消能減震技術在加固設計中的應用

■ 蘭學平 Lan Xueping

0 引言

隨著我國城市更新進程的加速，針對既有房屋功能提升和加固改建類的工程日益增多。傳統的加固方法主要有加大截面法、外包鋼法、增設抗震翼墻法等。該類加固方法主要是增加結構自身剛度，利用損傷結構自身為代價來耗散地震輸入的能量，其缺點主要是施工周期長、濕作業面大、自重增加多、減小建筑物使用效率等[1]。消能減震技術作為一種新型技術，主要是在結構中附加耗能裝置，利用耗能裝置耗散地震輸入到上部結構中的能量，從而達到保護主體結構免遭破壞的目的，其優點是濕作業面小、工期短等[2]。

目前，消能減震技術在房屋加固中已有較多應用，如：張超、翁大根等[3]提出了將消能減震技術運用于C類框架學校建筑提高一度抗震設防加固；賈傳勝[4]提出在框架增層工程中運用消能減震加固技術；張玉蕾[5]提出運用消能減震技術加固中小學單跨框架結構教學樓等。本文將著眼于消能減震加固既有房屋設計方法的全過程分析，為后續改造項目提供借鑒。

1 消能減震加固房屋全過程分析概述

1.1 主要內容

采用消能減震技術加固既有房屋主要包含3個方面內容，即房屋原結構抗震性能評估、附加耗能裝置的設計和加固后房屋整體抗震性能評估。

（1）房屋設計年代不同，原結構的抗震性能往往存在較大差異性，對房屋原結構抗震性能的綜合評估是進行抗震加固設計的主要依據。

（2）耗能裝置是消耗地震輸入能量的主要構件，如何確保并提高該類構件在地震中發揮其工作效率，是消能減震技術加固房屋的關鍵所在。

（3）加固完成后，房屋整體的抗震能力是否滿足新的設防要求，是判斷加固設計是否合格的主要標志。

1.2 主要設計步驟

基于上述3方面的內容，本文對消能減震技術加固房屋設計方法進行全過程分析，其具體設計流程如圖1所示，主要設計步驟有：①加固前對原結構進行抗震性能評估，明確存在的缺陷；②設定加固后結構的性能水準目標；③耗能裝置的配置和參數設計；④減震控制效果分析；⑤原結構構件加固形式的確定；⑥抗震驗算與安全性評價[6]。

（1）原房屋結構的抗震性能評價工作主要由檢測單位依據相關鑒定規范進行，消能減震設計主要由加固設計單位或相關耗能器產品單位完成，而原結構構件加固及加固后房屋抗震能力評估主要由加固設計單位進行。

（2）關于消能減震部分的設計，國內外學者已經做了大量的研究和實踐工作，如：鄧明科等[7]提出了基于能力譜法進行減震設計的方法；c h o i等[8]提出基于滯回耗能譜和累積延性譜的性能化減震設計方法；B e n a v e n t-C l i me n t[9]提出了基于能量的減震加固設計方法；翁大根等[6、10]等提出了契合中國規范的附加黏滯阻尼器和附加金屬阻尼器實用設計方法等。附加消能器對房屋主體結構的減震作用主要體現在附加阻尼比和有效剛度上[11]。目前，關于消能器的附加阻尼比計算方法主要有規范法[11、12]、自由振動衰減法[13]和模態阻尼耗能法[14]等，其附加阻尼和附加剛度一般采用S A P 2 0 0 0、E t a b s等有限元軟件進行分析得到，而減震主體結構設計則一般采用常規設計軟件。

圖1 采用消能減震技術加固設計流程

（3）消能器與房屋主體的連接是否有效直接影響著消能器工作效率的發揮，建筑結構消能減震（振）設計圖集[15]中給出了各類消能器的連接節點構造，翁大根、楊凱等[16]亦提出了一種U型鋼套的消能支撐連接方式并驗證了該方式的有效性，在實際工程中，應根據現場條件做合理的設計。另外，與消能器直接相連的結構構件，往往承受著較大的附加內力，該部分構件若過早地屈服發生較大塑性變形，將大大降低消能器的消能效果。因此，相關規程[12]規定，“消能子結構中的相關構件應考慮消能器在極限位移或極限速度下的附加阻尼力作用等”。

（4）采用常規設計軟件對消能減震主體結構進行分析設計，目前主要是將消能器的附加阻尼作用通過增大結構整體阻尼比的方法進行考慮，附加剛度作用則采用等效鋼支撐的方法進行考慮。考慮減震作用之后仍有不足的結構構件，常結合局部外包鋼、粘貼碳纖維及擴大截面的方法進行加固。

（5）對于附加金屬阻尼器減震結構性能水準的設定，則需結合我國現行建筑抗震設計規范的三水準設防目標來確定。實際減震分析中，對于大震工況下的減震控制效果分析，通常的做法是利用纖維單元模型做動力彈塑性時程分析，或者設定框架塑性鉸進行靜力非線性p u s h o v e r分析，但計算工作量較大。因此，工程中為了簡化計算，有時也會結合結構實際狀況而近似采用剛度打折的方法[13]。

