阻尼器在歷史保護建筑結構加固抗震中的應用

曾維強

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

1 工程概況

四行倉庫建筑位于上海市光復路1～21號，地處城市中心地段，建筑東鄰西藏北路、西鄰晉元路、北靠國慶路及文化市場商業店鋪、南倚光復路及蘇州河河岸。四行倉庫初始建于1931～1935年，建成后經歷過三次大的修繕：1968年在四行倉庫原天井各層加建平臺，并將南立面原凹口補齊；1976年在屋面處加建第6層鋼筋混凝土結構；1996年第6層屋面上加建了鋼結構保齡球館。2014年四行倉庫被確定為上海市文物保護單位。

為紀念2015年反法西斯戰爭勝利70周年活動，緬懷革命先烈，傳承革命精神，對四行倉庫進行全面加固和修繕，并重新定位其使用功能。初始建造時四行倉庫為四大銀行的倉庫；新中國成立后至加固修繕施工前，四行倉庫保留了“八百壯士英勇抗日事跡陳列室”，其余空間主要為商業文化禮品市場用途。本次加固修繕后，建筑的1—3層西側為抗戰紀念館、1—2層東側為配套商業區、3—6層為創意辦公區。本次修繕除了對戰爭彈孔墻面等歷史遺跡復原外，還對結構體系進行加固改造，特別是提升整個建筑的抗震性能，結構加固后使用年限為30 a。修繕前主體結構為地上7層的鋼筋混凝土框架結構（其中第6、7層為后期加建），高度為34.67 m，內墻形式為磚砌體；修繕后為地上6層的鋼筋混凝土框架＋軟鋼阻尼器結構體系，建筑高度27.7 m，內墻形式為加氣混凝土砌塊。針對結構加固和抗震性能提升需求，通過技術創新，擬在歷史保護建筑結構內部新增消能減震阻尼器。如何保證阻尼器按照既定的受力狀態安裝就位成了結構加固、提升抗震性能的關鍵難題。

2 阻尼器設計方案概述

2.1 阻尼器的作用原理

增設阻尼器常用于舊建筑的加固改建中，以提高建筑物的抗震性能[1]。當出現大風或地震等偶然荷載作用時，隨著結構側向變形受力增大，消能構件或減能裝置會率先進入非彈性變形狀態，產生較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震或風振能量，使主體結構避免出現明顯的非彈性變形狀態，且迅速消減結構的地震或風振反應（位移、速度、加速度等），保護主體結構及構件在強地震或大風中避免遭受破壞或發生倒塌。

2.2 阻尼器的選型

目前研究開發的阻尼器種類較多，主要有金屬阻尼器、摩擦阻尼器、黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、復合型阻尼器。軟鋼阻尼器是金屬阻尼器中常用的一種類型，是目前國內外廣泛研究的各種耗能裝置中構造最為簡單的耗能器之一，相對于其他阻尼器也具有經濟、實用、耗能建筑效果顯著的特點，它充分利用軟鋼具有較好的屈服后性能，進入塑性變形階段后具有良好的塑性變形來耗散地震能量。其減震機理明確、經濟耐用、施工便捷，應用范圍不受建筑高度和平面布置形式的限制，而且既可用于新建建筑的抗震控制，又可用于舊有建筑的加固維修。

四行倉庫建筑屬于歷史保護建筑，至今已使用逾80 a。考慮到老建筑改造的施工性、建筑空間的使用性及本建筑在罕遇地震下的安全性，阻尼器必須容易安裝、對歷史保護建筑空間影響最小、在罕遇地震作用下依然不破壞而且能夠發揮其耗能特性，設計在四行倉庫結構抗震加固中選用位移型K型軟鋼阻尼器，其耗能特性良好（圖1）。軟鋼阻尼器同時具備構造簡單、震后更換方便、減震機理明確、減震效果顯著的特點，低周疲勞特性良好，且不受環境溫度影響。

