上海市某既有公共建筑減震加固設(shè)計(jì)

陳澤赳 張曉光

（1.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002；2.上海同程建設(shè)科技工程有限公司，上海 200092）

1 項(xiàng)目概況

房屋位于上海市金山區(qū)時(shí)代大道888 號(hào)，建于2011年，上部結(jié)構(gòu)設(shè)縫分成Ⅰ-1區(qū)、Ⅱ-1及Ⅱ-2區(qū)。其中，Ⅰ-1區(qū)為特別不規(guī)則多層結(jié)構(gòu)，功能由辦公改為護(hù)理院，本文重點(diǎn)介紹Ⅰ-1 區(qū)的結(jié)構(gòu)消能減震的改造思路。

房屋為三層現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，南北向總長為95.8 m，東西向總長為47.2 m，建筑面積約為5 688 m2。室內(nèi)外高差為0.450 m，一層層高為4.80 m，二層層高為4.20 m，三層為悶頂，屋脊標(biāo)高為13.60 m。不設(shè)地下室，采用樁基礎(chǔ)，樁型為300 mm×300 mm的預(yù)制混凝土方樁，樁長27.0 m。樁端進(jìn)入⑤2層粉質(zhì)粘土層，單樁豎向承載力特征值930 kN。建筑總平面圖及建筑外觀如圖1、圖2所示。

圖1 建筑總平面圖Fig.1 General building plan

圖2 建筑外觀Fig.2 Building appearance

柱網(wǎng)尺寸主要為7.2 m×7.2 m，框架柱截面尺寸主要為500 mm×500 mm、φ750 mm；南北向框架梁截面尺寸主要為250 mm×800 mm，東西向框架梁截面尺寸主要為250 mm×800 mm。樓面板為120 mm，屋面板為130 mm。

建筑單體體型復(fù)雜，存在以下特征：①凹凸不規(guī)則：建筑平面兩側(cè)局部突出明顯，平面為凹形；②樓板不連續(xù)：建筑中庭部位存在樓板大開洞；③扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2 但小于1.4。為特別不規(guī)則多層結(jié)構(gòu)。

建筑抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，場(chǎng)地類別為Ⅳ類，特征周期為0.9 s?；撅L(fēng)壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度為B類。

2 存在的問題及解決思路

2.1 存在的問題

本工程后續(xù)使用年限為50 年［1-2］，按C 類鋼筋混凝土房屋進(jìn)行改造加固設(shè)計(jì)，本次改造主要將原建筑功能由招商中心（辦公）改為護(hù)理院，抗震設(shè)防類別由丙類調(diào)整為乙類。相應(yīng)框架的抗震等級(jí)由三級(jí)調(diào)整為二級(jí)，另外根據(jù)功能需要新增電梯，樓面新增設(shè)備，局部改變分隔墻體等。

根據(jù)建筑功能的變化對(duì)原結(jié)構(gòu)計(jì)算分析并復(fù)核結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)及構(gòu)件配筋，本結(jié)構(gòu)主要存在扭轉(zhuǎn)周期比較大、框架配筋不足、部分構(gòu)造措施不滿足規(guī)范要求的問題。主要原因?yàn)楸惤ㄖO(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提升為乙類建筑，盡管地震作用不提高，但框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)由三級(jí)提高至二級(jí)，框架梁柱的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)增大（表1），抗震等級(jí)二級(jí)的框架抗震構(gòu)造上要求角柱全長加密。

表1 框架梁柱內(nèi)力調(diào)整系數(shù)Table 1 Internal force adjustment coefficient of frame beam and column

因此，實(shí)際工程中需要對(duì)承載能力不足、構(gòu)造不滿足規(guī)范要求的框架梁柱采用包鋼或增大截面的方式加固；同時(shí)需要調(diào)整外圍框架截面，增加框架抗扭剛度。這樣改造對(duì)建筑的外立面及原有室內(nèi)的裝修破壞很大，也會(huì)使工程綜合造價(jià)提高。

2.2 解決思路

以往類似項(xiàng)目常采用在原結(jié)構(gòu)中增設(shè)剪力墻的方式，將框架結(jié)構(gòu)調(diào)整為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，框架部分的抗震等級(jí)仍可按三級(jí)設(shè)計(jì)。但增設(shè)墻體后，結(jié)構(gòu)剛度和地震力均會(huì)增加，拆除和加固的工程量較大。

