【摘要】某高層混凝土框架結(jié)構(gòu)由于抗震等級的提高，導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施無法滿足抗震規(guī)范的要求。針對此情況，在結(jié)構(gòu)主要樓層布置了軸向型金屬抗震阻尼器，采用了消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固。結(jié)果表明，采用消能減震技術(shù)加固后，有效地降低了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，減小了地震作用下的層間位移角，達(dá)到了國家抗震規(guī)范要求。

【關(guān)鍵詞】消能減震；" 抗震構(gòu)造措施； 軸向型金屬阻尼器； 層間位移角； 時程分析

【中圖分類號】TU352.11【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

［定稿日期］2022-11-15

［作者簡介］李純（1978—），男，本科，高級工程師，研究方向為既有建筑加固改造設(shè)計與施工。

0 引言

消能減震技術(shù)在既有建筑抗震加固中的應(yīng)有日益增多。本文以某既有建筑功能改造項目為例，采用位移型金屬阻尼器對一高層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行消能減震加固，結(jié)果表明，采用消能減震技術(shù)加固后，有效地降低了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，達(dá)到了國家抗震規(guī)范要求。該技術(shù)較傳統(tǒng)加固技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，能夠取得較大的經(jīng)濟效益和社會效益［1］。

1 既有結(jié)構(gòu)概況

本工程為一棟地下1層、地上8層（局部9層）鋼筋混凝土高層框架結(jié)構(gòu)房屋，工程竣工于2016年，設(shè)計使用年限為50年。房屋東西方向軸線總尺寸為42.40 m，南北方向軸線總尺寸為27.00 m，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，地下室層高4.4 m、1～2層層高4.0 m、3～6層層高4.2 m、7～8層層高4.0 m，室內(nèi)外高差0.15 m，地上建筑總高32.95 m，總建筑面積約10 303 m2。房屋設(shè)計使用功能為辦公樓，設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，建筑抗震設(shè)防類別為丙類（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防），框架抗震等級為三級?，F(xiàn)該房屋擬改造為一學(xué)校建筑，抗震設(shè)防烈度不變，設(shè)計使用年限不變，建筑抗震設(shè)防類別提高到乙類（重點設(shè)防），框架抗震等級提高到了二級［2］。經(jīng)抗震鑒定，由于設(shè)防類別的提高，導(dǎo)致部分框架梁、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的抗震承載力不足，抗震構(gòu)造措施無法滿足抗震規(guī)范的相關(guān)要求，需采取整體抗震加固措施。

2 抗震加固方案的選擇

針對本工程的實際情況，由于出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施不滿足要求的情況，若采用傳統(tǒng)直接加固法，有幾個缺點：①結(jié)構(gòu)層數(shù)為8～9層，加固構(gòu)件的數(shù)量很多，因為涉及的所有框架柱、梁都需進(jìn)行加固；②直接加固法對既有結(jié)構(gòu)有一定的損傷，若加固范圍很大，損傷范圍也很大；③加固構(gòu)件較多時，造價偏高，工期長。

由于本結(jié)構(gòu)主要缺陷為框架梁、柱的抗震構(gòu)造措施無法滿足二級框架的情況，若能夠采取措施降低框架結(jié)構(gòu)的抗震等級，由二級框架降為三級框架，則原結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施可滿足要求，加固范圍及加固構(gòu)件數(shù)量可大大減少?；诖四康?，本次抗震加固方案選擇消能減震技術(shù)，即在結(jié)構(gòu)適當(dāng)部位增設(shè)抗震阻尼器，只需將與消能器連接的子結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固滿足相關(guān)要求，其余地方的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級可降低一級，從而使大部分既有框架構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施滿足要求［3］。

采用消能減震技術(shù)進(jìn)行加固的主要依據(jù)為T/CECS 547-2018《建筑消能減震加固技術(shù)規(guī)程》中第6.3.6條規(guī)定：罕遇地震下最大層間位移角為2.0～4.0△θe時， B、C類鋼筋結(jié)構(gòu)混凝土房屋可按常規(guī)設(shè)計的有關(guān)規(guī)定降低一度且不低于6度采用，A類鋼筋結(jié)構(gòu)混凝土房屋應(yīng)按A類房屋構(gòu)造措施采用［4］（注：△θe為結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值，對框架結(jié)構(gòu)為1/550）。因此減震目標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求后，可使本結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施按常規(guī)設(shè)計的有關(guān)規(guī)定降低一度采用，即由二級構(gòu)造要求降低為三級構(gòu)造要求，這樣原結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件可滿足。

