楊 春 Yang Chun 胡 旭 Hu Xu 賴遠(yuǎn)峰 Lai Yuanfeng

0 引言

在城市有機(jī)更新和既有建筑改造的道路上，既有建筑結(jié)構(gòu)的功能性和安全性是應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的。從結(jié)構(gòu)性能角度來講，既有建筑結(jié)構(gòu)的改造過程一般是加固性質(zhì)的改造。減震加固法與傳統(tǒng)加固法相比，在施工要求、抗震要求及對周圍環(huán)境的影響程度方面有著明顯的優(yōu)越性，還可以遵循“守舊如舊”的歷史文物保護(hù)原則。因此，減震加固技術(shù)在既有建筑的改造過程中會有巨大需求。

相比其他減震阻尼器，非線性黏滯阻尼器在應(yīng)用程度、受力性能等方面有著顯著的優(yōu)勢，本文將以其作為研究對象。對于減震加固設(shè)計方法，目前大多數(shù)方法都是圍繞“拆分組合”的設(shè)計思想展開，其中主要有兩種：一是能量法，通過結(jié)構(gòu)所需的附加阻尼比將阻尼器與結(jié)構(gòu)形成一體，然后再根據(jù)附加阻尼比分別對阻尼器和原結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體設(shè)計[1]；二是 JSSI規(guī)范方法，先從力與變形的角度建立阻尼器、結(jié)構(gòu)以及支撐三者之間的關(guān)系，然后分別對黏滯阻尼器和支撐進(jìn)行設(shè)計，最后呈減震結(jié)構(gòu)[2]。實(shí)際上，兩種設(shè)計思路在概念上是相通的，但在具體實(shí)踐中各有優(yōu)缺點(diǎn)。

許多學(xué)者也曾開展研究并取得了一些成果。韓建平[3]、翁大根[4]、李曉文[5]等研究了JSSI法中阻尼器減震設(shè)計的具體流程，并在實(shí)踐中得到了驗證；魏璉等[6-7]研究了阻尼減震的滯回特性、計算原則以及性能目標(biāo)等設(shè)計思路的具體細(xì)節(jié)及其理論基礎(chǔ)；肖平等[8]研究了黏滯阻尼器在蒸汽發(fā)生器振動中的減震效果和優(yōu)化設(shè)計等。總體上來講，能量法是我國當(dāng)前規(guī)范中的減震設(shè)計方法，相比JSSI法，它更全面地反映出減震加固技術(shù)中的耗能等重要思想，但也存在設(shè)計過程復(fù)雜等實(shí)踐問題，例如對支撐等部件進(jìn)行設(shè)計較為困難；而JSSI法雖然采用的是傳統(tǒng)力學(xué)模型，概念上更清晰明了，但其中一些結(jié)論和我國的國情還不能完全匹配的，如JSSI方法中的阻尼效應(yīng)系數(shù)是由31條地震波所得到的，這和我國的規(guī)范反應(yīng)譜有很大不同。框架結(jié)構(gòu)是我國現(xiàn)有建筑中最為常見的結(jié)構(gòu)形式之一，因此，本文將針對既有框架結(jié)構(gòu)，從能量原理的角度進(jìn)行研究。

1 黏滯阻尼器減震設(shè)計實(shí)用方法

黏滯阻尼器減震設(shè)計過程較為復(fù)雜，且存在阻尼參數(shù)選型、阻尼器數(shù)量確定以及布置方式等諸多難點(diǎn)。針對既有框架結(jié)構(gòu)，我們從能量原理的角度提出了黏滯阻尼器減震設(shè)計的實(shí)用方法。該方法大致可以分成兩步：一是通過對原結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜分析及能量原理，設(shè)計阻尼器的減震方案；二是通過對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同水平的地震動分析（時程分析），對比驗證并進(jìn)一步優(yōu)化已有的設(shè)計方案。具體設(shè)計流程見圖1。

1.1 基于樓層能量的阻尼分配方法（第4步）

從Maxwell模型理論公式Wcj=λCαωα可知，結(jié)構(gòu)一旦確定了速度指數(shù)α，單個阻尼器的耗能與其兩端最大相對位移ud會成正比關(guān)系。因此，為了控制結(jié)構(gòu)的變形和增大阻尼器的耗能作用，阻尼器應(yīng)該布置在結(jié)構(gòu)相對位移的較大樓層，即基于位移設(shè)計方法。但從fS=f1-fD可知，阻尼器應(yīng)按結(jié)構(gòu)樓層剛度進(jìn)行布置，用以控制結(jié)構(gòu)的剪力，即JSSI規(guī)范減震設(shè)計方法[2]。綜上所述，本文認(rèn)為更為合理的方法應(yīng)當(dāng)是按相對位移和樓層剪力乘積——能量原理進(jìn)行布置，即消規(guī)建議方法[9]。