參照地方標(biāo)準(zhǔn)［3］和行業(yè)規(guī)程［4］的相關(guān)條文，結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的層間位移角較小（1/120），塑性發(fā)展水平較低（中度損傷以下），結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)和抗震構(gòu)造措施要求可適當(dāng)降低，最大降低程度可達(dá)1 度。本文擬采用設(shè)置黏滯阻尼器（簡稱VFD）/粘滯阻尼墻（簡稱VFW）的消能減震設(shè)計(jì)，通過布置消能器增加結(jié)構(gòu)附加阻尼比，從而提高整體抗震性能，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。

本工程在不同地震水準(zhǔn)下的抗震性能目標(biāo)為：

（1）多遇地震下通過設(shè)置黏滯阻尼器（墻），盡量減小原結(jié)構(gòu)的加固工程量。

（2）設(shè)防地震下，適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，使結(jié)構(gòu)滿足性能水準(zhǔn)3（抗彎不屈服，抗剪彈性）的要求。

（3）罕遇地震下，適當(dāng)提高位移角限值至1/120 以降低框架抗震等級(jí)及框架柱配箍率要求［3-4］。通過檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展性能，使整體結(jié)構(gòu)滿足罕遇地震不倒的同時(shí)，大幅改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性發(fā)展情況。

性能設(shè)計(jì)的主要參數(shù)見表2。

表2 性能設(shè)計(jì)主要參數(shù)Table 2 Main parameters of performance design

2.3 消能減震方案

結(jié)合建筑室內(nèi)平面布置，阻尼器在典型樓層的設(shè)置如圖3所示，消能構(gòu)件主要參數(shù)詳見表3。

表3 消能構(gòu)件主要參數(shù)Table 3 Main parameters of energy dissipation components

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層消能構(gòu)件布置Fig.3 Layout of energy dissipation components in standard floor

3 減震彈性分析

3.1 基于復(fù)模態(tài)的振型分解反應(yīng)譜法

程采用PKPM6.1版，進(jìn)行多遇地震下基于復(fù)模態(tài)振型分解反應(yīng)譜法的等效彈性迭代計(jì)算。PKPM軟件中標(biāo)準(zhǔn)層消能構(gòu)件布置如圖4所示。

圖4 PKPM軟件中標(biāo)準(zhǔn)層消能構(gòu)件布置Fig.4 Layout of energy dissipation components of standard floor in PKPM

通過迭代計(jì)算，得到X方向和Y方向的等效總阻尼比分別為14.3%和9.8%。主要計(jì)算結(jié)果詳見表4。

表4 等效彈性計(jì)算結(jié)果Table 4 Equivalent elastic calculation results

從計(jì)算結(jié)果可以看出，減震后結(jié)構(gòu)X和Y方向的基底剪力分別為減震前的0.66 和0.78。X向地震力降低約34%，附加阻尼比為9.3%；Y方向地震力降低約22%，附加阻尼比為4.8%。

3.2 多遇地震彈性時(shí)程分析

采用SAUSAGE2021 進(jìn)行多遇地震下的時(shí)程分析，質(zhì)量及周期校核見表5，兩個(gè)分析模型質(zhì)量和周期相差較小。

表5 質(zhì)量及周期校核Table 5 Comparison of mass and period

時(shí)程分析地震波的選取考慮場(chǎng)地類別、頻譜特性、加速度有效峰值、持續(xù)時(shí)間及震源機(jī)制等方面，在上海地區(qū)Ⅳ類場(chǎng)地、特征周期為0.9～1.1 s的地震波庫中選取，經(jīng)試算選擇三條地震波：RH2TG090（人工波），SHW2（天然波1），TH4TG090（天然波2）。3 組波的反應(yīng)譜與規(guī)范譜、各組波的平均譜與規(guī)范譜在結(jié)構(gòu)周期T1～T3點(diǎn)的地震影響系數(shù)的相對(duì)誤差不大于20%。

基底剪力、層間位移角的計(jì)算結(jié)果見表6、表7，從計(jì)算結(jié)果可以看出設(shè)置黏滯阻尼器（墻）后，結(jié)構(gòu)最大層間位移角減小至1/1 030左右。

表6 多遇地震彈性時(shí)程分析基底剪力Table 6 Base shear force in elastic time history analysis under frequent earthquakes

表7 多遇地震彈性時(shí)程分析層間位移角Table 7 Inter story displacement angle in elastic time history analysis under frequent earthquakes

