沈 偉，李愛群，蘇 毅，魯風(fēng)勇，宋前恩

(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

目前，既有建筑抗震加固方法本質(zhì)上是以“硬抗”為主，通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力、延性和整體性能來提高結(jié)構(gòu)的抗震能力(陳婷婷，2012);常用的加固方法主要包括加大構(gòu)件截面、增設(shè)墻體、粘貼鋼板等(郭健，2004;張?chǎng)蔚龋?011)，這些方法對(duì)建筑原裝修和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞均較大，且施工繁瑣、工期長(zhǎng)(徐彤等，2000)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出的消能減震技術(shù)改變了傳統(tǒng)的抗震理念，由結(jié)構(gòu)和減震裝置共同來抵御外界的地震作用;進(jìn)行抗震加固時(shí)，阻尼器及支撐構(gòu)件可預(yù)先制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工方便且施工周期短。因此，結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)應(yīng)用于中小學(xué)校舍安全工程中，具有其獨(dú)特的優(yōu)越性(賀軍利，汪大綏，2005)。

結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)是指在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置，通過局部變形提供附加阻尼，以消耗輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期設(shè)防要求(李愛群，2007)。具體就是把結(jié)構(gòu)的某些構(gòu)件(支撐、剪力墻、連接件等)設(shè)計(jì)成消能桿件，或在結(jié)構(gòu)的某些部位(層間空間、節(jié)點(diǎn)、連接縫等)安裝消能支撐，在小震下，這些消能桿件(或消能裝置)和結(jié)構(gòu)共同工作，結(jié)構(gòu)本身處于彈性狀態(tài)并滿足正常使用要求;大震或大風(fēng)下，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增加，消能桿或者消能裝置產(chǎn)生較大的阻尼(黃鎮(zhèn)，2007)，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)地震或風(fēng)振能量，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)能或者變形能轉(zhuǎn)化為熱能等形式消耗掉，迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，使主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)。

1 工程概況

某中學(xué)教學(xué)樓地上6層。第1層層高4.2 m，其他層層高3.7 m，主體建筑總高度為24.3 m。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 某中學(xué)教學(xué)樓結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Model of the structure of a middle school teaching building

該結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架體系，設(shè)計(jì)使用年限50年，框架抗震等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1 g，建筑場(chǎng)地為IV類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)于2000年，按照現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行校核計(jì)算，發(fā)現(xiàn)存在以下問題:結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的最大彈性層間位移角大于規(guī)范規(guī)定的限值1/550，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的最大彈塑性位移角遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的限值1/50。如果采用常規(guī)加固方法，增加柱、梁截面，會(huì)對(duì)建筑內(nèi)原有的裝修造成極大破壞，且工期長(zhǎng);同時(shí)，在常規(guī)加固之后，還應(yīng)該對(duì)建筑物進(jìn)行再裝修?？紤]到該建筑是教學(xué)樓，校方希望通過暑假兩個(gè)月時(shí)間完成該樓的加固工作，經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合比較，同意采用結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)。

2 結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)方案

2.1 消能支撐布置

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011－2010)、《建筑消能阻尼器》(JG/T209－2007)以及校方提供的建筑設(shè)計(jì)圖、結(jié)構(gòu)布置圖和設(shè)計(jì)分析結(jié)果，在1～6層適當(dāng)位置沿結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向分別設(shè)置黏滯阻尼器，從而降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)(表1)，阻尼器的支撐方式有斜撐和人字撐兩種類型(圖2)。

表1 各樓層阻尼器布置類型和數(shù)量Tab.1 The type and number of the arrangement dampers in each floor

圖2 阻尼器支撐方式(a)斜撐;(b)人字撐Fig.2 The support way of the dampers(a)spag;(b)herringbone bridging

2.2 消能器的選用

工程采用雙出桿型黏滯流體阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行消能減震。阻尼器由缸筒、活塞、阻尼通道、阻尼介質(zhì)(黏滯流體)和倒桿等部分組成(圖3)。

圖3 雙出桿黏滯流體阻尼器外形示意圖Fig.3 Sketch map of external form of the dual rod viscous fluid dampers

