消能減震與隔震技術在抗震加固工程中的應用

程紹革

消能減震與隔震技術在抗震加固工程中的應用

程紹革

程紹革，研究員，博士生導師，現任中國建筑科學研究院副總工程師、工程抗震研究所副所長，享受國務院政府特殊津貼專家。1990年畢業于中國建筑科學研究院結構工程專業，長期從事工程抗震研究工作。主編有《建筑抗震鑒定標準》《建筑抗震加固技術規程》《建筑抗震試驗規程》《非結構構件抗震設計規范》《約束砌體與配筋砌體結構技術規程》，主持建成當時我國最大的6 m×6 m三向六自由度模擬地震振動臺。著有《建筑抗震鑒定技術手冊》《全國中小學校舍抗震鑒定加固示例》，先后獲省部級科學技術進步一等獎4項、三等獎2項。

抗震加固的基本原理

歷次地震震害表明，房屋建筑的破壞與倒塌是造成大量人員傷亡與經濟損失的主要原因。我國早期建造的一批房屋限于當時的技術與經濟水平，抗震設防標準低，并且材料性能由于使用了這么多年也會產生不可避免的退化，這類房屋的抗震性能低下，亟待進行抗震加固。事實證明，經過抗震加固的房屋在地震中的破壞程度明顯低于未加固的房屋。

抗震加固就是對房屋建筑采取一定的技術措施，使其遭受未來的地震時不至倒塌或僅發生輕微程度的破壞，從而保護了人們的生命安全，減輕財產損失。房屋抗震加固的基本方法可歸納為兩大類：一是提高抵御地震的能力，也就是說通過加固使房屋的結構構件足夠結實，地震中不發生破壞，或即便發生破壞但還有一定的變形能力，使得房屋在地震時不致發生倒塌，這是傳統的抗震加固方法；二是減小地震動對房屋產生的力，從而使對房屋結構構件本身不加固或少加固，同樣達到預期的目的，這是目前比較先進的抗震加固技術，常用的有消能減震加固技術和隔震加固技術。

抗震加固的基本原理可由公式（1）進行說明，地震作用下房屋結構的動力方程可表示為：

傳統的抗震加固方法是通過改變M或K以減小地震反應，如減小房屋的重量（將原較重的黏土磚隔墻替換為輕質隔墻）、調整房屋的質量分布（上輕下重）和增加構件或加大原構件截面。消能減震加固技術則是在原房屋內增設一定數量的消能器（阻尼器），增大房屋的C以達到降低地震反應的目的，同時盡可能在地震時使消能減震裝置先于結構構件破壞，地震后只要更換消能減震裝置即可，從而保護了原房屋結構構件。隔震加固技術則是通過設置隔震層，通過隔震層的大變形吸收大量的地震能量，減小了房屋結構的地震輸入X¨g，從而減小了上部結構的地震反應。

消能減震加固技術

阻尼器的分類

消能減震加固是在房屋內部增設一定數量的阻尼器，目前阻尼器的種類較多，按其實現消能的原理可分為速度相關型阻尼器和位移相關型阻尼器兩類。

速度相關型阻尼器，顧名思義其耗能能力與結構的速度反應相關，這類阻尼器主要包括黏滯阻尼器和黏彈性阻尼器兩類，其恢復力模型可表征為：

式中：F為阻尼器的阻尼恢復力（kN），C為阻尼系數（kN/mm/s），V為阻尼器活塞的速度（mm/s），α為速度指數，根據設計需要確定，一般為0.2～1.0，當為1.0時則為線性阻尼。

位移相關型阻尼器主要是當結構進入較大變形時，阻尼器進行彈塑性階段或克服初始摩擦力進行耗能，位移相關型阻尼器常見的有防屈曲約束支撐阻尼器、金屬剪切型阻尼器和鉛摩擦阻尼器等。

附加阻尼比的確定

消能減震結構設計中最關鍵的工作是如何根據阻尼器的布置，正確合理地確定結構附加阻尼比的大小。現行國家標準《建筑抗震設計規范》（GB 50011）中給出了相應的計算方法。