圖1 減震加固設(shè)計流程

由于鋼筋混凝土框架為剪切型結(jié)構(gòu)，各樓層可近似相互獨(dú)立，結(jié)構(gòu)在設(shè)置阻尼器后，某樓層變形能的減小可以近似認(rèn)為是該層所加阻尼器發(fā)揮的耗能分擔(dān)作用。在此，我們根據(jù)減震前后樓層變形能差給出了阻尼分配的具體方法。（1）分別對原結(jié)構(gòu)（即=0.05）和減震結(jié)構(gòu)（即）進(jìn)行反應(yīng)譜分析，可得到樓層剪力和層間變形，從而進(jìn)一步得到結(jié)構(gòu)減震設(shè)計前后的各樓層變形能及變形能差。

（2）樓層歸一化：為了計算更加方便，可根據(jù)結(jié)構(gòu)第j層的變性能差和層間位移，為其進(jìn)行歸一化處理。樓層阻尼系數(shù)比ηi定義為：

式中，ΔWSi—結(jié)構(gòu)第i層減震設(shè)計前后的變形能；

ΔWSj—結(jié)構(gòu)第j層減震設(shè)計前后的變形能差。

則可得到各層阻尼器出力值為：

式中，F(xiàn)i—結(jié)構(gòu)第i層的阻尼器出力值；

Fj—結(jié)構(gòu)第j層的阻尼器出力值。

（3）本文方法先假定采用人字形支撐速度指數(shù)相同，具體情況應(yīng)進(jìn)一步修正。由規(guī)范能量法公式[10]WC=4πWsd=2πdΣi(fiui) ，以及經(jīng)典的 Maxwell模型[11]或者日本JSSI規(guī)范[2]，可得到黏滯阻尼器單個循環(huán)耗能的近似計算公式：

式中，WC—阻尼器應(yīng)提供的總耗能；

fi—結(jié)構(gòu)第i層的剪力；

ui—結(jié)構(gòu)第i層的最大層間位移；

ud,i—結(jié)構(gòu)第i層所加阻尼器兩端的最大相對位移。

1.2 減震加固設(shè)計優(yōu)化及驗證方法（第6～7步）

在減震加固設(shè)計優(yōu)化中，需要進(jìn)行時程分析。一方面，這是因為規(guī)范[9]中強(qiáng)制要求的；另一方面，通過時程分析，我們可以進(jìn)一步考察黏滯阻尼器的真實(shí)性能。減震方案設(shè)計采用的反應(yīng)譜法假定了附加阻尼比均勻布置，但在實(shí)際中并非如此，是需要進(jìn)一步優(yōu)化的。因此，結(jié)合時程分析，本文給出了黏滯阻尼器減震加固的方案優(yōu)化設(shè)計及驗證方法（圖2）。

結(jié)構(gòu)的實(shí)際附加阻尼比可先進(jìn)行反應(yīng)譜預(yù)估，然后根據(jù)能量法等計算進(jìn)行對比驗證，最后按照實(shí)際計算的附加阻尼比，整體控制黏滯阻尼器的出力值。3種常見的附加阻尼比計算方法如表1所示。

圖2 基于時程分析的減震方案驗證與優(yōu)化流程

表1 實(shí)際附加阻尼比驗算方法

2 實(shí)際工程減震加固方案設(shè)計

2.1 工程概況

本工程為房屋的鑒定與加固項目，位于新疆烏魯木齊市。原結(jié)構(gòu)始建于1988年，采用的是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，為內(nèi)廊型結(jié)構(gòu)布置。主體結(jié)構(gòu)有8層，樓頂塔樓有2層?？偢叨葹?0.8m，底層層高為4.7m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m，其中突出塔樓為6.7m。該地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度，抗震設(shè)防類別為丙類，建筑場地類別為二類。經(jīng)鑒定：框架梁構(gòu)造措施滿足要求，但1～5層承載力不滿足；框架柱1～3層延性不滿足（特別是底層），且1～4層承載力不滿足；結(jié)構(gòu)樓層1～4層變形不滿足，且底層最為薄弱。利用Perform-3D軟件可進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性分析與結(jié)構(gòu)性能鑒定，建模如圖3所示。

