金屬消能器在某高層混凝土結構加固改造中的應用

摘 要：金屬消能器作為結構耗能減震的有效手段之一，在結構加固改造工程中得到了廣泛應用。本文介紹了剪切型金屬消能器在某婦幼保健中心工程加固改造中的應用，結果表明：金屬消能器在小震作用下即開始屈服，為結構提供耗能能力；通過采用金屬消能器，既有效減輕了結構的地震響應，又使設計達到了預期性能目標并滿足規范的要求。

關鍵詞：金屬消能器；結構加固；改造工程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.125

0 引言

金屬消能器于1972年由Kelly[1]率先提出，引起了國內外學者的廣泛關注。由于其具備滯回性能優良、施工方便、價格低等諸多優點，近年來在實際工程中得到了廣泛應用[2]。尤其在結構的加固改造中，采用金屬消能器不僅可以提高結構整體剛度，增強結構的耗能能力，相比于傳統加固改造技術，還可以大大縮短工期。

1 工程概況

本工程為山東昌邑某大廈的改造工程，其平面圖如圖1所示。工程所在地的抗震設防標準為7度（0.15g），設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類，特征周期0.55s。原結構為地下1層、地上22層混凝土框架-剪力墻核心筒結構房屋，建筑面積32743.3平方米，建筑總高度101.4米。該房屋建筑平面為一紡錘形的不規則平面，扭轉效應明顯。改造前其主要使用功能為辦公、會議等。改造后，結構將作為某婦幼保健計劃服務中心醫技和病房樓使用，使用功能為門診、手術和病房。改造設計需要對各樓層原建筑平面使用功能做較大調整，房屋局部使用荷載有較大變化，房屋總體使用荷載有一定程度的增加。同時，為保證建筑功能的實現，原有結構中的若干剪力墻肢須做局部的開洞或拆除處理。為滿足樓梯交通和疏散要求，原結構樓面結構部分須封閉（洞口封板），部分須重新開洞。

此外，原建筑結構抗震設防類別為標準設防類，改造為病房樓后設防類別提高至重點設防，按《建筑抗震設計規范》[3]和《建筑工程抗震設防分類標準》[4]有關規定，地震作用可按7度（0.15g）考慮，但抗震措施要按高于本地區抗震設防烈度一度的要求進行加強。

2 加固方案

本工程房屋結構具有以下特點：

（1）平面不規則，扭轉效應較為明顯。在未做改動之前，結構的自振動特性基本可以做到兩個方向的平動為主。但結構改動后，房屋的扭轉效應更為明顯。

（2）結構豎向有規律的收縮斷面，水平力作用下的各層層間位移比較均勻。這使得結構在豎向剛度上并無過多的潛力可挖，結構的剛度需要從底層至頂層整體地予以提高。

平面不規則結構、使用荷載的提高、抗震設防要求的提高、改造中對結構的削弱都使該建筑結構的抗震能力受到非常大的影響，通過傳統的加固措施難于達到要求，因此轉換了以往“增加剛度和強度”的抗震加固思路，采用了金屬消能器的消能減震加固方案，一方面提高結構的整體剛度，另一方面增強結構在地震作用下的耗能能力，從而提升結構的抗震性能。

結合工程實際，本工程消能減震加固方案在房屋1層～22層X向和Y向共布置182只阻尼器。其中1～3層每層10個，4～22層每層8個，均為成對布置，布置圖如圖2、圖3所示。所使用金屬消能器的力學參數見表1。

3 結構的抗震性能分析

由于功能變更作出開洞等改動、尚未附設金屬消能器的結構記為ST0，附設消能器后的結構記為ST1。在ETABS中建立原結構與減震結構的三維結構模型，結構的梁柱單元均采用空間梁柱線單元，剪力墻和樓板采用殼單元，金屬消能器采用Wen單元模擬[5]。選取5條天然波和2條人工波在ETABS軟件中分別對ST0和ST1進行動力時程分析，得到結構在地震作用下的層間位移角和層間剪力，然后對7條波的計算結果求平均值。

3.1 小震下的層間位移角和層間剪力

由動力時程分析得到的結構在小震作用下的層間位移角和層間剪力分別如表2和圖4、圖5所示。

由表2可知，ST0在小震作用下X向和Y向的最大層間位移角分別為1/615和1/528，均不滿足《建筑抗震設計規范》中鋼筋混凝土框架剪力墻結構彈性層間位移角限值小于1/800的要求。采用金屬消能器對結構進行加固后的減震結構，X向、Y向最大層間位移角分別減小到1/1206和1/953，可以滿足規范要求。同時，由圖4、圖5可以看出，相比于ST0，ST1在小震作用下的層間剪力也有所減小。可見，采用金屬消能器對結構進行減震加固，使得結構在小震作用下的抗震性能大大提升。

3.2 大震作用下的層間位移角驗算

對于大震情況下結構的彈塑性分析，采用等效簡化計算方法，即近似將柱子和剪力墻剛度折減50%來考慮結構部分進入彈塑性狀況。由表3可以發現，相比于ST0，ST1在大震作用下的層間位移角明顯降低，其抗震性能得到明顯增強。

4 金屬消能器的滯回性能

選取五層X方向人字撐型布置的1500kN型阻尼器和Y方向人字撐型布置的1500kN型阻尼器作為代表，來查驗阻尼器的耗能情況。如圖6～9分別為金屬屈服阻尼器在時程8度小震和大震下的滯回曲線。由圖示可以看出，阻尼器在小震下已經開始屈服耗能，大震下的滯回曲線較為飽滿，耗能性能良好。

5 結論

（1）采用金屬消能器對結構進行減震加固，使得原高層混凝土結構的整體剛度有所提升。

（2）與原高層混凝土結構相比，減震結構在小震作用下的層間位移角和層間剪力均得到有效降低；減震結構在大震作用下的層間位移角也得到有效控制。均可以滿足規范要求。

（3）金屬消能器在小震作用下即開始屈服耗能，大震作用下滯回曲線飽滿，耗能性能良好，大大提升了結構在地震作用下的耗能能力。

參考文獻：

[1]Kelly J M，Skinner R I，Heine A J.Mechanisms of energy absorption in special devices for use in earthquake resistant structures[J].Bulletin of NZ Society for Earthquake Engineering，1972，5（03）：63-88.

[2]翁大根，楊凱，張超.消能減震結構附加金屬消能器的簡化設計方法[J].福州大學學報：自然科學版，2013（04）：629-639.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50023-2008建筑工程抗震設防分類標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[5]日本免震構造協會[日].蔣通，譯.被動減震結構設計·施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

作者簡介：張良寬（1967-），男，湖北仙桃人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：結構工程。endprint