消能部件附加給結構的有效阻尼比可按下式估算：

式中：Wcj為第j個消能部件在結構預期層間位移Δuj下往復循環一周所消耗的能量，Ws為設置消能部件的結構在預期位移下的總應變能。

結構的總應變能可根據能量原理按下式計算：

在水平地震作用下，速度線性相關型消能器往復循環一周所消耗的能量，可按下式計算：

式中：T1為消能減震結構的基本自振周期，Cj為消能器的線性阻尼系數，Δuj為第j個消能器兩端的相對水平位移，θj為第j個消能器的消能方向與水平面的夾角。

位移相關型和速度非線性相關型消能器在水平地震用往復一周循環所消耗的能量，可按下式計算：

即消能器恢復力滯回環在相對水平位移Δuj時的面積。

然而現行規范中未給出預期位移的確切含義，有的設計人員是取小震時的位移控制值，筆者認為考慮消能器安裝時不可避免帶來的安裝誤差，按小震位移控制位移所得到的附加阻尼比偏大，應按中震位移控制進行計算。且采用消能減震結構設計時，消能器給結構增加的附加阻尼比不宜過大，否則是不經濟合理的，一般附加阻尼比控制在5%是比較合理的。

此外，消能器都是與消能支撐組合在一起放置在結構中，理論上說消能器水平放置的效果最為理想，這就要求消能支撐需有足夠的水平剛度，工程中很難實現。一般情況下，消能支撐的形式為對角支撐、交叉支撐、人字支撐或倒V形支撐，這種情況下支撐的角度控制在35°～55°為最佳。

消能減震結構的抗震分析

通常可采用下列簡化分析方法進行消能減震結構的計算。步驟如下，圖1是相應的設計流程圖。

圖1　消能減震結構設計流程

（1）計算原結構的動力特性和動力響應，并以此初步選定消能減震的相關參數。

（2）選定初始的頂點最大位移，計算等效阻尼比，進而分析消能減震結構的動力響應。

（3）比較頂點位移，當不滿足預期的頂點最大位移要求時，重新調整相關參數，反復進行計算，直至達到預期目標。

上述簡化計算分析對于有經驗的設計人員，初步參數選擇的基本合理，一般不需要多次迭代計算便可得到相應滿意的結果。

消能減震結構的計算分析往往需要進行大震彈塑性時程分析，以期對結構在罕遇大震的性態有更好的了解。但應注意的是消能減震抗震加固工程的時程分析其三水準的地動震參數同新建消能減震工程的設計不同，應根據其后使用年限的不同，按表1確定其三水準地震動參數的峰值加速度折減系數。

表1　不同后續使用年限各水準地震作用折減系數取值

消能減震加固設計的注意事項

（1）消能器的布置應均勻對稱，每個消能器的阻尼力不宜過大，最大阻尼力300 kN較為合適，最大不宜超過500 kN，避免對原結構構件遭成損傷。

（2）既有建筑的抗震構造措施相對要弱，地震作用下的變形能力相對也差，因此在確定消能減震技術加固既有建筑時，目標變形能力不宜過嚴。事實上，對于老舊既有建筑即便采用了消能減震技術進行了加固，在預期的小震地震作用下，結構的主要抗側力構件會先于消能器發揮作用時開裂。采用消能減震加固的目的是保證結構在較大變形時發揮作用，控制結構的變形，將結構構件的破壞控制在一定程度，保證結構不致倒塌。

（3）采用防屈曲約束支撐加固時，宜采用低屈服點、高延伸率的鋼材作為芯材，否則會造成結構進入大變形而支撐尚未屈服的后果，起不到應有的消能減震加固效果。事實上，我國目前常采用的以Q235或Q335作為芯材的防屈曲約束支撐的作用更像是普通鋼支撐，主要起到增加結構抗側剛度的作用。

