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)

0 引言

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。

1 工程概況

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

2 消能減震模型

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。

3 分析結(jié)果

3.1 剪力時(shí)程圖

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。

3.2 最大層間位移角

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

3.3 等效阻尼比計(jì)算

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% 。

4 結(jié)論

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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