圖3 Perform-3D結(jié)構(gòu)三維模型圖

2.2 減震加固方案設(shè)計及其合理性評價

本次加固方案采用減震加固法。根據(jù)鑒定結(jié)果可知，除了對底部樓層柱進(jìn)行軸壓比和構(gòu)造措施加固以外，暫不用考慮其它構(gòu)造措施。經(jīng)反應(yīng)譜分析，估算在小震階段，結(jié)構(gòu)X向所需的附加阻尼比為15.5%(即總阻尼比20.5%)，Y向附加阻尼比為11%（即總阻尼比16%）。因此，本文需分別對結(jié)構(gòu)的X、Y兩個方向進(jìn)行減震加固設(shè)計。在這里作了一些簡化，將所有阻尼器的布置方式設(shè)置為人字形，且同樓層內(nèi)的阻尼系數(shù)相同。限于篇幅，這里省略了計算過程，直接給出X、Y向減震加固方案計算結(jié)果（表2）。

計算結(jié)果表明，阻尼器主要布置在底部這些結(jié)構(gòu)較大變形和受力的樓層，方案合理。另外，根據(jù)表2中的樓層附加阻尼比和阻剪比（α=0.25時，max=0.32，βmax=0.55 ）驗算可知，結(jié)構(gòu)實(shí)際附加阻尼比小并且豎向規(guī)則分布，因此該方案不會因為樓層過于薄弱導(dǎo)致阻尼器過多布置，故符合合理性要求。

表2 減震加固方案計算結(jié)果表格（X方向-20.5%，Y方向-16%）

圖4 阻尼器布置圖

表3 結(jié)構(gòu)實(shí)際附加阻尼比比較

2.3 阻尼器布置

結(jié)合實(shí)際情況，以盡量分散、對稱、邊跨并在構(gòu)件內(nèi)力較小處布置的方式為原則，對阻尼器進(jìn)行布置，布置位置如圖4所示，共計38個黏滯阻尼器。初步方案為：阻尼器A型號8個，阻尼系數(shù)為140；B型號11個，阻尼系數(shù)為120；C型號16個，阻尼系數(shù)為100；D型號3個，阻尼系數(shù)為80。

3 減震加固方案驗算與優(yōu)化

3.1 小震階段驗算

小震階段驗算包括附加阻尼比驗算和結(jié)構(gòu)及構(gòu)件性能鑒定[12]。

（1）通過反應(yīng)譜預(yù)估得到結(jié)構(gòu)的實(shí)際附加阻尼比，然后通過表1的3種計算方法進(jìn)行對比驗算，計算結(jié)果如表3所示。

（2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)及構(gòu)件性能鑒定。分析表明結(jié)果，小震階段結(jié)構(gòu)保持彈性狀態(tài)，黏滯阻尼器的作用效果明顯，結(jié)構(gòu)減震率及結(jié)構(gòu)響應(yīng)得到明顯改善，其中屈服梁的構(gòu)件數(shù)量已銳減到5%以下。因此，從小震階段減震，減震方案設(shè)計較為合理。其平均層間位移角和樓層剪力變化如圖5所示。

3.2 中震階段驗算與大震階段驗算

對于中震階段和大震階段，分別進(jìn)行了183gal、376gal時程分析，同時進(jìn)行了兩次靜力彈塑性分析。分析結(jié)果表明，中震驗算滿足要求，在大震階段雖然損傷指標(biāo)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)得到了減小，但仍然不符合結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)要求，還需按照圖1的流程進(jìn)一步優(yōu)化。限于篇幅，不再給出中震驗算結(jié)果與進(jìn)一步優(yōu)化的具體方案以及附屬部件的設(shè)計方案。達(dá)到了目標(biāo)要求，這說明減震設(shè)計的初步方案較為合理。

圖5 小震時程分析結(jié)果

（3）通過對實(shí)際工程減震加固方案的驗算和優(yōu)化設(shè)計，可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的減震效果在小震和大震時是不同的，應(yīng)該分別進(jìn)行方案驗算。減震方案通常是按小震設(shè)計的，因此在進(jìn)行優(yōu)化時，應(yīng)該先按結(jié)構(gòu)大震的計算結(jié)果優(yōu)化，然后再對小震設(shè)計時的減震方案進(jìn)一步優(yōu)化，這樣才更為合理。

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過對能量法和JSSI法兩種主流減震設(shè)計思路的對比，從能量原理的角度，制定了一種針對于框架結(jié)構(gòu)的黏滯阻尼器減震設(shè)計方法。通過實(shí)際工程驗證，可以得出以下主要結(jié)論：

（1）對于既有框架結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計，本文所提方法在概念上較為清晰，在設(shè)計時更為簡潔，且可以快速高效地解決現(xiàn)有建筑的減震加固問題。實(shí)踐證明，該方法具有可行性。

（2）通過對實(shí)際工程的減震設(shè)計，先將其計算分析與鑒定結(jié)果結(jié)合對比，用以判斷阻尼器布置方式的合理性；其次，應(yīng)重點(diǎn)觀察結(jié)構(gòu)的薄弱部位并盡量減少不必要的加固。經(jīng)時程分析驗算發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)層次性能與構(gòu)件層次性能