粘滯性阻尼器在單向框架抗震加固中的運用

鄒 超 翁大根

(1.上海寶冶工程技術有限公司，上海 200941; 2.同濟大學結構工程與防災研究所，上海 200092)

1 概述

單向框架由于受當時建筑科學技術水平的限制，特別是對地震認識的缺乏，在設計方面存在以下缺陷:1)僅對橫向框架進行結構分析;2)對縱向按連系梁考慮，僅考慮其承擔豎向荷載，在箍筋配置及縱筋的錨固上也常按一般梁考慮。我國在二十世紀七八十年代曾出現一些單向框架結構房屋。而隨著經濟發展和科技進步，特別是隨著人們對地震認識程度不斷深入，抗震設計規范也不斷更新，對房屋的抗震設計要求不斷的提高，原有的單向框架房屋由于結構體系上的缺陷已經不能滿足現行規范要求。根據現行的規范GB 50023-2009建筑抗震鑒定標準及JGJ 116-2009建筑抗震加固技術規程中的要求:對于不符合要求的建筑應進行改變結構體系以及加固或采取其他相應的措施。然而有些建筑由于受現場條件或建筑功能的限制，不易改變結構體系，在這種情況下，可以考慮耗能減震裝置來減小非框架方向的地震作用，從而使其滿足抗震性能。由于粘滯性阻尼器是一種阻尼力與速度相關的消能器，其對連接阻尼器的支撐剛度要求比位移相關型阻尼器的要求低些。在水平地震作用下最大阻尼力發生的時刻與結構柱產生的最大軸力的時刻存在相位差，這種受力狀態對于結構柱的強度設計有利。粘滯性阻尼器作為消能減振裝置，具有以下優點:1)只要有微小的振動，它就能耗能減振;2)既能用于抗震又能用于抗風;3)力—位移滯回曲線近似為平行四邊形，耗能能力強。粘滯阻尼器的力學性能可以用如下數學公式表達:Fd=Cvsign(V)|V|α。其中，Cv為根據需要設計的阻尼常數，kN/(mm/s)α;V為阻尼器活塞相對阻尼器外殼的運動速度，mm/s;α為根據需要設計的常數，變化范圍可為0.1～1.0;取α=1時，是線性阻尼的情況。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某五層單向框架結構建于20世紀80年代，作為藥劑生產車間，層高均為3.6 m，典型結構平面圖見圖1。經抗震鑒定，該房屋X向(非框架方向)1層～4層、Y向(框架方向)1層～3層層間位移角超過規范要求;1層～4層部分柱軸壓比超限或超筋;縱向(X向)連系梁配筋普遍不能滿足計算要求。

由于場地條件的限制及建筑功能的要求，不能新增框架柱或墻等抗側力構件;若對縱向連系梁進行加大截面，一方面工程量太大，另一方面會影響到樓層凈高的使用要求。由此可見，不易改變上述房屋的結構體系，需采取其他措施進行加固。在對軸壓比超限或超筋的柱子加大截面后，發現Y向能滿足層間位移角的要求，但X向在柱加固后小震下層間位移角仍不滿足1/550的要求。

圖1 房屋典型結構平面圖

綜合考慮上述分析，決定選擇在X向增設消能支撐裝置來增加房屋縱向抗震性能。

2.2 消能減震設計

2.2.1 阻尼器性能參數選取

本工程選用阻尼力與其活塞桿相對運動速度成非線性關系的粘滯流體阻尼器，當發生大于1/300層高的結構層間位移時，其等效剛度較小，一般情況下，不會給結構層間造成過大的剛度貢獻。根據結構基本周期，經過試算，最后確定消能支撐阻尼器參數設計見表1。阻尼器的布置位置見圖1(消能支撐共計10個)。

2.2.2 地震響應分析工況

分別在小震、大震下沿X方向輸入時程shwn1002，shwn2002，shwn3002，shwn4002進行2個工況下的計算。考慮7度設防，地震波峰值在小震時的最大加速度取35 gal，大震時按上海抗震設計規程取最大加速度為200 gal，同時結構阻尼比取5%。對以下兩種結構狀態進行地震作用下的分析比較(以下所述小震、大震所采用的數據均是在人工時程shwn1002作用下得到的):狀態1:普通體系下結構地震反應;狀態2:消能支撐體系結構地震反應。

表1 阻尼參數選擇

2.2.3 小震作用下計算結果及分析

圖2是在小震作用下結構無阻尼及加入阻尼狀態下的各層位移和層間位移角。從結果的比較可以看出，消能支撐體系對結構位移的控制作用相當好，X向減震效果達到29%～40%。圖3中的層間剪力是結構兩種不同狀態下各層層間剪力分布情況，其中有阻尼的情況下，層間剪力為結構層間剪力和阻尼力的和。設置消能支撐后，各層層間剪力均有所增加。

圖2 小震下結構X向層位移及層間位移角

圖3 小震下層間剪力比較

2.2.4 大震作用下計算結果及分析

圖4是在大震作用下結構無阻尼及加入阻尼狀態下的各層位移和層間位移角。從結果的比較可以看出，在大震作用下消能支撐體系對結構位移的控制作用也非常好，X向減震效果達到50%～57%。圖5中的層間剪力是結構兩種不同狀態下各層層間剪力分布情況。在大震情況下，消能支撐對于層間剪力的控制作用非常明顯，1層～5層的層間剪力減小，最高達26.5%。

圖4 大震作用下X向層位移及層間位移角

圖5 大震下層間剪力比較

2.2.5 其他

輸入 shwn2002，shwn3002，shwn4002三條人工時程，小震、大震下最大加速度峰值分別為35 gal和200 gal，等效阻尼比取各種時程計算的平均值;另外從以上各種人工時程的輸入結果可以得到:1)小震作用下阻尼器已經達到額定設計阻尼力的70%左右;故消能支撐結構體系在小震情況下具有很好的抗震性能;2)大震作用下阻尼器內力基本達到額定設計阻尼力。

2.3 加固效果

通過在房屋的非框架方向(X向)安裝阻尼器不僅有效解決了地震作用下變形超限的問題，也大大減小縱向連系梁加固工程量(本工程中縱向連系梁僅采用粘鋼的加固方法來滿足抗震構造上的不足)，同時很好的滿足了建筑功能和場地限制條件的要求，真正做到將科技轉化為生產力，取得了良好的經濟和社會效益。

3 結語

通過上述工程實例可以看出:單向框架在受到現場條件或建筑功能要求的限制，不易改變現有結構體系時，采用粘滯阻尼器不失為一種行之有效的方法。粘滯阻尼器是一種耗能能力強的消能器，可以彌補單向框架在結構體系抗震性能的不足，但需要同傳統的加固方法相結合，在對原有柱增大柱截面后，再在非框架方向布置粘滯阻尼器的效果更加明顯;兩種方向結合起來能有效控制結構在地震作用下的變形，特別是在大震作用下。

[1] GB 50023-2009，建筑抗震鑒定標準[S].

[2] JGJ 116-2009，建筑抗震加固技術規程[S].

[3] 蔣 見，呂西林，翁大根.附加黏滯阻尼器減震結構基于性能的抗震設計方法[J].力學季刊，2009，30(4):70-71.