阮錦發(fā)

(福建建工集團(tuán)總公司 福建福州 350001)

某中學(xué)活動(dòng)中心消能減震加固設(shè)計(jì)

阮錦發(fā)

(福建建工集團(tuán)總公司 福建福州 350001)

對(duì)某中學(xué)活動(dòng)中心采用消能減震方法進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。通過布置20套減震裝置后，結(jié)構(gòu)增加了8%的阻尼比，且通過阻尼器自身的耗能，原結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了大幅提高。

耗能減震裝置；加固設(shè)計(jì)；阻尼器

0 引言

消能減震技術(shù)是通過在建筑結(jié)構(gòu)的某些部位(如柱間、剪力墻、相鄰建筑間、主附建筑間等)設(shè)置消能器以增加結(jié)構(gòu)阻尼，從而減少結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震作用下的反應(yīng)[1]。經(jīng)過多年發(fā)展研究，消能減震器的種類通常分為位移相關(guān)型、速度相關(guān)型和其他類型，其中金屬阻尼器和摩擦阻尼器屬于位移相關(guān)型，要求位移達(dá)到預(yù)定的啟動(dòng)限才能發(fā)揮消能作用；而利用粘性、 粘彈性材料制成的阻尼器屬于速度相關(guān)型，其性能與速度有關(guān)[2-3]。近年來，該項(xiàng)技術(shù)在新建項(xiàng)目和加固項(xiàng)目中均得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。

1 工程概況

某中學(xué)青少年活動(dòng)中心建于2003年，抗震設(shè)防烈度8度(0.3g)，為6層框架結(jié)構(gòu)，整個(gè)建筑平面基本呈L形，總長(zhǎng)約40m，總寬23.9m，高度為24.3m，建筑面積約4 735.02m2，結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

存在的問題為：該工程屬于學(xué)校建筑，按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB50023-2008)，該結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)由丙類建筑調(diào)整為乙類建筑，抗震設(shè)防要求明顯提高；按現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[7]，該結(jié)構(gòu)所在地區(qū)設(shè)計(jì)地震分組由原來的第二組調(diào)整為第三組，地震作用增大。由此，現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的梁柱配筋及抗震構(gòu)造措施等基本上都不滿足規(guī)范要求。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置示意圖

加固方案的選擇：由于施工過程僅為暑假期間，所以改造加固周期不宜過長(zhǎng)，濕作業(yè)不宜過多，而且還要便于檢查和維護(hù)，更不能妨礙建筑物的外觀和正常使用。若采用傳統(tǒng)的加固方法對(duì)其加固，將影響活動(dòng)中心的正常使用。因此，該工程采用增設(shè)黏滯流體阻尼器進(jìn)行減震加固，一方面可以通過阻尼器的耗能降低結(jié)構(gòu)的地震作用，另一方面施工速度快，基本不影響活動(dòng)中心的正常使用，而且相較于傳統(tǒng)的加固方法，采用消能減震方案在施工時(shí)間和經(jīng)濟(jì)都具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2 分析模型及選波

2.1 計(jì)算模型

采用ETABS軟件建立分析模型如圖2所示。ETABS與PKPM各階模態(tài)周期、樓層剪力對(duì)比情況詳見表1和圖3；另外，ETABS 模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為6 391t，PKPM 模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為 6 355t。二者計(jì)算結(jié)果表明，兩個(gè)模型的相應(yīng)數(shù)據(jù)基本相同，差別很小，故所建立的 ETABS 的模型符合要求。

圖2 ETABS分析計(jì)算模型

圖3 ETABS與PKPM層間剪力對(duì)比結(jié)果

s

2.2 地震波輸入

該工程設(shè)計(jì)選用OBG、SFD、LWD、SFH、SNM、S845-1(人工波)、S845-2(人工波)，共7條。通過對(duì)波在頻域內(nèi)的綜合調(diào)整，使得各條波在8(0.30g)度多遇地震(110gal)的反應(yīng)譜已經(jīng)與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)相對(duì)應(yīng)的不同水準(zhǔn)設(shè)計(jì)譜基本一致，見圖4。兩條人工地震波 S845-1、S845-2是根據(jù)該工程附近場(chǎng)地的地貌和地質(zhì)特性生成，見圖5。

