王曉雷

(山東電力建設(shè)第三工程公司，山東青島 266100)

1 工程概況

本文采用的建筑結(jié)構(gòu)為都江堰市某學(xué)校建筑，六層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計于2007年，建成后經(jīng)歷了汶川8．0級地震的考驗，主體結(jié)構(gòu)完好，僅部分分隔空心墻遭到嚴重損壞。建筑總高度為23．2 m，工程原設(shè)計為7度抗震設(shè)防，三級框架，Ⅱ類場地，設(shè)計地震分組第一組，設(shè)計基本地震加速度值0．10g，反應(yīng)譜特征周期 0．35 s。

本文加固設(shè)計按GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［1］執(zhí)行，取8度抗震設(shè)防，Ⅱ類場地，設(shè)計地震分組第二組，反應(yīng)譜特征周期0．4 s，設(shè)計基本地震加速度值為0．20g。采用消能減震加固方案進行設(shè)計，選擇合適的阻尼器，考慮到該建筑為學(xué)校建筑，為提高其抗震安全性，加固后建筑在8度地震作用下的層間相對位移角應(yīng)滿足小震［1/900］、中震［1/300］、大震［1/100］的性能要求。

2 粘滯阻尼減震的基本原理

阻尼是結(jié)構(gòu)振動衰減的根本原因，結(jié)構(gòu)中的真實阻尼特性極其復(fù)雜，通常不太可能確定結(jié)構(gòu)中阻尼的確切性質(zhì)。在結(jié)構(gòu)分析中通常認為結(jié)構(gòu)阻尼為線性粘滯阻尼，即認為阻尼力和速度成正比［2］。雖然還有其他的阻尼理論，但因為結(jié)構(gòu)中的阻尼比較小，采用粘滯阻尼假設(shè)已能滿足設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘滯阻尼器后所附加的阻尼和結(jié)構(gòu)本身的阻尼是一致的，這是粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)便于分析的原因。

由于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比僅約為5%，普通鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比僅約為2%［3］，因此，地震發(fā)生時，結(jié)構(gòu)振動一般都處于放大效應(yīng)狀態(tài)，調(diào)整阻尼或結(jié)構(gòu)頻率是降低結(jié)構(gòu)反應(yīng)的兩條途徑。減震就是通過增大阻尼和改變結(jié)構(gòu)的自振特性來減小結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。

3 結(jié)構(gòu)三維有限元數(shù)值建模

為了研究該復(fù)雜高層建筑的動力特性，本文利用有限元軟件SAP2000建立了該建筑上部結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料參數(shù)如表1所示。圖1為SAP2000有限元數(shù)值計算模型，總結(jié)點個數(shù)為472個，總單元個數(shù)為1 007個，其中框架單元個數(shù)為724個，殼單元個數(shù)為283。X軸對應(yīng)實際結(jié)構(gòu)的東西水平向，Y軸對應(yīng)南北水平向，Z軸表示豎向。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料參數(shù)

圖1 結(jié)構(gòu)三維有限元模型

4 結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析

本次分析按照規(guī)范要求選取2條天然波記錄和1條人工時程記錄，將選定的三條加速度時程分別按規(guī)范要求，峰值調(diào)整到小震、中震和大震規(guī)定要求，時程圖見圖2。時程分析時，分別將三條波的小震、中震和大震加速度時程分別沿X，Y方向輸入，計算結(jié)構(gòu)的層間位移角。

圖2 三條地震動加速度時程

圖3 東西方向?qū)娱g位移角加固對比圖

加固計算結(jié)果見表2和表3，其中灰色底色標(biāo)注數(shù)值為未加固前超規(guī)范允許值的部分樓層。由于篇幅關(guān)系，此處僅給出了東西方向?qū)娱g位移角的加固對比圖，圖3，圖4為加固后結(jié)構(gòu)阻尼器設(shè)置示意圖。

從表2，表3以及圖3可以看出，結(jié)構(gòu)在減震加固之前，東西方向和南北方向很多樓層的層間位移角均不滿足規(guī)范要求限值，經(jīng)過本文的加固計算后，所有樓層的層間位移角均滿足了規(guī)范要求，說明本文的加固方案是可行的。

圖4 結(jié)構(gòu)阻尼器設(shè)置示意圖

本文加固使用的是粘彈性阻尼器，阻尼器的設(shè)置數(shù)量為33個，設(shè)置位置見圖4，設(shè)置參數(shù)為:最大行程:±200 mm;阻尼力:1 000 kN;阻尼系數(shù):500 s/mm;阻尼指數(shù)為0．2。

表2 東西方向?qū)娱g位移角加固計算結(jié)果

表3 南北方向?qū)娱g位移角加固計算結(jié)果

5 結(jié)語

本文以5·12地震后重災(zāi)區(qū)一學(xué)校教學(xué)樓為研究對象，利用消能減震技術(shù)，對消能減震加固方案進行設(shè)計，通過加固分析，結(jié)構(gòu)的減震控制效果很明顯，符合規(guī)范的要求:加固后建筑在8度地震作用下的層間相對位移角滿足小震［1/900］、中震［1/300］、大震［1/100］的性能要求。本文工作為建筑結(jié)構(gòu)減震加固工作提供了依據(jù)和建議，可為今后同類型的減震設(shè)計提供借鑒和參考。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］Clough R W，Penzien J．Dynamics of Structures［M］．New York:Mc Graw-Hill，1993．

［3］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．

［4］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．