傅 友 東

(1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司， 福建 福州 350108; 2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350108)

我國既有建筑結(jié)構(gòu)的總面積大約為600余億m2，其中需要進(jìn)行加固改造的面積大約為40億m2[1]。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固方案主要有：增加截面法、粘貼鋼板、增設(shè)抗震墻、面層加固等，其實(shí)質(zhì)是通過加強(qiáng)原結(jié)構(gòu)的抗側(cè)承載力、延性或整體性能來硬抗地震輸入能量[2-4]。上述方法會對周邊環(huán)境帶來一定影響、導(dǎo)致建筑平面發(fā)生改變、施工周期長同時也會對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的損傷。消能減震加固技術(shù)是在既有結(jié)構(gòu)中增加消能器，通過消能器滯回耗能達(dá)到耗散地震影響的目的，減少主體結(jié)構(gòu)的地震作用[5-6]，達(dá)到不需對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行大面積抗震加固的目標(biāo)。Soong等[7]研究表明消能減震構(gòu)件可以全面提升建筑的抗震性能。Lee等[8]的研究表明通過合理設(shè)計，采用消能減震技術(shù)后附加阻尼比可高達(dá)35%。消能減震技術(shù)效果好、施工周期短、施工作業(yè)面少等優(yōu)點(diǎn)，因而在加固項(xiàng)目中得到廣泛的應(yīng)用[2,9]。

目前消能減震技術(shù)在加固項(xiàng)目多數(shù)采用單一類型產(chǎn)品，曹炳政等[10]采用黏滯阻尼器對某8度區(qū)宿舍樓進(jìn)行抗震加固，加固后性能得到提升，且具有一定的綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。趙雪蓮等[11]通過在原結(jié)構(gòu)中增設(shè)粘滯阻尼墻，實(shí)現(xiàn)減震后地震響應(yīng)低至原設(shè)計地震響應(yīng)，避免了對主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的加固。李紅等[12]對某綜合樓采用普通支撐和BRB的加固方案比選，對比發(fā)現(xiàn)中大震下，設(shè)置BRB方案結(jié)構(gòu)基底剪力增加小，結(jié)構(gòu)構(gòu)件無明顯破壞，設(shè)置BRB結(jié)構(gòu)無需對主要抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行加固，經(jīng)濟(jì)性明顯。蔡振等[13]對某框架結(jié)構(gòu)采用剪切阻尼器進(jìn)行加固，增設(shè)剪切型阻尼器后結(jié)構(gòu)樓層位移角顯著改善，降低地震力，結(jié)構(gòu)抗震性能有所提高。Uriz等[14]采用粘滯阻尼器對一棟多層鋼框架進(jìn)行抗震加固，附加阻尼比可使建筑結(jié)構(gòu)的性能提升；Diotallvi等[15]對一棟鋼筋混凝土醫(yī)院進(jìn)行消能減震加固，結(jié)構(gòu)的性能得到有效改善。

位移型阻尼器為結(jié)構(gòu)提供較大的抗側(cè)剛度，對位移角改善較為顯著，但是可能會增大結(jié)構(gòu)剛度，對配筋的減少有限；速度型阻尼器可降低地震作用，減少配筋，但是對位移角的改善相對有限。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固工程中會出現(xiàn)位移角和配筋同時不足的技術(shù)問題，基于此，當(dāng)單一類型產(chǎn)品不能滿足加固要求時，建議采用組合減震方案(位移型+速度型)，位移型阻尼器有效減少位移，速度型有效減少鋼筋，充分利用二者的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)加固項(xiàng)目的較優(yōu)方案。

1 組合減震原理

實(shí)際工程中，建筑結(jié)構(gòu)的周期大多數(shù)處于反應(yīng)譜下降段，即[Tg，5Tg]段，場地特征周期至結(jié)構(gòu)初始周期T0段示意圖如圖1所示。[T]為周期臨界點(diǎn)，當(dāng)加固后周期在[T]～T0范圍內(nèi)，地震影響系數(shù)變化率要小于圖1中所表示的斜率，表明結(jié)構(gòu)剛度的增加所導(dǎo)致的地震力的提高幅度不大，是較為經(jīng)濟(jì)可行的；但當(dāng)加固周期在[T]～Tg范圍內(nèi)時，地震影響系數(shù)變化率要大于圖1中所表示的斜率，表明結(jié)構(gòu)剛度的增加所導(dǎo)致的地震力的提高幅度較為顯著，則較為不經(jīng)濟(jì)[16]，建議增大阻尼(進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震加固。

圖1 反應(yīng)譜曲線Tg-T0段曲線

參考文獻(xiàn)[17]中反應(yīng)譜曲線中下降段的理論公式為：

(1)

式中：Tg為場地特征周期即結(jié)構(gòu)周期；γ為衰減指數(shù)；η2為阻尼調(diào)整系數(shù)；αmax為地震影響系數(shù)最大值。