圖1 位移型軟鋼阻尼器的滯回曲線

2.3 阻尼器布置方案

本次在四行倉庫歷史保護建筑加固抗震中增設阻尼器時，按照使扭轉效應盡可能小的方式將其布置在建筑1層、2層、3層結構內部。四行倉庫屬于以剪切變形為主的框架結構，底部變形較大，宜布置在結構的下部。布置設計時重點考慮以層間位移為指標，在層間位移較大的樓層增設阻尼支撐[2]。盡量縮小質量中心和剛度中心的差異，對于規則結構，阻尼支撐應在基本滿足業主空間使用需求的基礎上，沿結構的2個主軸方向分別設置或僅在1個主軸方向布置；耗能部件的平面布置應規則、對稱，盡量縮小質量中心和剛度中心的差異，以減小結構的扭轉效應。對于有偏心的結構，應盡量在遠離剛心的一端布置阻尼支撐，以減小扭矩效應[3]。

對原設計方案的阻尼器布置數量和位置進行方案優化創新，原阻尼器設計方案共布置44組阻尼器：在1層布置20組軟鋼阻尼器（編號1—20），在2—4層每層各布置8組軟鋼阻尼器（編號21—44）。施工基于歷史保護建筑的結構體系不得改變，結構內部改造不宜過大。對阻尼器數量和位置的布置方案創新優化可以縮短工期、節約成本，通過創新優化后的阻尼器在原44組的基礎上減少了16組，減少后共為28組。在1層減少6組阻尼器、移位2組阻尼器，2層減少1組阻尼器，3層減少1組阻尼器，4層減少8組阻尼器。

2.4 阻尼器的性能試驗

此次用于四行倉庫歷史保護建筑的阻尼器為軟鋼位移型阻尼器，鋼材采用Q235B，根據布置的不同位置確定了共2種不同外形尺寸的型號。阻尼器的構件性能合格和施工安裝質量良好是保證阻尼器正常使用的必要條件，因此施工安裝前必須對2種不同尺寸的軟鋼阻尼器進行規格和技術指標分析，并采取推拉往復加載力學性能檢驗試驗，確定屈服力、屈服位移、極限變形能力等參數，檢測試驗滿足常規性能設計值。軟鋼阻尼器主消能水平方向性能技術參數為：阻尼器1（位于首層位置），初始剛度為4.74×104kN/m，屈服力為132 kN，設計位移為25 mm；阻尼器2（位于2、3層位置），初始剛度為2.79×105kN/m，屈服力為236 kN，設計位移為20 mm。兩種阻尼器的外形尺寸規格（長×寬×高）分別為1 350 mm×180 mm×280 mm和1 350 mm×180 mm×170 mm。軟鋼阻尼器力學性能為屈服點（235±23.5）MPa，延伸率＞40%，鋼材沖擊試驗滿足0 ℃時≥27 J，鋼材屈服強度實測值與抗拉強度實測值的比值≤0.85。

根據阻尼器的性能檢驗要求，在安裝前對工程中所用的各種類型和規格的阻尼器原型部件進行抽樣檢測。抽檢數量為每種類型和每一規格的3%，但不應少于2個，抽樣檢測的合格率應為100%，檢測后的阻尼器不能用于主體結構。

四行倉庫歷史保護建筑中增設的阻尼器采取的試驗裝置設備為申克試驗機，最大行程200 mm，最大荷載1 000 kN，試驗在室溫下進行。通過液壓伺服作動器對阻尼器進行水平往復加載。加載過程分為變副值等位移步往復加載和常副值疲勞加載兩部分。試驗過程采用位移控制，采取推拉往復加載的方式。試驗開始后，首先施加推力，當阻尼器上下鋼板相對位移達到目標值（以外推位為正，內推位為負）時，改變力的方向為拉力，向內拉阻尼器上部鋼板直至位移目標值，再次改變力的方向增加位移依次加載；之后在設計位移下循環往復30次；最后加載至設計位移的1.2倍，完成即停止試驗。由四行倉庫現場抽樣的2種不同尺寸規格的阻尼器試件1和試件2試驗后得出結論：由常規加載得出的屈服荷載、彈性剛度等參數符合相關規范要求，實測值的偏差小于理論設計值的15%；30圈疲勞試驗得出的滯回曲線穩定、飽滿，未發現明顯損傷破壞，阻尼力、滯回曲線等性能指標偏差均在平均值15%以內，符合相關規范要求。