圖4 多遇地震動(dòng)(天然波)和 5%阻尼比規(guī)范設(shè)計(jì)譜對(duì)比

圖5 多遇地震動(dòng)(人工波)和 5%阻尼比規(guī)范設(shè)計(jì)譜對(duì)比

3 消能減震分析

3.1 阻尼器布置方案

阻尼器在豎向和平面上都應(yīng)布置在層間相對(duì)位移比較大的地方。框架結(jié)構(gòu)體系的總體水平位移曲線為剪切型，即下部樓層的層間相對(duì)水平位移較大，故在結(jié)構(gòu)的第一層至第五層均布置黏滯阻尼器裝置，各樓中黏滯阻尼器裝置的數(shù)量、型號(hào)和具體位置需通過多輪時(shí)程分析進(jìn)行優(yōu)化后確定。優(yōu)化后最終布置20套黏滯阻尼器減震裝置，具體布置位置見圖6。

該工程所采用的消能減震裝置為黏滯阻尼器組合消能支撐，主要由黏滯阻尼器和鋼支撐組合構(gòu)成，其中黏滯阻尼器的阻尼力可用下式表達(dá)：

Fd=Cvsgn(V) ∣V∣α

(1)

式中：α——阻尼指數(shù)；V——速度；Cv——阻尼系數(shù)。

圖6 一至五層消能減震裝置布置示意圖

阻尼器活塞自由移動(dòng)位移要求：±120mm。黏滯阻尼器的參數(shù)取值見表2。

表2 黏滯阻尼器參數(shù)

此外，在該工程中所選取的人字形鋼支撐為型鋼HM 440×300×11×18(mm)，支撐材質(zhì)均為Q235b，支撐及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)此處略，安裝節(jié)點(diǎn)示意圖見圖7。

圖7 消能減震裝置安裝節(jié)點(diǎn)示意圖

3.2 等效阻尼比計(jì)算

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)第12.3.4提供的公式可計(jì)算得到X向附加有效阻尼比為8.62%，Y向附加有效阻尼比為8.97%，綜合考慮取附加阻尼比為8%，故結(jié)構(gòu)計(jì)算最終采用阻尼比為13%。

3.3 減震效果分析

3.3.1 多遇地震作用下減震分析

為考慮布置黏滯阻尼器后結(jié)構(gòu)減震效果，多遇地震作用共輸入7條波進(jìn)行計(jì)算。限于篇幅，文中僅給出OBG波、SFD波和S845-1人工波的具體計(jì)算過程。計(jì)算結(jié)果取7條波的平均值。

8度(0.3g)輸入OBG波、SFD波和S845-1人工波的計(jì)算結(jié)果，見表3～表5。由表中結(jié)果可知，多遇地震OBG波作用下層間剪力和層間位移角X向最小減震率分別為24.65%和37.15%，最大減震率分別為49.72%和51.45%；Y向最小減震率分別為25.20%和23.69%，最大減震率分別為53.25%和52.07%。SFD波作用下層間剪力和層間位移角X向最小減震率分別為29.15%和38.57%，最大減震率分別為43.86%和53.28%；Y向最小減震率分別為27.81%和29.43%，最大減震率分別為44.58%和46.23%。S845-1波作用下層間剪力和層間位移角X向最小減震率分別為34.84%和46.02%，最大減震率分別為46.67%和54.67%；Y向最小減震率分別為38.38%和42.06%，最大減震率分別為43.68%和50.04%。

根據(jù)規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果取7條波的平均值，列出各條地震波作用下X向和Y向?qū)娱g剪力減震率及平均值匯總，見表6和表7。由表可知，在8度(0.3g)常遇地震作用下，X向樓層剪力平均值最大減震率約45.81%，Y向樓層剪力平均值最大減震率約43.84%。

