鄭 杰,李?lèi)?ài)群,梁沙河,裘趙云,魯風(fēng)勇
(東南大學(xué)建筑工程抗震與減振研究中心,江蘇南京210096)
2008年“5·12”汶川地震發(fā)生后,我國(guó)建筑相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都做了修訂,對(duì)既有結(jié)構(gòu)按新規(guī)范要求采用適當(dāng)?shù)目拐鹦阅茉u(píng)估方法,進(jìn)行全面檢測(cè)和抗震鑒定,不符合抗震要求的,需進(jìn)行合理的抗震加固處理(陳婷婷,2012),從而提高現(xiàn)有建筑的使用壽命和安全性能。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)常用的加固方法有:粘鋼加固、加大截面加固、外包鋼加固、鋼絲網(wǎng)加固、鋼絞線—聚合物砂漿加固和碳纖維加固等(郭健,2004;夏松,2009;衛(wèi)龍武等,1993;張?chǎng)蔚龋?011),這些加固方法普遍存在施工破損面大、工期長(zhǎng)、費(fèi)用高等問(wèn)題(徐彤等,2000)。為此,有必要進(jìn)一步開(kāi)展結(jié)構(gòu)抗震加固新技術(shù)的研究,將隔震和消能減震技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固改造中,使其具有施工破損面小、工廠化制作、現(xiàn)場(chǎng)安裝、節(jié)省工期、降低費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)能有效提高加固結(jié)構(gòu)的抗震性能,從而為加固改造開(kāi)辟更為有效的新途徑。
黏滯流體阻尼器屬于速度相關(guān)型的阻尼器(李?lèi)?ài)群,2007),能夠提供較大的阻尼。在小震下也能耗能,此外,黃鎮(zhèn)(2007)認(rèn)為黏滯流體阻尼器一般不提供附加的剛度,不會(huì)改變?cè)Y(jié)構(gòu)的自振周期致使地震作用增加。因此,黏滯流體阻尼器是一種有效的減震加固技術(shù),可用于既有建筑的加固改造中。
本文采用黏滯流體阻尼器減震加固技術(shù),對(duì)新疆某12層既有框架剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的時(shí)程分析。
新疆某框架剪力墻結(jié)構(gòu),地上12層(加上出屋面2層,共14層),地下1層,以抗震縫分割為左、右兩部分,本文對(duì)右側(cè)部分進(jìn)行分析。本分析模型不含地下室,從嵌固層開(kāi)始建模,結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。梁、板柱、墻均采用C30混凝土,埋件和阻尼器附加構(gòu)件采用Q345B鋼材??拐鹪O(shè)防類(lèi)別乙類(lèi),抗震設(shè)防烈度Ⅷ度,基本地震加速度0.2 g,設(shè)計(jì)地震分組第二組,場(chǎng)地類(lèi)別II類(lèi),采用黏滯流體阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,阻尼器分別布置在第4層至第11層,共24套。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.1 Layout of the standard layer structure
非線性黏滯流體阻尼器的阻尼力公式為(周云,2006)
式中,C為阻尼系數(shù),v為活塞運(yùn)動(dòng)速度,α為速度指數(shù)。本結(jié)構(gòu)中采用A、B兩種黏滯流體阻尼器,阻尼系數(shù)分別為1.0×106N·s/m、1.2×106N·s/m,指數(shù)均為0.3。最大阻尼力均為600 kN,阻尼器具體放置位置如圖1所示。模型建立如圖2所示,右區(qū)建筑的ETABS模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為15 030 t,彈塑性動(dòng)力模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為15 817 t。綜上,通過(guò)對(duì)比兩個(gè)模型各模態(tài)周期和質(zhì)量,可見(jiàn)兩個(gè)模型的相應(yīng)數(shù)據(jù)基本相同,差別很小,故所建立的彈塑性動(dòng)力模型符合要求。
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)5.1.4條, “計(jì)算罕遇地震時(shí),特征周期應(yīng)增加0.05”,因此實(shí)際特征周期為0.45 s。根據(jù)此條原則選擇天然波 1(TH1TG045)、天然波 2(TH2TG045)、人工波(RH1TG045),地震波如圖3所示。彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取為0.02 s,計(jì)算時(shí)間對(duì)兩條天然波取為20 s,對(duì)人工波取為15 s,滿(mǎn)足規(guī)范要求。
圖2 結(jié)構(gòu)分析模型Fig.2 Structure analysis model
