某公共建筑利用消能減震的加固方法分析

張雅杰

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

當今社會，越來越多機場、劇場、寫字樓等既有公共建筑有加固需求，因其特有的地理位置和使用功能，短期內缺乏可以替代的場地，加固就成為唯一選擇。加之，隨著抗震水平的不斷提高以及公共建筑重要性的大幅提升(重點設防類)，要求加固后建筑有較強的延性，實現中震可修、大震不倒的性能目標，而原有建筑普遍存在混凝土等級低，老化嚴重，再加上業主對建筑使用要求的提高，如增加使用荷載(如種植屋面、設備機房、健身房等)，增加使用面積或功能(增加懸挑，加設樓梯等)，增加了結構的豎向荷載及地震作用。然而，依據現有抗震規范，原結構的性能指標已嚴重不符合要求，在豎向荷載工況下已無法承受使用荷載，抗震水平可想而知，這就要求對原有結構“減負”的前提下進行使用功能的提升。

消能減震加固技術，是近年來迅速發展起來的一種合理、高效、安全、經濟的工程抗震加固方法[1]。采用阻尼器[2]作為消能減震體系中的消能裝置，當構件或節點發生相對位移時，耗能器產生較大的阻尼，吸收并耗散較大的地震能量，從而有效降低結構的地震響應。此方法已廣泛應用于設備廠房[3]、中小學校舍[4]及綜合樓[5]等建筑，應用效果良好，成本可控。同時，日本發展出外附阻尼框架[6]、外附耗能鋼支撐[7]的加固方法,建筑效果獨特，抗震性能良好，但有阻擋視野、場地需求高等缺點。

綜上所述，消能減震技術于各類型建筑中應用廣泛、多樣，阻尼器主要以黏滯流體阻尼器、防屈曲約束支撐(BRB)為主，防屈曲鋼板墻(BRW)應用較少，如何實現阻尼器與建筑功能的協調也論述較少。

本文通過在有限的與建筑協調的空間(如樓電梯間、公共衛生間、非空間等)，依據剛度相對均勻地布設防屈曲鋼板墻(BRW)及防屈曲約束支撐(BRB)，通過其消能減震效應，較大程度減少原結構加固量，達到設計要求。

1 工程概況

1.1 概況

該工程為7層鋼筋混凝土框架辦公樓，1979年建造，建筑高度23.90m。該工程抗震設防類別為丙類，后續使用年限為50年。因使用需要，一層至六層由原開敞辦公改造為宿舍，宿舍內增設衛生間，東北角懸挑區由陽臺改為公共衛生間，七層改造為健身房，屋面層由上人屋面改造為屋頂花園，覆土厚度100mm～300mm。二層平面圖如圖1所示。

圖1 二層結構平面圖

1.2 原始計算分析

依據福建省建筑科學研究院提供的《房屋檢測鑒定報告》，梁柱混凝土強度等級C20，鋼筋強度fy=300N/mm2，按照原始結構條件，使用現有荷載，計算結果如下：

(1)地震作用下X向最大層間位移角1/654，扭轉位移比1.17，Y向最大層間位移角1/698，扭轉位移比1.20。

(2)一層柱共14個柱軸壓比達到1.30，計算配筋2700mm2，實際配筋僅為1014mm2，嚴重不滿足設計要求。

(3)懸挑區梁面縱筋不滿足要求，局部梁底配筋不滿足要求，支座負筋大部分不滿足要求。

(4) 屋面層全面不滿足要求。

綜上，原結構無法滿足設計要求，承載力差距較大，需加固。

2 常規加固方法分析

2.1 柱外包型鋼加固法

針對柱軸壓比、配筋均不足的情況，采用外包型鋼形式，柱四角粘貼L80×8的角鋼，角鋼下端錨固于基礎，中間穿過樓板，上端伸至屋面板底，角鋼間設置-50×5@150綴板與角鋼三面圍焊，梁底及梁面設置加強角鋼L80×8，以保證整體性，做法如圖2所示。經驗算，加固后可滿足軸壓比及配筋要求。

圖2 外包型鋼大樣

2.2 梁粘鋼、懸挑梁加設鋼拉桿

梁承載力不足的原因和采用加固方法分析：

(1)豎向荷載增加導致承載力不足

通常承載力提高幅度在40%之內可通過粘鋼加固實現[8]。

(2)懸挑梁承載力不足

該工程由于懸挑區域改造為公共衛生間，荷載翻倍，故采用粘鋼加固無法滿足要求，因建筑許可，通過加設圓管70×6鋼拉桿，鋼拉桿另一端固定于柱包鋼，經驗算，滿足設計要求，如圖3所示。

圖3 吊桿加固大樣

(3)地震作用導致支座截面配筋不足

通常在支座處使用梁粘鋼方法，該工程出現此類情況，支座較大面積需加固。

2.3 板粘貼碳纖維復合材加固法

按計算所需鋼筋面積折算在板底和板面粘貼碳纖維加固。

綜上，常規加固方法可較好解決豎向荷載工況下結構構件承載力不足，但加固量尤其是梁支座加固量仍較大，費時費工，同時，無法提高結構的扭轉剛度，地震作用下仍存在安全風險。

