屈曲約束支撐和阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)中減震效果分析

李 璐

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)

1 概述

在各種自然災(zāi)害之中，地震災(zāi)害所帶來的危害是相對(duì)嚴(yán)重的，而從地震發(fā)生過程中對(duì)于人們?cè)斐蓳p害方面來說，主要是由于地震發(fā)生時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑工程出現(xiàn)嚴(yán)重破壞問題或者是倒塌問題，使得人員受到相對(duì)大傷亡。因?yàn)楝F(xiàn)階段我們不能夠?qū)Φ卣馂?zāi)害進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，所以，在預(yù)防地震災(zāi)害的過程中，最為有效的方法依舊是確保建筑工程抗震性能能夠有效提升，通過此種方法可以有效的減少地震中造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，這在以往地震災(zāi)害防治工作之中已經(jīng)得到了證實(shí)。要想保證建筑工程在發(fā)生地震情況下依舊可以擁有優(yōu)良的穩(wěn)定性能，要求必須要結(jié)合建筑工程實(shí)際情況和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，針對(duì)建筑工程開展抗震設(shè)計(jì)工作。

2 抗震加固技術(shù)

2.1 屈曲約束支撐加固技術(shù)

此種抗震加固技術(shù)所應(yīng)用到的主要為屈曲約束支撐元件，其屬于一種消能類型元件，該元件受到地震災(zāi)害影響情況下其軸向應(yīng)力將會(huì)轉(zhuǎn)移至結(jié)構(gòu)中心位置的芯材承擔(dān)，其受到了軸向的作用力情況下會(huì)發(fā)生屈服反應(yīng)，從而消耗掉沖擊作用所帶來的能量，設(shè)置于外部結(jié)構(gòu)的鋼管以及套管之中澆筑成型的混凝土結(jié)構(gòu)則能夠保障芯材在彎曲過程中受到一定約束，從而防止其在受到相對(duì)大壓力情況下而出現(xiàn)失穩(wěn)問題。因?yàn)榛旧喜粫?huì)出現(xiàn)受壓失穩(wěn)問題，所以，采用此種結(jié)構(gòu)對(duì)建筑工程進(jìn)行支撐情況下，要較采用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐所需面積更小，如此便能夠有效的降低地震對(duì)于建筑工程的破壞作用。

2.2 粘滯阻尼器加固技術(shù)

此種抗震加固技術(shù)所應(yīng)用到的主要為粘滯阻尼器元件，其同樣屬于一種消能類型元件，該元件通常由缸筒結(jié)構(gòu)、活塞結(jié)構(gòu)、阻尼孔結(jié)構(gòu)以及粘滯材料等不同部分構(gòu)成。其在工作中是借助于活塞結(jié)構(gòu)以及缸筒結(jié)構(gòu)所存在的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在這一運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)形成一定壓力差，因?yàn)槭艿搅藟毫ψ饔茫瑢?huì)使得缸筒之中所包含的粘滯材料將由阻尼孔結(jié)構(gòu)之中流出，這樣便會(huì)形成一定的阻尼作用，借助于粘滯材料流動(dòng)以及產(chǎn)生的阻尼作用而消耗能量。線性阻尼器裝置阻尼作用和速度之間表現(xiàn)出正比例關(guān)聯(lián)性，在遭遇相對(duì)低等級(jí)的地震災(zāi)害情況下，其阻尼作用相對(duì)較小，而遭遇相對(duì)高等級(jí)地震情況下，其阻尼作用相對(duì)較大。而對(duì)于非線性阻尼器裝置而言，其在遭遇相對(duì)低等級(jí)地震災(zāi)害情況下，其阻尼作用相對(duì)大，遭遇相對(duì)高等級(jí)地震情況下，其阻尼作用并不會(huì)呈線性增加。就目前實(shí)際應(yīng)用效果而言，非線性阻尼器裝置應(yīng)用效果更為優(yōu)良。其不僅能夠抵抗地震災(zāi)害作用，同時(shí)也可以有效的抵抗風(fēng)力的作用，能夠更好的對(duì)建筑工程加以保護(hù)。