表3 多遇地震作用下OBG波減震率

注：減震率=(減震前數(shù)值-減震后數(shù)值)/減震前數(shù)值，下同。

表4 多遇地震作用下SFD波減震率

表5 多遇地震作用下S845-1人工波減震率

表6 X向各條地震波的層間剪力減震率 %

表7 Y向各條地震波的層間剪力減震率 %

3.3.2 罕遇地震作用下減震分析

為考慮罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)減震效果，選用OBG波、SFD波和S845-1波作為地震動(dòng)輸入進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，其中OBG波、SFD波為天然波，S845-1波為人工波。地震波的峰值加速度根據(jù)規(guī)范要求分別調(diào)整到對(duì)應(yīng)于8度(0.30g)罕遇地震的510gal。計(jì)算結(jié)果取包絡(luò)值。

在8度(0.30g)OBG波作用下，結(jié)構(gòu)在進(jìn)行減震前后的層間位移角如圖8所示，X向?qū)娱g位移角在各樓層的減震率最小約為24%，最大可達(dá)38%；Y向?qū)娱g位移角在各樓層的減震率最小約為23%，最大可達(dá)51%。SFD波作用下，結(jié)構(gòu)在進(jìn)行減震前后的層間位移角如圖9所示，X向?qū)娱g位移角在各樓層的減震率最小約為19%，最大可達(dá)42%；Y向?qū)娱g位移角在各樓層的減震率最小約為15%，最大可達(dá)38%。S845-1波作用下，結(jié)構(gòu)在進(jìn)行減震前后層間位移如圖10所示，X向?qū)娱g位移角在各樓層的減震率最小約為20%，最大可達(dá)41%；Y向?qū)娱g位移角在各樓層的減震率最小約為10%，最大可達(dá)41%。

(a)X向

(b)Y向圖8 OBG波作用下層間位移角

(a)X向

(b)Y向圖9 SFD波作用下層間位移角

3.3.3 減震效果小結(jié)

在8度(0.3g)常遇地震作用下，從7條地震波分析結(jié)果的平均值可知，布置阻尼器后結(jié)構(gòu)在地震作用下的各層反應(yīng)均得到了明顯減小。即X向樓層剪力平均值最大減震率達(dá)到45.81%，Y向樓層剪力平均值最大減震率達(dá)到 43.84%。

在8度(0.3g)罕遇地震作用下，從3條地震波分析結(jié)果的包絡(luò)值可知，X向各層層間位移角平均值最大減震率可達(dá)到42%，Y向各層層間位移角平均值最大減震率可達(dá)到51%。

以上分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)布置黏滯阻尼器之后抗震性能得到了大幅提升。

4 結(jié)論

通過對(duì)該建筑采用消能減震技術(shù)進(jìn)行加固分析，得到主要結(jié)論如下：

(1)設(shè)置阻尼器裝置后，在8度(0.3g)常遇地震作用下，X向基底剪力平均值最大減震率約45.81%，Y向基底剪力平均值最大減震率約43.84%。在8度(0.3g)罕遇地震作用下，X向各層層間位移角平均值最大減震率約45%，Y向各層層間位移角平均值最大減震率約49%。因此，采用黏滯流體阻尼器后結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了大幅提升。

(2)采用本減震設(shè)計(jì)，X和Y向的基底剪力平均減震率約為30%～40%，故確定結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)時(shí)可考慮至少降低半度，即可按8度(0.2g)考慮。該工程的框架抗震等級(jí)仍然為二級(jí)，框架梁、柱的承載力及彈性層間位移角等都已滿足要求，對(duì)框架梁、柱可不再進(jìn)行構(gòu)造措施方面的加固。

(a)X向

(b)Y向圖10 S845-1波作用下層間位移角

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Strengthening Design of a School Activity Center By Using Energy Dissipation Devices

RUANJinfa

(Fujian Construction Engineering Group Company,Fuzhou 350001)

A school activity center was strengthened by using energy dissipation devices. About 8% damping ratio of the structure is added after arranging 20 energy dissipation devices, and seismic performance has been greatly improved due to energy dissipation of dampers.

Energy dissipation device; Strengthen design; Damper

阮錦發(fā)(1972.11- ),男，高級(jí)工程師。

E-mail:50506326@qq.com

2016-08-09

TU352

A

1004-6135(2016)12-0025-06