（4）應保證框架梁柱節點具有足夠的強度。早期建成的鋼筋混凝土房屋節點區的箍筋配置少，抗剪能力低，增設消能支撐引起的附加力可能會造成節點區域的破壞。可采用半包或全包鋼式對梁柱節點進行加固，必要時可輔助以對穿螺桿加強兩側鋼板的連接。

隔震加固技術

隔震支座的種類

隔震支座（橡膠支座）是隔震建筑的關鍵元件，由多層橡膠和薄鋼板交替疊置而成，形狀大多為圓柱型，剖面如圖2所示。

圖2　橡膠支座結構示意圖

橡膠支座內分層設置的薄鋼板對橡膠起約束作用，使橡膠支座具有很高的豎向承載能力，但不影響橡膠支座的水平剛度，從而使得整個結構體系的自振周期延長，達到隔震減震的目的。目前常用的橡膠支座有天然橡膠支座（NRB）、鉛芯橡膠支座（LRB）、高阻尼橡膠支座（HDR）等。鉛芯橡膠支座是在天然橡膠支座的中孔灌入鉛芯而成的，以提高橡膠支座的阻尼和初始剛度，高阻尼橡膠支座則是在橡膠母材添加碳和其他元素，以提高其阻尼性能。

隔震加固計算分析要點

1.計算參數的確定

隔震結構的關鍵參數是隔震支座的性能指標，需通過試驗確定。這樣隔震層的水平剛度和等效黏滯阻尼比應按下列公式計算：

式中：ζj為j隔震支座由試驗確定的等效黏滯阻尼比，設置阻尼裝置時還應包括其附加的阻尼比；Kj為j隔震支座（含消能器）由試驗確定的水平等效剛度。

2.水平向減震系數的計算

隔震加固一般適用于多層結構的抗震加固。因此，水平向減震系數應分別按隔震結構與非隔震結構計算，求出隔震結構各層層間剪力與非隔震結構各層層間剪力的最大比值，以此最大比值作為水平向減震系數。結構分析可采用振型分解反應譜法或時程分析法，當采用振型分解反應譜法時，隔震支座的參數應取水平剪切應變為100%時的性能參數；當采用時程分析法，應采用試驗所得的滯回曲線為計算依據，按表1第二水準（中震）進行計算。

3.原結構托換頂升的設計

對原有結構的托換頂升是隔震加固設計的關鍵，如果設計不當造成上部結構的破壞，后果將不堪設想。

對于砌體結構，一般是在墻體需放置隔震支座的頂面兩側設置鋼筋混凝土托換梁，且每隔一定距離設置銷鍵梁將兩側托換梁及墻體連成一整體，并根據上部荷載重量對托換梁的承載力及變形進行驗算。對于鋼筋混凝土結構，一般需對放置隔震支座的框架柱周邊梁加固及增設柱帽，根據上部荷載及支頂位置進行構件承載力與變形驗算。

隔震加固施工要點

隔震加固的施工是整個抗震加固工程成敗的關鍵。在設計階段就要考慮到施工過程可能會出現的各種不利因素影響，實施過程中設計單位應與施工單位密切配合，嚴格按規定的流程施工，同時還需要注意沉降觀測。

1.砌體結構隔震加固施工流程（見圖3）

圖3　既有砌體結構隔震加固施工流程圖

2.鋼筋混凝土結構隔震加固施工流程（見圖4）

圖4　既有鋼筋混凝土結構隔震加固施工流程圖

3.隔震加固施工精度的控制

為保證隔震支座的均勻受力、共同工作，必須控制施工精度：①支承隔震支座的下支墩，其頂面水平誤差不宜大于5‰，在隔震支座安裝后，隔震支座頂面的水平誤差不宜大于8‰；②隔震支座中心的平面位置與設計位置的偏差不應大于5mm；③隔震支座中心的標高與設計標高的偏差不應大于5mm。

工程應用示例

中國人民革命軍事博物館抗震加固

中國人民革命軍事博物館建于1959年，建筑面積約65000平方米，是向國慶10周年獻禮的首都十大建筑之一。2012年中國建筑科學研究院承擔了該館的抗震加固設計工作，依據專家組的論證意見，該館按乙類建筑、后續使用年限50年的要求進行加固，是迄今我國既有建筑抗震加固的最高標準。

