【摘 要】文章以某一大型商場為例，介紹增設(shè)剪力墻改變原有結(jié)構(gòu)類型并增加消能阻尼器以提高既有框架結(jié)構(gòu)抗震等級的方法，利用Midas軟件進(jìn)行三維建模分析，結(jié)果表明此方法能夠減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，同時避免了常規(guī)加固方案對梁、柱等主要受力構(gòu)件由于抗震等級提高而帶來的大面積補強、加固，為后續(xù)類似的加固工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】加固; 框架結(jié)構(gòu); 剪力墻; 金屬阻尼器

【中圖分類號】TU746.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

隨著建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，我國建筑已進(jìn)入新建與維修改造并存的階段，框架結(jié)構(gòu)因其空間分隔靈活，自重輕，節(jié)省材料，在高層民用建筑和多層的工業(yè)廠房中應(yīng)用廣泛。目前，針對框架結(jié)構(gòu)的常用加固方法主要包括加大截面法、預(yù)應(yīng)力拉桿加固法、粘鋼或粘碳纖維布加固法等[1]，但對既有結(jié)構(gòu)，結(jié)合工程實際，需要考慮經(jīng)濟(jì)性與時效性因素，以往方法未必是最優(yōu)選擇。故本文以某一大型商場為例，提出改變原有結(jié)構(gòu)類型并結(jié)合消能減震技術(shù)增設(shè)金屬阻尼器的方法[2]，在盡可能保持原有建筑不變的條件下，提高結(jié)構(gòu)抗震能力并有效降低造價，縮短工期。

1 工程概況

吉林白山市某大型商業(yè)樓為一棟地下2層、地上6層，高度為31.2 m框架結(jié)構(gòu)建筑，效果圖見圖1，按非抗震要求進(jìn)行設(shè)計，施工完成后進(jìn)行了主體結(jié)構(gòu)驗收但未投入使用?，F(xiàn)需按照既有建筑進(jìn)行抗震加固，抗震設(shè)防烈度為 6 度，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類），設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計使用年限50 a，結(jié)構(gòu)的安全等級為二級。

2 加固方案設(shè)計

本文首先對原有商業(yè)結(jié)構(gòu)單元按照6度設(shè)防烈度進(jìn)行彈性分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)周期比并不滿足JGJ 3-2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.4.5條中關(guān)于周期比的要求（后文簡稱《高規(guī)》），然后針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完畢，暫未投入使用的實際情形，擬采用增設(shè)層間剪力墻，形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，降低框架結(jié)構(gòu)的抗震需求，由于本工程的車庫頂板將7個單元連為一體，車庫頂板有足夠的約束能力，其抗震需求較低，因此，增設(shè)的剪力墻為地上6層，確保第一道防線可靠有效。同時，由于框架柱和框架梁未設(shè)加密區(qū)，地震工況下的延性不足，在位移較大部位適當(dāng)增設(shè)了阻尼器提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，減少框架結(jié)構(gòu)的延性需求，其性能參數(shù)如表1所示，布置見圖2。為了驗證本工程在罕遇地震下的性能目標(biāo)，采用Mides軟件對該結(jié)構(gòu)增設(shè)部分剪力墻和消能阻尼器的模型進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性時程分析[3]，計算模型如圖3，驗證結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性性能能否滿足大震不倒的需求，最后對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)采取的抗震加強措施和分析計算結(jié)果作了總結(jié)。

3 彈性反應(yīng)計算分析

3.1 結(jié)構(gòu)周期和振型

由表2可知，純框架結(jié)構(gòu)前三階振型分別為Y向平動、X向平動及扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比不滿足《高規(guī)》關(guān)于A級高度高層建筑周期比大于0.9的要求，對結(jié)構(gòu)采取加固措施后，能有效降低各階振型周期，實現(xiàn)周期比要求，尤其是轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系，增加剪力墻后效果明顯，對比模型二和模型三可發(fā)現(xiàn)增設(shè)金屬阻尼器對結(jié)構(gòu)自振周期影響不大。

3.2 層位移與層間位移角

在地震作用下結(jié)構(gòu)頂部最大位移與層間位移角計算結(jié)果見表3。可以看出，模型層間位移角的計算結(jié)果均滿足GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》以下簡稱《抗規(guī)》限值要求。在1～6層增設(shè)了剪力墻后，地震作用下的樓層水平位移的絕對值是降低了，X方向從15.78 mm降低到9.24 mm，Y方向從17.16 mm降低到10.47 mm。但是由于鞭鞘效應(yīng)，層間位移角反而在結(jié)構(gòu)頂部的設(shè)備層增大了，導(dǎo)致位移呈現(xiàn)發(fā)散狀態(tài)，最大的位移角由Y方向1/1536變?yōu)?/859，但仍在1/800的限值范圍以內(nèi)，安全起見，在頂部出屋面的設(shè)備需要做足夠的加強處理。

