīng)簡(jiǎn)化后，消能裝置能耗計(jì)算如式（1）、式（2）所示。

通過黏滯阻尼器在7條時(shí)程波作用進(jìn)行分析，一般附加有效阻尼比取該曲線的最大值，消能器提供的附加有效阻尼比計(jì)算值如表2所示。

表2 附加等效阻尼比（小震）

由表2計(jì)算可知，附加黏滯阻尼器消能支撐在小震下提供約12%附加阻尼比，綜合考慮各項(xiàng)因素，本工程最終取附加等效阻尼比為10%。

3.3 罕遇地震作用下消能減震結(jié)構(gòu)彈塑性分析

本項(xiàng)目需通過彈塑性時(shí)程分析進(jìn)一步檢驗(yàn)消能結(jié)構(gòu)，彈塑性最大層間位移角限值應(yīng)滿足1/100。

3.3.1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

以GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和CECS 392:2014《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范》為基礎(chǔ)，并參照美國(guó)ASCE/SEI 41-06《Seismic Rehabilitation of Existing Buildings》，制訂了詳細(xì)的抗震性能目標(biāo)，見表3。

表3 抗震性能目標(biāo)

3.3.2 PERFORM-3D分析模型及驗(yàn)證

本工程使用PERFORM-3D軟件進(jìn)行罕遇作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估。結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型主要有梁（連梁）、柱、剪力墻和黏滯阻尼器。梁、柱構(gòu)件主要采用集中塑性鉸模型，剪力墻采用纖維模型。

3.3.3 罕遇地震下ST1和ST2減震結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DG J08-9—2013《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》第五章第3.2.2條的規(guī)定，本工程大震下，選擇特征周期為1.1 s的2條人工波和5條天然波，按地震加速度峰值200 cm/s2和二向分量之比（水平主向∶水平次向＝1.00∶0.85）調(diào)整后分別沿建筑物2個(gè)主軸各輸入1次，進(jìn)行罕遇地震下的動(dòng)力時(shí)程分析。

分別在罕遇地震下采用彈塑性時(shí)程分析法對(duì)ST1和ST2消能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。選取典型地震輸入AW1-1.1時(shí)程下ST1與ST2結(jié)構(gòu)耗能分布圖，如圖5所示。通過對(duì)比，在增加套索方式安裝的黏滯阻尼器消能支撐后，黏滯阻尼器耗能占比為18.6%～38.2%，罕遇地震作用下主體結(jié)構(gòu)的塑性損傷有了明顯降低，整體結(jié)構(gòu)抗震性能得以提高，消能支撐的耗能作用得到提升[5-6]。

圖5 AW1-1.1時(shí)程下結(jié)構(gòu)耗能分布

經(jīng)計(jì)算，ST1減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角（7條時(shí)程輸入計(jì)算結(jié)果平均值和最大值）滿足規(guī)范1/100的限值要求，滿足“大震不倒”的要求。

3.3.4 黏滯阻尼器和結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，ST1模型新增140 t阻尼器在罕遇地震作用下的最大阻尼力從原有的550 kN提升到1 645 kN，最大位移為73 mm；行程未超過要求。ST1的黏滯阻尼器典型耗能曲線如圖6所示。

圖6 罕遇地震x向140 t黏滯阻尼器典型耗能曲線

對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件分析結(jié)果中，7條時(shí)程輸入分析均較為接近，選取AW1.1-1時(shí)程波為代表，對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)的梁、柱和墻構(gòu)件性能進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)估分析。

罕遇地震作用下，以AW1.1-1時(shí)程為例，大量框架柱、梁的最大塑性變形程度評(píng)價(jià)為中度破壞，受到嚴(yán)重破壞的僅為少數(shù)框架柱和框架梁。剪力墻在加強(qiáng)層端部形成彎曲塑性鉸，豎向鋼筋屈服，鋼筋的最大拉伸應(yīng)變小于屈服應(yīng)變?chǔ)舮的3.0倍?；炷恋膲嚎s應(yīng)變小于峰值應(yīng)變?chǔ)舙的1.0倍，最大塑性變形處于輕度損壞。

為滿足JGJ 297—2013《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》關(guān)于“消能子結(jié)構(gòu)中梁、柱、墻構(gòu)件宜按重要構(gòu)件設(shè)計(jì)，并應(yīng)考慮罕遇地震作用效應(yīng)和其他荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)，其值應(yīng)小于構(gòu)件極限承載力”的規(guī)定[7]，本工程經(jīng)計(jì)算，消能子結(jié)構(gòu)梁和柱的最大塑性變形均處于破壞控制性階段（中度損壞）[8-9]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于實(shí)際案例的需求，將減隔震措施應(yīng)用于建筑加固改造過程中，對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，并通過軟件分析對(duì)3種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析：多遇地震下用ETABS軟件對(duì)ST0和ST1結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析，罕遇地震下用PERFORM-3D軟件對(duì)ST1和ST2結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1）在加固項(xiàng)目中通過改變?cè)兄涡问胶驮黾涌偟淖枘崃?，以適當(dāng)提高原有結(jié)構(gòu)抗震性能。

2）在多遇地震作用下，黏滯阻尼器耗能效果良好，大大降低了結(jié)構(gòu)整體加固量。附加黏滯阻尼器消能支撐可為結(jié)構(gòu)附加10%有效阻尼比。

3）罕遇地震作用下，通過增設(shè)套索的黏滯阻尼器消能支撐，有效地放大了行程位移且未超過阻尼器的最大承載力和極限變形，可正常工作，較大程度上降低了罕遇地震作用下房屋主體結(jié)構(gòu)的塑性損傷，且滿足“大震不倒”的要求。

綜合上述分析可知，本工程采用增設(shè)套索方式安裝的黏滯阻尼器消能支撐后，房屋總體抗震能力相較于原有消能支撐布置結(jié)構(gòu)有了較大的提升。房屋改造后的總體抗震能力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。