3 阻尼器施工

阻尼器均采用墻支撐方式與既有建筑相接合（圖2），增設阻尼器位置均在室內緊相鄰的柱子之間。與阻尼器接合的混凝土墻厚200 mm，混凝土強度等級為C30。阻尼器與預埋件的鋼板采用焊接連接。預埋件由預埋鋼板和預埋錨筋焊接組成，預埋鋼板采用尺寸為1 620 mm×200 mm×24 mm、強度等級為Q345B的鋼板，預埋錨筋直徑18 mm。混凝土施工時，采用合理的工序確保阻尼器處于不受力狀態，并應采取可靠措施確保振搗密實。

3.1 阻尼器施工工藝流程

施工準備→設備、材料進場→抽樣檢驗試驗→3層、2層安裝位置鑿除樓板→鑿除樓板部位增設型鋼混凝土梁→1層安裝位置鑿除樓板→筏板植筋→阻尼墻鋼筋綁扎→預埋錨筋、鋼板→支模→澆筑C30混凝土→拆模、養護→復核定位→吊裝阻尼器→與預埋鋼板焊接→阻尼器施工及焊縫驗收→防腐涂裝[4-5]

圖2 首層位移型軟鋼阻尼器連接示意

3.2 施工技術步驟要點

1）增設型鋼混凝土梁：人工鑿除安裝阻尼器對應相鄰柱子之間的2層樓板混凝土部位，鑿除樓板混凝土時注意對文保建筑無梁柱帽的保護加固。在鑿除后鏤空區域后兩端柱子之間增設300 mm×100 mm×22 mm×25mm H型鋼作為鋼骨，型鋼強度等級為Q345B，并在型鋼周圍配置鋼筋（圖3），縱向受力鋼筋植筋固定于兩端的柱子之間，型鋼及鋼筋固定后開始支模新澆筑C30混凝土。

2）阻尼墻混凝土結構施工：鑿除1層布置阻尼器位置的地面混凝土樓板，人工開挖至筏板基礎面標高，在筏板基礎上開始化學錨筋植筋，筏板面標高以上施工磚胎模，磚胎模砌筑完成后開始做高250 mm地圈梁，圈梁面層標高與首層室內地面標高相同。阻尼墻鋼筋綁扎安裝完成后，將阻尼器上端、下端預埋件按設計圖紙就位并分別與阻尼墻鋼筋定位固定。在模板支設完成后，澆筑阻尼墻C30混凝土。混凝土施工時，振搗棒振搗時需避免直接碰觸到預埋錨筋和預埋鋼板，以防預埋件位置發生位移，慢慢將混凝土灌入埋件下部。阻尼器安裝施工前，由施工員對阻尼器安裝位置進行測量復核，復核檢查完成后報監理檢查驗收；驗收通過后開始進行安裝作業。

3）阻尼器吊裝：阻尼器先用導鏈和夾具吊至安裝位置，準確地定位放置于預埋鋼板位置，使用二氧化碳保護氣體電弧焊與上下端預埋鋼板角焊10 mm固定（圖4）；然后檢查阻尼器的水平度和垂直度是否符合要求，檢查驗收通過后開始將阻尼器與預埋鋼板采用二氧化碳氣體保護焊連接。阻尼器焊接安裝完成后，進行阻尼器防腐涂裝，撕掉阻尼器保護膜，組織監理、業主、設計院對阻尼器及埋件表面清潔、焊縫光滑等項目進行綜合驗收（圖5）。符合防腐涂裝要求后，在空氣較為干燥的條件下開始阻尼器富鋅防腐漆噴涂。

圖3 型鋼混凝土框架梁節點

圖4 軟鋼阻尼器與預埋件連接

圖5 安裝后的軟鋼阻尼器和阻尼墻三維模型

4 結語

目前國內外針對在建筑結構中設計抗震減能阻尼器的技術理論進行了大量學術研究。綜上所述，阻尼器在歷史保護建筑結構加固抗震中的應用有效提高了既有建筑結構的安全穩定性，延長了建筑的使用壽命，有力響應了城市更新下歷史文化建筑的結構加固保護利用的時代號召。如何將阻尼器更好地應用于既有建筑改造、文保建筑加固當中，還需對節點優化施工工藝和施工過程控制等方面進行創新研究。