附加阻尼比的計(jì)算結(jié)果見表8，圖5 為SHW2波X向多遇地震時(shí)程分析下的能量圖。通過設(shè)置黏滯阻尼器（VFD）和黏滯阻尼墻（VFW），可為結(jié)構(gòu)提供4.6%～6.9%的附加阻尼。

表8 附加阻尼比計(jì)算結(jié)果Table 8 Calculation results of additional damping ratio %

圖5 SHW2波X向多遇地震時(shí)程分析能量圖Fig.5 Energy diagram in X-direction frequent earth-quake time history analysis of SHW2 wave

以SHW2（天然波1）X向時(shí)程下黏滯阻尼器的工作狀態(tài)為例，典型黏滯阻尼器VFD、VFW 的滯回曲線如圖6 所示?？梢婐枘崞髟谛≌饡r(shí)程分析工況下的工作狀態(tài)正常，滯回曲線飽滿，有效消耗了輸入結(jié)構(gòu)的地震能。

圖6 SHW2波X向多遇地震下阻尼器滯回曲線Fig.6 Damper hysteresis curve in X-direction frequent earthquake time history analysis of SHW2 wave

對(duì)比基于復(fù)模態(tài)的振型分解反應(yīng)譜法，可以看出兩者的結(jié)果不完全一致。等效彈性迭代計(jì)算的X方向基底剪力減震系數(shù)0.66，小于時(shí)程分析法計(jì)算的0.80～0.82；附加阻尼9.3%，大于時(shí)程分析法的4.6%～5.7%；Y方向基底剪力減震系數(shù)0.78，略大于時(shí)程分析法計(jì)算的0.69～0.75；附加阻尼4.8%，略小于時(shí)程分析法的6.4%～6.9%。分析原因可能是實(shí)際結(jié)構(gòu)在地震力作用下各樓層阻尼器不能同時(shí)達(dá)到最大出力和位移，采用等效彈性的迭代計(jì)算會(huì)過大估計(jì)這種附加阻尼作用，采用基于時(shí)程分析的方法更接近阻尼器的真實(shí)受力狀態(tài)。

4 減震彈塑性分析

減震設(shè)計(jì)應(yīng)分析結(jié)構(gòu)在設(shè)防及罕遇地震作用下的反應(yīng)，滿足性能化設(shè)計(jì)要求。由于本單體第一周期T1＜Tg=0.90 s，本節(jié)仍選用前述地震波進(jìn)行設(shè)防和罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析。

4.1 設(shè)防地震彈塑性時(shí)程分析

層間位移角結(jié)果見表9，設(shè)防地震下，結(jié)構(gòu)樓層最大層間位移角為1/252。

表9 設(shè)防地震彈塑性時(shí)程分析層間位移角Table 9 Inter story displacement angle in elastoplastic time history analysis under fortification earthquakes

以SHW2（天然波1）X向時(shí)程下阻尼器（墻）的工作狀態(tài)為例，典型VFD、VFW 的滯回曲線如圖7所示。

圖7 SHW2波X向設(shè)防地震下阻尼器滯回曲線Fig.7 Damper hysteresis curve in X-direction seismic fortification elastoplastic time history analysis of SHW2

附加阻尼比的計(jì)算結(jié)果見表10，圖8 為SHW波X向設(shè)防地震時(shí)程分析下的能量圖。粘滯阻尼器（墻）設(shè)防地震下可為結(jié)構(gòu)提供2%左右的附加阻尼。主體結(jié)構(gòu)自身的塑性發(fā)展水平較低，彈塑性阻尼為0.4%左右。

表10 附加阻尼比計(jì)算結(jié)果（%）Table 10 Calculation results of additional damping ratio（%）

圖8 SHW2波X向設(shè)防地震時(shí)程分析能量圖Fig.8 Energy diagram in X-direction fortification earthquake time history analysis of SHW2 wave

4.2 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析

對(duì)減震模型與非減震模型進(jìn)行罕遇地震彈塑性時(shí)程分析，兩個(gè)模型的層間位移角結(jié)果見表11，罕遇地震下的最大層間位移角由非減震模型的1/56 最低減小到1/122，滿足本工程預(yù)設(shè)的1/120的要求。

表11 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析最大層間位移角Table 11 Inter story displacement angle in elastoplastic time history analysis under rare earthquakes

以SHW2（天然波1）X向時(shí)程下各類型消能構(gòu)件的工作狀態(tài)為例，典型VFD、VFW 的滯回曲線如圖9 所示。由圖可知，在大震時(shí)程工況下，耗能型支撐和黏滯阻尼器（墻）滯回曲線飽滿，充分發(fā)揮了減震裝置的耗能作用，有效消耗了地震能量。