當(dāng)工程結(jié)構(gòu)因振動(dòng)而發(fā)生變形時(shí)，安裝在結(jié)構(gòu)中的黏滯流體阻尼器的活塞與缸筒之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于活塞前后的壓力差使黏滯流體從阻尼通道中通過，從而產(chǎn)生阻尼力，耗散外界輸入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的目的(孟春光，2009)。阻尼器的阻尼力和變形之間的關(guān)系可以描述為

式中，C為阻尼系數(shù)，V為阻尼器變形速率，α為阻尼指數(shù)。本工程采用阻尼器參數(shù)如表2所示。

表2 黏滯流體阻尼器參數(shù)Tab.2 The parameter of viscous fluid dampers

3 地震作用下的結(jié)構(gòu)消能減震分析

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)采用SATWE軟件，多遇地震下的彈性時(shí)程分析采用ETABS NonlinearC V9.7.3軟件，設(shè)防烈度和罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析采用PERFORM-3D V4.0.3軟件。時(shí)程分析所使用的地震波取5條國際上具有完整時(shí)程校正的符合工程場(chǎng)地土特質(zhì)的典型地震記錄和2條根據(jù)該工程附近場(chǎng)地的地貌和地質(zhì)特性制成的人工地震波，計(jì)算結(jié)果取7條地震波時(shí)程分析結(jié)果的包絡(luò)值。

3.1 結(jié)構(gòu)模型校核

采用SATWE、ETABS和PERFORM-3D軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，為判斷模型的可靠性，提取各軟件的模態(tài)分析結(jié)果、總質(zhì)量和層剪力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。ETABS、SATWE和PERFORM-3D模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量分別為5 346 t、5 359 t和5 365 t。模型的前9階周期見表3，模型反應(yīng)譜分析的層間剪力結(jié)果對(duì)比見表4。

表3 模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比Tab.3 Contrast of model analysis results

表4 彈性反應(yīng)譜的層剪力計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.4 Contrast of story shear of elastic response spectrum

3.2 地震波的選取

本工程設(shè)計(jì)地震波選用KOCAELI(KOCA)、NORTHRIGE(NOR)、R2、WASHINGTON(WASH)、WESTMORELAND(WEST)、SH1(人工波)、SH4(人工波)共7條。通過對(duì)波在頻域內(nèi)的綜合調(diào)整，使得各條波在Ⅶ度多遇地震(35 gal)的反應(yīng)譜與我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)相對(duì)應(yīng)的不同水準(zhǔn)設(shè)計(jì)譜基本一致。兩條人工地震波SH1、SH4是根據(jù)該工程附近場(chǎng)地的地貌和地質(zhì)特性制成的?；准袅?duì)比見表5。Ⅶ度多遇(35 gal)設(shè)計(jì)地震動(dòng)和5%阻尼比規(guī)范設(shè)計(jì)譜對(duì)比如圖4所示。

表5 多遇地震作用下各地震波基底剪力Tab.5 The base shear of each seismic waves under frequent earthquake

圖4 設(shè)計(jì)地震動(dòng)和5%阻尼比規(guī)范設(shè)計(jì)譜對(duì)比Fig.4 Contract between design ground motion and standard design spectrum of damping ratio of 5%

3.3 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

對(duì)無控結(jié)構(gòu)和有控結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析采用非線性快速時(shí)程分析方法(FNA)，對(duì)結(jié)構(gòu)整體及其構(gòu)件承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)和復(fù)合，得出樓層剪力、層間位移角等結(jié)構(gòu)宏觀響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果表明多遇地震作用下無控結(jié)構(gòu)不滿足彈性目標(biāo)，最大層間位移角大于規(guī)范要求的1/550，有控結(jié)構(gòu)則能滿足彈性目標(biāo)，層間位移角均能滿足規(guī)范限值。限于篇幅，在這里不一一列出。最后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行比較，得出各條地震波作用下，有控結(jié)構(gòu)相對(duì)于無控結(jié)構(gòu)的層剪力減震率(表6、表7)。

表6 X向各條地震波的層間剪力減震率Tab.6 Reducing rate of intersstory shear of each seismic wave in X direction