3.3 增設(shè)剪力墻作用

3.3.1 豎向構(gòu)件傾覆力矩及百分比

根據(jù)《高規(guī)》8.1.3-2條規(guī)定：抗震設(shè)計的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)在規(guī)定的水平力作用下結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值，確定相應(yīng)的設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10 %但不大于50 %時，按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計[4]。提取模型中剪力墻承擔(dān)的傾覆力矩如表4、表5所示。

3.3.2 豎向構(gòu)件地震剪力及百分比

樓層抗剪承載力驗算主要用于控制豎向不規(guī)則性，避免豎向樓層承載力突變從而形成結(jié)構(gòu)薄弱層，從表6、表7的地震剪力分布可以發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底部，剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)剪力超過70 %，而在結(jié)構(gòu)頂部框架承擔(dān)剪力達(dá)到近80 %，框架和剪力墻相互制約，協(xié)同受力，有效增強了結(jié)構(gòu)抗震性能。

從以上周期比、層間位移角、抗傾覆彎矩、層剪力分布等數(shù)據(jù)可以看出，增設(shè)了剪力墻后可以控制整體位移，有效改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時將結(jié)構(gòu)體系變?yōu)榭蚣艚Y(jié)構(gòu)后，在結(jié)構(gòu)底部剪力墻承擔(dān)了超過60 %以上的地震作用，可以承擔(dān)第一道防線的作用，將整個結(jié)構(gòu)的抗震需求前移，滿足抗震設(shè)防要求。

4 動力彈塑性分析

4.1 選取地震波

根據(jù)《抗規(guī)》規(guī)定，多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符[5]，所謂“在統(tǒng)計意義上相符”指的是：其平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差不大于20 %，彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65 %，不大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的135 %。多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80 %，不大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的120 %。

故本文選取3條地震波，在進(jìn)行彈塑性動力時程分析時，采用雙向地震輸入，水平主向、水平次向的加速度峰值按抗震規(guī)范1.0∶0.85的比例要求進(jìn)行調(diào)幅。加速度時程曲線如圖4所示，各地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比如圖5所示。

4.2 層位移和層間位移角

罕遇地震作用下，三個模型的層間位移和層間位移角詳見表8和圖6所示。

結(jié)構(gòu)在 3 條地震波作用下，X和Y方向?qū)娱g位移都有所減小，3個模型層間位移角變化趨勢一致，且均滿足罕遇地震下框剪結(jié)構(gòu)不超過1/100的限值要求，采用加固措施后，各層平均層間位移角均有不同程度的減小，在結(jié)構(gòu)中部效果尤為顯著。

4.3 塑性鉸分布

三條地震波計算出的墻、柱、梁出鉸情況相似，下面給出地震波USA00684作用下剪力墻和框架出鉸的性能狀態(tài)，見圖7、圖8，在6度罕遇地震作用下，剪力墻塑性發(fā)展程度較大，從下往上塑性損傷逐漸減小，而框架梁和框架柱上的塑性鉸數(shù)量很少，基本處于彈性狀態(tài)，結(jié)合本工程中某阻尼器滯回曲線見圖9，表明剪力墻和阻尼器耗散了主要地震能量。

5 結(jié)論

（1）增設(shè)剪力墻與阻尼器后，結(jié)構(gòu)樓層剛度分布較為均勻，無明顯薄弱層，彈塑性層間位移角均小于1/100，最大值不到1/200，滿足《抗規(guī)》的要求，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下有足夠的安全保障。

（2）結(jié)構(gòu)能量耗散主要是通過結(jié)構(gòu)阻尼和彈性應(yīng)變耗散的，并且隨著阻尼器的添加，阻尼耗能占比能提高9 %，如果合理控制阻尼器的數(shù)量和參數(shù)，能使結(jié)構(gòu)在大震作用下?lián)碛懈鼜姷暮哪苣芰?，因此布置金屬阻尼器的方案具有可行性和有效性?/p>

（3）剪力墻是抗側(cè)力關(guān)鍵構(gòu)件，可以明顯減少非抗震框架的延性需求，降低框架的塑性損傷程度。罕遇地震下，剪力墻塑性分布較嚴(yán)重，建議做好剪力墻的抗震構(gòu)造措施及邊緣構(gòu)件的設(shè)計，使整體結(jié)構(gòu)達(dá)到更好的抗震效果。

參考文獻(xiàn)

[1]周劍，劉洋，王翊輝.框架結(jié)構(gòu)加固設(shè)計方案比選[J].特種結(jié)構(gòu)，2019，36（2）：113-118.

[2]邢書濤，郭迅.一種新型軟鋼阻尼器力學(xué)性能和減震效果的研究[J].地震工程與工程振動，2003（6）：179-186.

[3]田慧，張海，孟亞翠，劉德志.框架結(jié)構(gòu)加固后的動力彈塑性分析研究[J].工程抗震與加固改造2020，42（1）：18-27.

[4]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5]GB 50011-2010 （2016年版） 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[定稿日期]2021-02-03

[作者簡介]余偉（1995～），男，碩士，從事結(jié)構(gòu)抗震研究。