2 工程案例分析

現引用某鋼筋混凝土框架結構的抗震加固工程來詳細闡述消能減震技術用于房屋加固設計的全過程。

2.1 工程概況及抗震鑒定結果

該項目為1棟7層的鋼筋混凝土框架辦公樓，其中主體結構6層，7層為屋面電梯機房。該樓原設計按 7 度（0.1 5 g）進行抗震設防，框架等級為二級，場地類別為Ⅱ類，設計基本地震加速度值為0.1 5 g，設計地震分組為第二組，設計反應譜特征周期0.4 s。由于業主要求，需對該房屋進行抗震加固?？拐鹪O防烈度由7 度（0.1 5 g）提高到8 度（0.3 g），設計基本地震加速度值為0.3 0 g。根據檢測單位提供的抗震鑒定報告，房屋結構存在層間位移角不滿足規范限值要求，房屋部分框架梁、柱配筋不滿足計算要求等問題，需要對房屋進行整體加固。

2.2 消能減震結構性能水準

考慮到房屋仍處于正常使用中，業主希望盡可能減少濕作業面和總體加固量。故本次采用消能減震的方法對房屋進行抗震加固。減震加固目標為：房屋總體抗震能力提高1度。

2.3 消能器布置和參數設計

為后續分析方便，現約定將未加固的原結構記為S T 0結構，將采用耗能器進行抗震加固的減震結構記為S T 1結構。

（1）對房屋原結構進行有限元分析，得到主體結構基本信息（表1、2）。

（2）按照文獻[6、1 0]提供的方法配置消能器。本項目采用金屬消能器，其附加屈服阻尼力實配值見表3，消能器具體型號、布置方案和產品相關參數見表4、5和圖2、3。

2.4 減震控制效果分析

為考查和評估耗能器的減震效果，本文采用時程分析方法對減震結構進行分析。輸入的時程采用擬合規范反應譜的人工時程記錄和天然時程記錄，選取的時程曲線及擬合反應譜見圖4～1 0。

表1 不同有限元模型S T 0的基本振型及周期信息

表2 S T 0結構在8度小震下的基本信息

表3 附加屈服阻尼力實配置

表4 耗能器布置方案

表5 附加耗能器設計參數

在8度（0.3 g）設防烈度作用下，僅考慮金屬消能器的非線性而保持房屋主體結構的線彈性。對7條地震時程下原結構模型S T 0和減震結構模型S T 1的響應均值進行對比分析，相關結果見表6、7和圖1 1。設防烈度地震下層間位移角的性能目標按照1/2 0 0控制。

2.5 原結構構件加固

將消能器對房屋主體結構的消能效果計入主體結構計算中，常用的方法是將消能器對結構的附加阻尼比代入傳統設計軟件來近似考慮消能器的消能作用，并以等代鋼桿的方法來近似考慮消能器的附加剛度作用。

圖2 結構1層附加耗能器布置圖

圖3 結構2～5層附加耗能器布置圖

圖4 X I N 1人工地震波時程曲線及其擬合反應譜

圖5 X I N 3人工地震波時程曲線及其擬合反應譜

圖6 I MP V A L天然地震波時程曲線及其擬合反應譜

本項目中，計入附加阻尼比和附加剛度后，房屋結構在多遇地震作用下的層間位移角、位移比等指標均滿足規范要求。針對附加耗能器后配筋仍有不足的個別結構構件，采用外包型鋼、黏貼碳纖維等方法進行加固。對消能子結構，考慮到消能器的連接，采用外包型鋼的方法進行加固。

2.6 抗震驗算

針對減震加固后房屋結構在罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算，本文采用靜力彈塑性分析方法（pushover）進行。鑒于在罕遇地震下，消能器的附加剛度作用往往較小，故可忽略等效附加剛度而僅考慮消能器附加阻尼。采用PKPM系列EPDA/PUSH軟件進行分析，推覆曲線見圖1 3、1 4。可以看出，減震加固后，房屋結構在大震下的彈塑性層間位移角能夠滿足抗震規范的相關要求，減震加固達到預期效果。

3 結語

圖7 9 6 3 N O R T H R天然地震波時程曲線及其擬合反應譜

圖8 C H I C H I天然地震波時程曲線及其擬合反應譜

圖9 K O C A E L I天然地震波時程曲線及其擬合反應譜

圖10 H E C T O R天然地震波時程曲線及其擬合反應譜

綜上所述，本文結合工程案例，針對消能減震技術運用于房屋加固工程的設計流程進行了全過程分析。結果表明：減震加固后，房屋結構在大震下的彈塑性層間位移角能夠滿足抗震規范的相關要求，減震加固達到預期效果，可為后續的改造工程提供借鑒。

表6 8度設防烈度地震作用下S T 0結構計算結果（均值）

表7 8度設防烈度地震作用下S T 1結構計算結果（均值）

圖11 8度設防烈度地震下層間位移角對比圖

圖12 8度設防烈度地震作用下剪力對比圖

圖13 減震加固后房屋結構在罕遇地震下的X向推覆曲線圖

圖14 減震加固后房屋結構在罕遇地震下的Y向推覆曲線圖

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