對式(1)針對周期T進(jìn)行求導(dǎo)，如式(2)所示：

α′=-γη2αmaxTgT-γ-1

(2)

根據(jù)圖1和式(1)、式(2)可得到

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

根據(jù)式(5)、式(6)、式(7)可得到：

(8)

根據(jù)式(7)、式(8)可得到加固后的周期T1為

(9)

令T1=[T]，由式(4)和式(9)得到：

(10)

由以上推導(dǎo)可知，當(dāng)λ≤[λ]時，可采用增加剛度法，當(dāng)λ>[λ]時，宜采用增加剛度和阻尼的組合減震法。

圖2表示的是場地特征周期與臨界位移角之比的關(guān)系，由圖可知，隨著特征周期的增加，臨界位移比變小，說明特征周期越大的地區(qū)，更適合于采用組合減震技術(shù)。

圖2 特征周期與臨界位移角之比的關(guān)系

2 算例分析

2.1 項(xiàng)目概括

某中學(xué)項(xiàng)目位于上海市，建于2003年，為4層混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為19.4 m，長為69.8 m，寬為45.5 m，建筑面積約為12 000 m2，如圖3所示?？拐鹪O(shè)防烈度為7度(0.1g)，場地類別為Ⅳ類，設(shè)計地震分組為第二組，場地特征周期為0.9 s。

原設(shè)計中結(jié)構(gòu)的地震作用是依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》( GBJ 11—89) ( 簡稱89 規(guī)范)，由于規(guī)范的更新反應(yīng)譜曲線有所變化，如圖4所示，由圖4可知，由于特征周期的延長，相同結(jié)構(gòu)周期所對應(yīng)的地震影響系數(shù)增加，經(jīng)計算分析可知，結(jié)構(gòu)存在位移角大于規(guī)范限值、原設(shè)計鋼筋量小于現(xiàn)行規(guī)范所計算的鋼筋用量等兩個技術(shù)問題，需進(jìn)行抗震加固。

為提高結(jié)構(gòu)抗震性能，同時縮短加固施工周期，該項(xiàng)目擬采用消能減震加固技術(shù)。

圖3 結(jié)構(gòu)模型

圖4 反應(yīng)譜曲線對比

2.2 減震加固方案

根據(jù)建筑功能對可以布置阻尼器的位置進(jìn)行標(biāo)注，如圖5所示，考慮到加固項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)承載力不宜控制過大，因此BRB和VFD屈服力或阻尼力不宜過大，BRB屈服力選用2 000 kN，VFD阻尼力400 kN。

圖5 阻尼器布置位置示意圖(單位：mm)

采用三種方案進(jìn)行比選：方案一全部選用BRB，為結(jié)構(gòu)提供的附加阻尼比為0%；方案二全部采用VFD，為結(jié)構(gòu)提供的附加阻尼比為7%；方案三BRB+VFD組合減震。

根據(jù)前文討論的組合減震的基本原理，結(jié)合項(xiàng)目的周期、特征周期、加固前位移角和目標(biāo)位移角，首先計算得到位移角比和臨界位移比，計算結(jié)果見表1，其次設(shè)置BRB得到減震模型1，使得減震模型1的位移角比等于或接近臨界位移比所對應(yīng)的位移角，經(jīng)反復(fù)試算，得到BRB的布置方案，如圖5所示，最后設(shè)置粘滯阻尼器(增加阻尼比)，使得位移角滿足要求，配筋不足問題得到改善，設(shè)計流程如圖6所示。

表1 位移角比和臨界位移角

圖6 混合減震設(shè)計流程圖

3 減震方案對比分析

3.1 反應(yīng)譜對比分析

采用YJK有限元軟件對三種方案進(jìn)行建模分析，分別計算小震下位移角以及鋼筋用量，如圖7和8所示。

圖7 不同方案用鋼量對比

圖8 不同方案位移角對比

由圖7和8可知，三種方案均可有效改善位移角和減少鋼筋用量，BRB方案和BRB+VFD方案較優(yōu)，最大位移角減震率分別為40%和38%，VFD方案為30%；BRB+VFD方案鋼筋用量減少最多，減少率為22%，VFD方案次之，減少率為16%，BRB方案減少率為12%。

3.2 時程對比分析

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[17](GB 5011—2010)(以下簡稱《抗規(guī)》)要求，結(jié)合建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用2條實(shí)際強(qiáng)震記錄和1條人工模擬的加速度時程曲線。地震記錄時程曲線見圖9，3條地震記錄反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜曲線如圖10所示。