本工程中央大廳部分立面逐漸縮進，剛度變化較大，且頂部細高的五角星總高度接近100米，造成中央大廳框架柱承載力嚴重不足，地震作用下的變形較大，頂部五角星在地震中極易震落。為此，中國建筑科學研究院專門研發了承壓型的防屈曲約束支撐（圖5），首先通過增加32根斜向設置的支撐實現了荷載傳力途徑的轉變，中央大廳的框架柱受力減小不再需要加固，其次防屈曲約束支撐的設置增加了結構剛度的突變，使得結構在地震作用下的變形比較均勻，并且在遭遇較大地震的作用時能起到消耗地震能量的目的。

北京火車站抗震加固

北京火車站與中國人民革命軍事博物館同時期建成，建筑面積約45000平方米，為20世紀50年代首都十大建筑之一。火車站中央大廳為大跨薄殼穹頂支承于四周的鋼筋混凝土柱上，無法采用傳統的方法進行加固，中國建筑科學研究院采用了消能減震技術進行了加固，這也是我國第二例采用消能減震技術加固的大型公共建筑（第一例為中國建筑科學研究院完成的北京飯店抗震加固），加固中采用了黏滯型阻尼器。

北京火車站采用消能減震加固技術取得了良好的效果，在保證結構安全的前提下，建筑外立面保持不變保留了原有建筑風貌，從大廳內部看，阻尼器的設置不影響室內采光，也成為了北京火車站一道靚麗的風景（圖6）。南京博物院老大殿整體頂升與隔震加固

南京博物院老大殿建成于1948年，屬江蘇省文物保護單位。由于建筑使用年代久，未考慮抗震設防，且不能適應現代博物館要求，需進行改造與加固。

該工程的難點在于整個老大殿因功能改造需要整體頂升3m，抗震加固不能改變二層以上建筑外貌，整體頂升與抗震加固改造應確保結構安全，且不得損壞原有建筑的文物價值。以李愛群教授為首的團隊結合大殿整體頂升確定了隔震技術抗震加固方案，并采用了柱托換、頂升安全分析與偏差自動復位與高精度隨動保護、頂升支架和上部結構復合體系穩定性分析等新技術，使得改造后的老大殿功能大為提升，耐久性提高，整體抗震性能顯著提升。二層以上完整地保留了建筑外貌、建造工藝的原建筑構件。

圖5　承壓型防屈曲約束支撐

圖6　車站大廳北側阻尼器

都江之春隔震加固

都江之春為一6層框架結構，底層作為商鋪使用需有大空間，上部為住宅使用，內砌隔墻較多，因此形成事實上的底層框架結構。汶川地震該建筑尚未投入使用即遭到嚴重破壞，底層產生不可復位的較大側移，上部結構幾乎完好無損（圖7）。

為減少國家財產損失，清華大學承擔了都江之春的加固工作，這屬于震損建筑的加固修復，由于其震害較為嚴重，加固修復難度自然也很大。該工程的加固修復工作主要采取了以下幾項措施：①增加支撐保護措施，保證加固施工的安全；②對結構底層進行復位；③對首層柱頂框架柱切割，安裝隔震支座。加固修復的結構投入了正常使用，抗震安全性能得到提高（圖8、圖9）。

圖7　震后的都江之春

圖8　震損結構的支護與復位

圖9　隔震支座的安裝

結語

消能減震與隔震加固技術經過多年的發展與應用，技術已比較成熟，但在實際抗震加固工程中尚應根據工程的具體特點選用最合理的方法。“先進”的不一定是“合理”的，“先進”的也不是萬能的，有時“傳統”的加固方法可能是最經濟、最合理、可操作性最強的方法。抗震加固，權從適宜！

感謝李愛群、葉列平、潘鵬、苗啟松和薛彥濤幾位教授提供了大量的素材。