綜上所述，若采用消能減震技術(shù)對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固，可以大大減少構(gòu)件加固的數(shù)量，不僅減少了拆除量也最大限度保護(hù)了原結(jié)構(gòu)的完整性，該技術(shù)最終也得到了建設(shè)單位的認(rèn)可。

3 消能減震技術(shù)的選擇

眾所周知，消能減震產(chǎn)品多種多樣，主要分位移型和速度型2種。軸向型抗震阻尼器作為一種常用的、成熟的位移型阻尼器產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，尤其適用于框架結(jié)構(gòu)的抗震加固。軸向型金屬抗震阻尼器一般由耗能芯材及加勁構(gòu)造、外約束套筒組成。長度和參數(shù)可靈活調(diào)節(jié)，連接形式一般均采用軸向連接，可采用人字形、V字形或單斜形式連接［5］。

根據(jù)本工程業(yè)主和建筑要求，采用了基于軸向型金屬抗震阻尼器的消能減震方案，連接形式為單斜、人字或V字形式連接。阻尼器均勻布置在結(jié)構(gòu)的X、Y 2個主方向上，阻尼器在平面上均勻分散，并布置在結(jié)構(gòu)的主要樓層中（1～6層），滿足規(guī)范對阻尼器布置的要求。

本工程中軸向型金屬抗震阻尼器在小震下不屈服，僅提供一定的剛度，在設(shè)防地震和罕遇地震下屈服耗能。阻尼器的布置位置如圖1所示。

4 消能減震方案的彈性計算分析

4.1 小震反應(yīng)譜分析

由于本工程阻尼器在小震下不屈服耗能，因此阻尼器剛度為初始剛度，不需要計算小震下的附加阻尼比。本工程將與實際消能部件剛度等效的等代構(gòu)件建入模型中得到最終的反應(yīng)譜計算模型。按照上節(jié)所述原則分別采用PKPM和MIDAS建立結(jié)構(gòu)的三維計算模型，模型如圖2所示。

結(jié)構(gòu)前3個周期及平動扭轉(zhuǎn)情況的計算結(jié)果如表1、表2所示，2個軟件計算結(jié)果基本一致。

4.2 小震時程分析

GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》及JGJ 297-2013《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》中指出，消能減震結(jié)構(gòu)，采用振型分解反應(yīng)譜法分析時宜采用時程分析法進(jìn)行多遇地震下的計算，同時為驗證阻尼器的工作情況，并對反應(yīng)譜法中阻尼器的附加阻尼比和消能部件有效剛度進(jìn)行計算，選取7條地震波對本結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性時程分析（主體結(jié)構(gòu)為彈性模型，阻尼器為彈塑性模型）。

4.2.1 地震波的選取

GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）5.1.2條規(guī)定：采用時程分析法時，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程，其中實際強震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時程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。彈性時程分析時，每條時程計算的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜計算結(jié)果的65%，多條時程計算的結(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%。

本工程選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線。7條地震波的反應(yīng)譜曲線及加速度時程曲線如圖3所示。

4.2.2 小震時程分析結(jié)果

如表3所示，各條地震波下，結(jié)構(gòu)底部剪力彈性時程分析結(jié)果均滿足大于反應(yīng)譜法的65%小于135%，且7條波計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值滿足大于反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%小于120%的要求，說明所選地震波是滿足規(guī)范要求的。同時7條地震波作用下的結(jié)構(gòu)層間位移角，均滿足規(guī)范要求。由表3、表4可知，結(jié)構(gòu)小震時程7條波基底剪力平均值為反應(yīng)譜的86%、91%，反應(yīng)譜計算結(jié)果可包絡(luò)7條波的平均值，小震時程的層間位移角滿足要求。

5 消能減震方案的動力彈塑性時程分析

5.1 大震下時程分析結(jié)果

《抗規(guī)》中5.5.2條規(guī)定：采用隔震和消能減震設(shè)計的結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行彈塑性變形驗算，同時為進(jìn)一步驗證本工程消能減震結(jié)構(gòu)在大震下的性能以及阻尼器的工作情況，采用MIDAS GEN軟件進(jìn)行了罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析［2］。選用地震波與前文中的小震彈性時程分析是一致的（驗算表明，罕遇地震下場地特征周期增加0.05 s后，所需地震波仍然滿足與反應(yīng)譜在統(tǒng)計意義上相符的要求），共進(jìn)行了7條波，每條波均對X、Y向分別進(jìn)行了動力彈塑性時程分析。