2.3 隔震層加固技術(shù)

隔震層是在建筑工程結(jié)構(gòu)之中增加上相應(yīng)的隔震支座結(jié)構(gòu)以及阻尼結(jié)構(gòu)等，從而構(gòu)建成為能夠一定復(fù)位性能的隔震層結(jié)構(gòu)，如此便可以確保建筑工程在受到地震作用情況下的自振周期得以增加，從而使得地震沖擊下傳到建筑工程上部結(jié)構(gòu)位置處的地震沖擊作用有效減弱，確保建筑工程的抗震性能能夠得以有效改善。對(duì)于一些低層建筑工程而言，例如:食堂建筑結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)一般情況下高寬比值不超過4，而且在變形過程中也多是剪切變形，建筑工程的整體剛度值相對(duì)大，建筑工程所擁有的自振周期相對(duì)短，極易受到地震災(zāi)害的影響。通過增加隔震層結(jié)構(gòu)之后，便能夠確保建筑工程的自振周期會(huì)有所增加，從而使得建筑工程上部構(gòu)造在受到地震作用下的加速度反應(yīng)將會(huì)進(jìn)一步減弱，這樣便能夠使得結(jié)構(gòu)阻尼增加，從而達(dá)到有效的抗震效果。

3 抗震加固技術(shù)在工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國(guó)幾乎所有的建筑工程在設(shè)計(jì)以及施工過程中都開始應(yīng)用不同類型的抗震加固技術(shù)，其中大部分都是僅僅應(yīng)用了一種抗震加固技術(shù)，但是，采用屈曲約束支撐加固技術(shù)和粘滯阻尼器裝置加固技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合抗震設(shè)計(jì)的建筑工程相對(duì)較少。在采用屈曲約束支撐加固技術(shù)時(shí)，由于屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)其屬于一種位移類型的阻尼裝置，當(dāng)發(fā)生相對(duì)小地震情況下，屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)是在彈性狀態(tài)之下，無法有效發(fā)揮出減震作用，不過可以確保建筑工程的側(cè)向剛度有所提升，從而使得建筑工程的位移減小。而在發(fā)生了相對(duì)高等級(jí)地震災(zāi)害情況下，則屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮相對(duì)大的減震作用。粘滯阻尼器裝置其屬于一種速度類型的阻尼裝置，在建筑結(jié)構(gòu)遭受到相對(duì)低等級(jí)的地震災(zāi)害情況下，其能夠起到有效減震作用，而且在建筑結(jié)構(gòu)遭遇相對(duì)大的地震災(zāi)害情況下也能夠發(fā)揮更大的減震作用。不過，粘滯阻尼裝置其無法確保建筑工程的側(cè)向靜剛度值有所提升。而若是僅僅借助于粘滯阻尼器裝置來控制建筑工程位移，則通常要求應(yīng)當(dāng)設(shè)置相對(duì)多的粘滯阻尼裝置，這樣將導(dǎo)致建筑工程的整體造價(jià)會(huì)有所增加。

所以，通過應(yīng)用屈曲約束支撐加固技術(shù)以及粘滯阻尼加固技術(shù)，能夠確保建筑工程無論是遭遇何種等級(jí)的地震強(qiáng)度情況下均可以發(fā)揮優(yōu)良的抗震效果，同時(shí)，也能夠有效提升建筑工程的側(cè)向剛度，從而可以達(dá)到結(jié)構(gòu)的位移要求，確保建筑工程擁有更為優(yōu)良的抗震性能。 而在應(yīng)用隔震層結(jié)構(gòu)的過程中，要求其要擁有相對(duì)優(yōu)良的初始剛度值，這樣才能夠確保風(fēng)力載荷以及其他水平載荷的影響之下，建筑工程不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)大位移問題，確保建筑工程能夠達(dá)到正常的應(yīng)用需求。并且，對(duì)于其上部結(jié)構(gòu)而言，要求所設(shè)置的隔震層結(jié)構(gòu)其剛度值應(yīng)適當(dāng)減小，如此才能夠確保在遭遇地震災(zāi)害問題情況下，能夠降低建筑工程上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的加速度值，從而確保建筑工程可以更加穩(wěn)定。