圖9 地震波時程曲線

圖10 頻譜特性對比圖

采用ETABS有限軟件進(jìn)行建模分析，如圖11所示，并考慮阻尼器的非線性特性，阻尼器的參數(shù)如表2所示。

圖11 計算模型

表2 阻尼器參數(shù)表

(1) 附加阻尼比分析。根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]計算不同方案的附加阻尼比，計算結(jié)果見圖12，并根據(jù)阻尼比的結(jié)果，分析得到不同地震強(qiáng)度下，不同方案附加阻尼比的折減系數(shù)，如圖13所示。

由圖12和13可知，隨著地震強(qiáng)度的增加，BRB方案的附加阻尼比呈增加的趨勢，小震為0，大震是中震的1.5倍左右，而VFD方案與之相反，呈減少的趨勢，中震和大震分別折減0.66和0.37，BRB+VFD方案基本保持平穩(wěn)，中震和大震的折減系數(shù)分別為1.06和1.02。經(jīng)分析原因如下：隨著地震強(qiáng)度的增加，BRB逐漸屈服，附加阻尼比增加；隨著地震強(qiáng)度的增加，結(jié)構(gòu)的位移和剪力均增加，而VFD的阻尼力變化相對較小，變形增加較多，因而阻尼比會有所減少。BRB和VFD方案結(jié)合了BRB方案和VFD方案的優(yōu)點(diǎn)，隨著地震強(qiáng)度的增加，均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定耗能。

圖12 附加阻尼比計算結(jié)果

注：BRB方案的折減系數(shù)為不同工況下小震或中震的附加附加阻尼比與大震附加阻尼比比值的平均值；VFD和BRB+VFD方案的折減系數(shù)為不同工況下大震或中震的附加阻尼比與小震附加阻尼比比值的平均值。

圖13 附加阻尼比折減系數(shù)

(2) 結(jié)構(gòu)樓層剪力對比分析。比較不同方案中框架部分的地震作用，分別提取小震和大震框架部分的樓層剪力(不含阻尼器內(nèi)力)，限于篇幅僅列舉了SHW1波的計算結(jié)果，如圖14所示。

由圖14可知，BRB方案框架部分地震作用最大，BRB+VFD方案次之，VFD方案最小，隨著地震強(qiáng)度的增加，BRB+VFD方案的框架部分地震作用與VFD方案接近，BRB方案框架部分的地震作用與其他兩個方案之間的差距有所減小。經(jīng)分析原因如下：小震下，BRB為結(jié)構(gòu)提供剛度，周期變短，整體地震作用增加，隨著地震強(qiáng)度的增加，BRB屈服，為結(jié)構(gòu)提高的剛度作用有所降度，因而差距變小。

圖14 框架部分樓層剪力對比

(3) 結(jié)構(gòu)位移角對比分析。為比較不同方案中結(jié)構(gòu)的變形情況，分別提取小震和大震下結(jié)構(gòu)的樓層位移角，限于篇幅僅列舉了SHW1波的計算結(jié)果，如圖15所示。

由圖15可知， 小震下BRB方案位移角減震效果最好， BRB+VFD方案次之，VFD方案較差； 大震下BRB方案和BRB+VFD方案位移角減震率接近，說明VFD方案對減少位移角減震效果相對較弱。

圖15 結(jié)構(gòu)位移角對比

(4) 參數(shù)分析。為進(jìn)一步論證和對比不同減震方案的影響，通過改變阻尼器參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)分析，方案一，采用前文所述的阻尼器參數(shù)；方案二阻尼器屈服力或阻尼力降低20%；方案三阻尼器屈服力或阻尼力提高20%。

以R1X波為例，進(jìn)行了不同方案的附加阻尼比、樓層剪力和樓層位移角的對比分析，如圖16—圖18所示。

圖16 不同參數(shù)下附加阻尼比對比結(jié)果

圖17 不同參數(shù)下框架部分樓層剪力對比結(jié)果

圖18 不同參數(shù)下樓層位移角對比結(jié)果

由上述分析可知，不同阻尼器參數(shù)下，三種方案對附加阻尼比、框架部分樓層剪力和樓層位移角影響的規(guī)律與前文一致，BRB+VFD方案有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

(1) 結(jié)構(gòu)隨著特征周期的增加，臨界位移比變小，說明特征周期較大的地區(qū)，更適合于采用組合減震技術(shù)。

(2) 隨著地震強(qiáng)度的增加，BRB方案的附加阻尼比呈增加的趨勢，小震為0，大震是中震的1.5倍左右，而VFD方案與之相反，中震和大震折減系數(shù)分別為0.66和0.37，BRB+VFD方案基本保持平穩(wěn)，中震和大震的折減系數(shù)分別為1.06和1.02。

(3) BRB方案框架部分的地震作用最大，BRB+VFD方案次之，VFD方案最小，隨著地震強(qiáng)度的增加，BRB+VFD方案的框架部分地震作用與VFD方案接近，BRB方案框架部分的地震作用與其他兩個方案之間的差距有所減小。

(4) BRB方案對位移角減震效果最好，BRB+VFD方案次之，VFD方案較差。