因該工程業主提出較高的使用要求，該工程同時采用消能減震加固方法。

3 消能減震加固方法分析

3.1 消能減震加固原理

消能減震加固，是通過在原結構設置阻尼器等減震裝置來實現抗震目標的方法。結構消能減震加固，即是在結構物的某些部位設置消能裝置，通過消能裝置產生摩擦、彎曲(或剪切、扭轉)、彈塑(或粘彈)性滯回變形來耗散或吸收地震輸入結構中的能量，以減少主體結構的地震反應[9]。

3.2 阻尼器布設位置選取

由于阻尼器通常需要樓層通高布置，為滿足建筑要求，布設位置較局限，該工程將BRB均勻設置在樓梯間、非全開敞走道、相鄰建筑間，利用墻體或假窗來隱藏，將BRW設置在窗間外墻，平面上與BRB相應位置基本平衡，保證結構剛度平衡，增加扭轉剛度，同時無需樓層通高，可設置上部樓層減少或取消，布設位置如圖4～圖5所示。

圖4 一層支撐平面布置圖

圖5 阻尼器三維分布圖

3.3 增加阻尼器后小震分析

小震分析時，BRB采用斜撐形式輸入，BRW采用雙斜撐形式，屈服荷載與相應屈服荷載一致。

計算結果如下：

(1)地震作用下X向最大層間位移角1/785，扭轉位移比1.15，Y向最大層間位移角1/694，扭轉位移比1.17，得到一定程度改善，如表1所示。

表1 加固前后結構性能指標對比

(2) 梁支座承載力明顯降低，支座加固量大大減少。

3.4 增加阻尼器后大震分析

3.4.1有限單元選擇

該工程采用STRAT軟件對結構做大震動力彈塑性分析，梁柱單元采用三維纖維細分，墻單元采用平面內分塊纖維，板單元采用厚度分層纖維。

3.4.2阻尼器模擬

防屈曲鋼板墻(BRW)采用等效交叉支撐模型(圖6)，剛度等效方法如下[10]：

以矩形鋼板墻為基礎，通過有限元分析，得到其初始剛度如式(1)所示。

圖6 防屈曲鋼板墻

(1)

為便于防屈曲鋼板墻應用于框架結構，需利用簡化計算模型。借鑒開豎縫混凝土剪力墻和開豎縫鋼板剪力墻的簡化模型，將防屈曲鋼板墻等效為交叉支撐，如圖7所示。

圖7 偏心交叉支撐

根據鋼板墻與交叉支撐的抗側剛度相等原則，可以得到交叉支撐的截面面積Ab，如式(2)所示：

(2)

其中，K為鋼板墻剛度，lb為偏心交叉支撐長度，β為偏心交叉支撐與水平面的夾角。

3.4.3地震波選擇

該建筑選擇的地震波為：HOLLISTE波、FTI1000及人工波進行計算，波形如圖8所示。經評估，3條地震波與反應譜統計意義上相符，滿足規范對地震波的要求。地震波峰值加速度為220cm/s2，持續時間根據不同地震波的特點取17～40s，計算時間間隔為0.02s。因此，地震波“三要素”均滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》(以下簡稱《高規》)4.3.5對地震波的要求。下文中給出的結果均按照規范取3條波中的最大值。

圖8 時程曲線

3.4.4位移分析

(a)加固前-X向地震

(b)加固前-Y向地震

(c)加固后-X向地震

(d)加固后-Y向地震圖9 加固前后結構層間位移角曲線

加固前后的建筑在大震下結構層間位移角對比如圖9所示。由圖9可以看出，加固前結構無法滿足大震不倒的要求，結構位移角已經遠遠大于1/50的限值要求。而加固后，結構位移角均小于1/100，不到限值的50%。

3.5.5損傷分析

(a)加固前-X向地震

(b)加固前-Y向地震

(c)加固后-X向地震

(d)加固后-Y向地震圖10 加固前后大震作用下結構損傷情況

罕遇地震作用下，框架梁、柱的破壞情況如圖10所示。結合纖維單元的特點，根據應變屈服、應變超限的纖維數量比例，給出構件截面的破損程度的指標。圖10中，“Light”表示基本完好，“Mild”表示輕微損傷，“Middle”表示中等損傷，“Severe”表示嚴重破壞。由圖10可見，結構加固前，框架梁柱破壞嚴重，部分框架柱甚至發生嚴重破壞。底部框架柱全高屈服，破壞嚴重。加固后，框架梁柱破壞大幅度減少，破壞截面集中在梁柱箍筋加密區。

4 結論

(1)可依據結構實際剛度均勻合理布設BRB、BRW，可達到較好的效果，如樓電梯間、非全開敞走道、相鄰建筑間隱蔽空間可設置BRB，窗間可設置BRW，無需全樓通高，可與建筑師溝通，頂部樓層可逐漸減少或取消，配合頂部功能，在提升結構抗震性能的同時，實現消能構件的全隱藏或半隱藏。

(2)綜上，加固后結構性能大幅提升，加固前罕遇地震下最大層間位移角X向1/17，Y向1/19，加固后X向1/95，Y向1/180，遠小于規范限值(1/50)，且在罕遇地震作用下，加固前嚴重破壞的構件占比32%，加固后結構中沒有嚴重破壞的構件，加固后的結構抗震性能超過了《高規》性能目標C(一般新建建筑均為此性能水平)。