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)表5.1.2-2,確定地震波的峰值加速度。主方向、次方向最大加速度取為1∶0.85。地震波峰值加速度取主方向400 cm/s2、次方向340 cm/s2。
由圖4可知,加設(shè)黏滯阻尼器后,首層剪力均有不同程度的減小。在人工波作用下,X和Y方向的減震效果相差不多;天然波1作用下,X向的減震效果好于Y方向;天然波2作用下,Y向的減震效果好于X方向。總體上,X和Y兩個(gè)方向的減震效果相差不大,說(shuō)明阻尼器布置合理。
如圖5所示,X向人工波作用下,結(jié)構(gòu)在進(jìn)行減震前后層間位移角在各樓層的減震率最小約為3.26%,最大可達(dá)13%(圖5a);X向天然波1作用下,結(jié)構(gòu)在進(jìn)行減震前后層間位移角在各樓層的減震率最小約為2.7%,最大可達(dá)13.28%(圖5b);X向天然波2作用下,結(jié)構(gòu)在進(jìn)行減震前后層間位移角在各樓層的減震率最小約為8.08%,最大可達(dá)12.49%(圖5c);Y向人工波作用下,結(jié)構(gòu)在進(jìn)行減震前后層間位移角各樓層的減震率最小約為6.24%,最大可達(dá)14.09%(圖5d);Y向天然波1作用下,結(jié)構(gòu)在進(jìn)行減震前后層間位移角在各樓層的減震率最小約為7.5%,最大可達(dá)29.45%(圖5e);Y向天然波2作用下,結(jié)構(gòu)在進(jìn)行減震前后層間位移角在各樓層的減震率最小約為5.66%,最大可達(dá)15.85%(圖5f)。
圖3 天然波1(a)、天然波2(b)和人工波(c)波形示意圖Fig.3 Schematic diagram of natural wave 1(TH1TG045)(a),natural wave 2(TH2TG045)(b)and artificial wave(RH1TG045)(c)
圖4 X向人工波(a)、Y向人工波(b)、X向天然波1(c)、Y向天然波1(d)、X向天然波2(e)以及Y向天然波2(f)作用下首層剪力時(shí)程Fig.6 Time-history graph of shear force in the first layer under the artificial wave in X direction(a),the artificial wave in Y direction(b),the natural wave 1 in X direction(c),the natural wave 1 in Y direction(d),the natural wave 2 in X direction(e)and the natural wave 2 in Y direction
非線性黏滯流體阻尼器提供給結(jié)構(gòu)的各振型有效阻尼比為
式中,φij為第j個(gè)消能阻尼器兩端的第1振型相對(duì)水平位移差;φi為第一振型第i個(gè)自由度的位移;mi為第i層集中質(zhì)量;A為第一振型頂層最大位移;α為冪指數(shù);cj為第j個(gè)非線性黏滯流體阻尼器的阻尼系數(shù);λ為系數(shù),伽馬函數(shù)。
因在X、Y向設(shè)置阻尼器,所以X、Y向等效阻尼比計(jì)算結(jié)果分別為2.32%、3.65%,綜合考慮取X向附加阻尼比為2.3%,Y向附加阻尼比為3.5%,計(jì)算采用的總阻尼比可取為8% 。
本框架剪力墻結(jié)構(gòu)采用了黏滯流體阻尼器消能減震技術(shù)進(jìn)行加固,并對(duì)結(jié)構(gòu)在Ⅷ度(0.2g)罕遇地震荷載作用下減震前和減震后的工作性能分別進(jìn)行了計(jì)算分析,首層剪力減小,且X方向?qū)娱g位移的平均減震率最小為4.68%,最大為12.92%;Y方向?qū)娱g位移的平均減震率最小為6.47%,最大為19.8%。采用黏滯流體阻尼器使得該結(jié)構(gòu)的抗震性能得到提升,滿(mǎn)足現(xiàn)有抗震規(guī)范的要求。通過(guò)本工程的加固設(shè)計(jì)和實(shí)施,證實(shí)了黏滯流體阻尼器能夠用于高烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的加固改造項(xiàng)目,且效果良好。
圖5 X向人工波(a)、X向天然波1(b)、X向天然波2(c)、Y向人工波(d)、Y向天然波1(e)以及Y向天然波2(f)作用下層間位移角Fig.5 The biggest displacement angle between the layers under the artificial wave in X direction(a),the natural wave 1 in X direction(b),the natural wave 2 in X direction(c),the artificial wave in Y direction(d),the natural wave 1 in Y direction(e)and the natural wave 2 in Y direction(f)
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