4 屈曲約束支撐和阻尼器實(shí)際應(yīng)用效果分析

4.1 建筑工程概況

某建筑工程屬于學(xué)校綜合樓建設(shè)工程，工程結(jié)構(gòu)屬于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)為12層，南北方向?qū)?yīng)的寬度值在15 m～18 m，東西方向?qū)?yīng)的寬度值在57 m～64 m，整體呈現(xiàn)圓弧形狀，南北方向上設(shè)置的柱結(jié)構(gòu)間距值在3 m～5 m范圍之內(nèi)，東西方向上設(shè)置的柱結(jié)構(gòu)間距值在7.1 m～8 m。建筑工程所處的區(qū)域?qū)儆?度設(shè)防區(qū)，依照我國(guó)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范之中規(guī)定，為了確保建筑工程能夠擁有更為優(yōu)良的抗震性能，在進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工過程中甲方要求按照8度設(shè)防區(qū)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)與施工過程中采用了聯(lián)合抗震加固技術(shù)。

4.2 屈曲約束支撐和阻尼器聯(lián)合抗震加固方案設(shè)計(jì)

若是僅僅利用以往的抗震加固技術(shù)，要求在建筑結(jié)構(gòu)之中設(shè)置上剪力墻結(jié)構(gòu)，同時(shí)也要求針對(duì)梁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行加固處理，增加梁柱結(jié)構(gòu)的截面面積大小，這樣不僅導(dǎo)致建筑工程的整體使用功能會(huì)受到一定影響，另外，也會(huì)使得建筑工程的整體造價(jià)偏高。所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工過程中，應(yīng)用了屈曲約束支撐和阻尼器抗震加固技術(shù)。在建筑結(jié)構(gòu)的四角位置處加設(shè)向X方向以及Y方向的屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)，一共設(shè)置有140根，在不同層結(jié)構(gòu)之間加設(shè)粘滯阻尼器裝置，阻尼器裝置的阻尼系數(shù)為70 kN(s/mm)0.3，阻尼指數(shù)為0.3，預(yù)估阻尼力為600 kN，所設(shè)置的阻尼裝置數(shù)量一共為30套。

4.3 屈曲約束支撐和阻尼器聯(lián)合抗震加固方案應(yīng)用效果

針對(duì)采用屈曲約束支撐和阻尼器聯(lián)合抗震加固方案設(shè)計(jì)之后的建筑工程進(jìn)行Midas Gen模擬分析。通過分析得出，在小震作用之下，設(shè)置屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)能夠確保建筑工程的層間位移角度值控制在1/800范圍之內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)加設(shè)了粘滯阻尼器裝置，這樣又進(jìn)一步確保了建筑結(jié)構(gòu)層間位移角的降低，從而保障了建筑結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到小震條件下抗震標(biāo)準(zhǔn)要求。針對(duì)大震情況下建筑結(jié)構(gòu)層間位移角進(jìn)行模擬得出，在采用屈曲約束支撐和阻尼器聯(lián)合抗震加固方案進(jìn)行加固處理之后，確保了層間位移角能夠控制在1/100范圍之內(nèi)，從而使得建筑結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)嚴(yán)重的損壞，可以滿足“大震不倒”這一標(biāo)準(zhǔn)要求。這也說明了此建筑工程通過采用屈曲約束支撐和阻尼器聯(lián)合抗震加固方案有效的提升建筑工程抗震效果，滿足標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的要求，在實(shí)際應(yīng)用中是可行的。