圖9 SHW2波X向罕遇地震下消能構(gòu)件滯回曲線Fig.9 Damper hysteresis curve in X-direction rare earthquake elastoplastic time history analysis of SHW2 wave

附加阻尼比的計(jì)算結(jié)果見表12，圖10 為SHW2波X向罕遇地震時(shí)程分析下的能量圖，黏滯阻尼器（墻）罕遇地震下可為結(jié)構(gòu)提供2%左右的附加阻尼。結(jié)構(gòu)自身的塑性發(fā)展水平有所降低，彈塑性阻尼由非減震模型的1.0%降低為0.6%。

圖10 SHW2波X向罕遇地震時(shí)程分析能量圖Fig.10 Energy diagram in X-direction rare earthquake time history analysis of SHW2 wave

圖11 為SHW2 波X 向罕遇地震下減震模型與非減震模型的性能指標(biāo)。從圖中可以看出，通過設(shè)置VFD 和VFW，梁柱構(gòu)件損傷情況得到改善，大部分為輕度損壞，中度損壞構(gòu)件僅為2.7%，未出現(xiàn)重度或嚴(yán)重?fù)p壞，與非減震模型的中度與重度損壞構(gòu)件25%相比，抗震性能得到較大的改善。

圖11 SHW2波X向罕遇地震下框架性能指標(biāo)Fig.11 Performance index of frame in X-direction rare earthquake of SHW2 wave

5 減震實(shí)施

對(duì)結(jié)構(gòu)采用消能減震前后的受力進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)消能子結(jié)構(gòu)的受力有所增加，并需要適當(dāng)提高其抗震性能至性能3（中震抗彎不屈服，抗剪彈性）。但其他位置的受力和計(jì)算配筋減小，原結(jié)構(gòu)的配筋及承載力基本能滿足要求。消能子結(jié)構(gòu)梁柱需要進(jìn)行加固，但其他位置基本無法加固。

由于結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的層間位移角為1/122，塑性發(fā)展水平較低，結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)和抗震構(gòu)造措施要求可仍按三級(jí)設(shè)計(jì)，綜合考慮建筑外立面及室內(nèi)裝修的較少破壞，建筑的總體造價(jià)降低。

圖12為典型VFD和VFW的施工照片。

圖12 消能減震構(gòu)件施工照片F(xiàn)ig.12 Construction picture of energy dissipation and shock absorption components

6 結(jié)論

本文介紹了消能減震分析在某既有建筑改造設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

（1）通過等效彈性迭代計(jì)算和小震時(shí)程分析，黏滯阻尼器（墻）工作狀態(tài)良好，可有效發(fā)揮其耗能作用，可為主體結(jié)構(gòu)提供5%左右的附加阻尼比。

（2）由于實(shí)際結(jié)構(gòu)在地震力作用下各樓層阻尼器不是同時(shí)達(dá)到最大出力和位移，采用等效彈性的迭代計(jì)算會(huì)過大估計(jì)這種附加阻尼作用，采用基于時(shí)程分析的方法更接近阻尼器的真實(shí)受力狀態(tài)。

（3）通過設(shè)置消能構(gòu)件，罕遇地震下結(jié)構(gòu)自身的塑性發(fā)展水平非常低，彈塑性阻尼約為0.6%，最大層間位移角僅為1/122。梁柱構(gòu)件大部分為輕度損壞，少量為中度損壞，未出現(xiàn)重度或嚴(yán)重?fù)p壞，有效保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)的安全。

（4）設(shè)置減震構(gòu)件后，消能子結(jié)構(gòu)的受力有所增加，但其他位置的受力和計(jì)算配筋減小。由于結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的層間位移角減小，塑性發(fā)展水平較低，結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)和抗震構(gòu)造措施要求可仍按三級(jí)設(shè)計(jì)，綜合考慮建筑外立面及室內(nèi)裝修的較少破壞，建筑的總體造價(jià)降低。

因此，在既有建筑結(jié)構(gòu)的改造加固設(shè)計(jì)中，可以在結(jié)構(gòu)的特定部位裝設(shè)某種裝置或機(jī)構(gòu)（如消能器、消能支撐等），利用這些減震裝置的耗能來減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，從而使結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)（如加速度、速度、位移等）得到合理控制。消能減震可避免大量的構(gòu)件加固工作，節(jié)約工程量，縮短結(jié)構(gòu)工期，并確保結(jié)構(gòu)的安全。