表7 Y向各條地震波的層間剪力減震率Tab.7 Reducing rate of inter story shear of each seismic wave in Y direction

3.4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

采用Perform-3D軟件對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

3.5 等效附加阻尼比

黏滯阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)的減震作用可以通過附加等效阻尼比的方式進(jìn)行考慮，等效附加阻尼比ξa可以按照下式進(jìn)行估算:

式中，Wcj為第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移Δuj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量;Ws為設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總變形能。

按照(2)式算得的結(jié)構(gòu)X向等效附加阻尼比為10.12%，Y向等效附加阻尼比為11.03%。保守地取等效附加阻尼比為10%，即結(jié)構(gòu)總阻尼比為15%。

圖5 結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析下的層間位移角對(duì)比(a)X向KOCA波;(b)Y向KOCA波;(c)X向WEST波;(d)Y向WEST波;(e)X向SH4波;(f)Y向SH4波Fig.5 Interstory displacement angle contract in analyze of structure elastic plastic time history(a)KOCA wave in X direction;(b)KOCA wave in Y direction;(c)WEST wave in X direction;(d)WEST wave in Y direction;(e)SH4 wave in X direction;(f)SH4 wave in Y direction

3.6 等效阻尼比驗(yàn)證

將計(jì)算得到的等效阻尼比15%輸入ETABS，采用反應(yīng)譜計(jì)算方法，得到每一層的地震力，將其與5%阻尼比下的結(jié)果作對(duì)比，如表8所示，等效阻尼比減震率=(5%阻尼比層剪力結(jié)果－15%阻尼比層剪力結(jié)果)/5%阻尼比層剪力結(jié)果;減震結(jié)構(gòu)減震率=(5%阻尼比層剪力結(jié)果－加阻尼器結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析層剪力結(jié)果)/5%阻尼比層剪力結(jié)果。

由表8可知，15%阻尼比的ETABS模型反應(yīng)譜方法得到的樓層地震力減震率基本小于ETABS得到的在時(shí)程分析下的地震力減震率，對(duì)于第五、第六層的樓層地震力減震率稍大于時(shí)程分析下的地震力減震率，而原結(jié)構(gòu)在第五、第六層已加強(qiáng)配筋，綜上，可以認(rèn)為采用15%的等效阻尼比是偏于安全的，可以采用此數(shù)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震加固計(jì)算和設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

某中學(xué)教學(xué)樓采用了黏滯流體阻尼器消能減震技術(shù)，本文對(duì)該結(jié)構(gòu)在Ⅶ度(0.1 g)多遇、罕遇地震作用下的減震前和減震后工作性能分別進(jìn)行了計(jì)算分析，得出以下主要結(jié)論:

(1)采用黏滯流體阻尼器對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震設(shè)計(jì)是有效的。

表8 X向、Y向各條地震波的層間剪力減震率Tab.8 Reducing rate of interstory shear in X and Y directions

(2)根據(jù)與SATWE計(jì)算結(jié)果比較可知，采用ETABS和PERFORM-3D建立的計(jì)算模型合理，分析軟件計(jì)算結(jié)果可靠。

(3)按照本項(xiàng)目建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用了5條天然波和2條人工波，每條地震波計(jì)算所得未減震結(jié)構(gòu)的底部地震剪力均大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，平均值大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011－2010)的要求。采用這7組地震加速度時(shí)程曲線下各自最大地震響應(yīng)值的平均值作為時(shí)程分析的最終計(jì)算值，結(jié)果可靠。

(4)在現(xiàn)有布置52套阻尼器的情況下，結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)均有所減小。在Ⅶ度(0.1 g)常遇地震作用下，X向基底剪力平均減震率約31.59%，Y向基底剪力平均減震率約32.54%。

(5)經(jīng)過計(jì)算并綜合考慮得出黏滯流體阻尼器附加給結(jié)構(gòu)X向和Y向的等效阻尼比均為10%。

(6)該工程采用消能減震技術(shù)后，在不加大構(gòu)件截面的前提下，結(jié)構(gòu)抗震性能大為提高，滿足了現(xiàn)行規(guī)范的要求，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

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