動力彈塑性時程分析的消能減震模型同前節(jié)小震時程分析的計算模型，因此模型與PKPM小震反應(yīng)譜分析的模型是一致的。阻尼器模擬同小震時程模型，地震波選取同小震時程分析，按罕遇設(shè)置地震波峰值加速度，對應(yīng)為220 cm/s2，并按X單向和Y單向分別輸入地震波，提取各工況下層間位移角和層間剪力，以及最終結(jié)構(gòu)出鉸情況。

結(jié)構(gòu)在各地震波工況下對應(yīng)的基底剪力如表5所示。結(jié)構(gòu)在各地震波工況下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)層間位移角及基底剪力如表6所示，結(jié)構(gòu)層間位移角最大值X、Y向分別為1/177、1/186，達(dá)到了抗震加固的目標(biāo)、滿足規(guī)范要求，且有余量，說明本消能減震框架結(jié)構(gòu)抗震性能良好，體現(xiàn)了消能減震結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

根據(jù)T/CECS 547-2018《建筑消能減震加固技術(shù)規(guī)程》中第6.3.6條：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用消能減震技術(shù)進(jìn)行加固時，可根據(jù)罕遇地震下的樓層彈塑性位移角確定相應(yīng)的構(gòu)造措施［4］，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

罕遇地震下最大層間位移角為2.0～4.0 △θe時，B，C類鋼筋結(jié)構(gòu)混凝土房屋可按常規(guī)設(shè)計的有關(guān)規(guī)定降低一度且不低于6度采用，A類鋼筋結(jié)構(gòu)混凝房屋應(yīng)按A類房屋構(gòu)造措施采用。

本項目為C類框架結(jié)構(gòu)，△θe為1/550，2.0～4.0 △θe即為（1/138～1/275），本項目罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為1/177，位于（1/138～1/275）范圍內(nèi)。故本項目

除子結(jié)構(gòu)外的框架梁、柱可按降低一度（不低于6度）確定其抗震構(gòu)造措施；而與消能器相連的子結(jié)構(gòu)框架梁、框架柱則按照抗震設(shè)防烈度下乙類建筑的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行補強。

5.2 主體結(jié)構(gòu)塑性鉸開展情況

結(jié)構(gòu)在人工波1工況下最終時刻的結(jié)構(gòu)塑性鉸如圖4所示，由出鉸情況可以看出，大部分的框架梁和部分框架柱均出現(xiàn)了塑性鉸，其中框架梁多數(shù)出現(xiàn)第一屈服階斷至第二屈服階段的塑性鉸；框架柱出現(xiàn)的塑性鉸多數(shù)為第一階段屈服，部分位置出現(xiàn)第二屈服階段的塑性鉸，實際施工圖設(shè)計時將對這些位置的構(gòu)件配筋進(jìn)行有針對性的加強，總體來看框架柱的塑性鉸開展程度較輕。其余地震波工況下結(jié)構(gòu)出鉸情況與人工波1基本類似。

6 結(jié)論

（1）當(dāng)既有建筑改造后因抗震等級提高而導(dǎo)致原設(shè)計不滿足抗震構(gòu)造措施要求時，可通過消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固。與傳統(tǒng)加固方式相比，采用消能減震加固具有拆除量小、加固構(gòu)件少、施工周期短等特點，綜合經(jīng)濟效益較好。

（2）軸向型金屬抗震阻尼器作為金屬位移型阻尼器的一種，具有延性好、耗能效率高，用鋼量小，施工方便等優(yōu)點，在框架結(jié)構(gòu)消能減震加固中具有明顯優(yōu)勢。

（3）消能減震設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行小震下的彈性時程分析和大震下的彈塑性時程分析，通過將罕遇地震下的層間位移角限制在一定范圍內(nèi)，可以降低原結(jié)構(gòu)中除子結(jié)構(gòu)以外構(gòu)件的抗震等級，從而使大部分原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)

［1］ 黃鎮(zhèn)，李愛群. 建筑結(jié)構(gòu)金屬消能器減震設(shè)計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

［2］ 建筑抗震設(shè)計規(guī)范： GB 50011-2010［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

［3］ 建筑消能減震技術(shù)規(guī)程： JGJ 297-2013［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［4］ 建筑消能減震加固技術(shù)規(guī)程： T/CECS 547-2018［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

［5］ 潘鵬，葉列平，錢稼茹，等.建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計與案例 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.