某中学活动中心消能减震加固设计

阮锦发

(福建建工集团总公司 福建福州 350001)

某中学活动中心消能减震加固设计

阮锦发

(福建建工集团总公司 福建福州 350001)

对某中学活动中心采用消能减震方法进行加固设计。通过布置20套减震装置后，结构增加了8%的阻尼比，且通过阻尼器自身的耗能，原结构的抗震性能得到了大幅提高。

耗能减震装置；加固设计；阻尼器

0 引言

消能减震技术是通过在建筑结构的某些部位(如柱间、剪力墙、相邻建筑间、主附建筑间等)设置消能器以增加结构阻尼，从而减少结构在风和地震作用下的反应[1]。经过多年发展研究，消能减震器的种类通常分为位移相关型、速度相关型和其他类型，其中金属阻尼器和摩擦阻尼器属于位移相关型，要求位移达到预定的启动限才能发挥消能作用；而利用粘性、 粘弹性材料制成的阻尼器属于速度相关型，其性能与速度有关[2-3]。近年来，该项技术在新建项目和加固项目中均得到了广泛应用[4-6]。

1 工程概况

某中学青少年活动中心建于2003年，抗震设防烈度8度(0.3g)，为6层框架结构，整个建筑平面基本呈L形，总长约40m，总宽23.9m，高度为24.3m，建筑面积约4 735.02m2，结构布置如图1所示。

存在的问题为：该工程属于学校建筑，按照现行国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50023-2008)，该结构抗震设防标准由丙类建筑调整为乙类建筑，抗震设防要求明显提高；按现行国家规范《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[7]，该结构所在地区设计地震分组由原来的第二组调整为第三组，地震作用增大。由此，现在结构的梁柱配筋及抗震构造措施等基本上都不满足规范要求。

图1 结构平面布置示意图

加固方案的选择：由于施工过程仅为暑假期间，所以改造加固周期不宜过长，湿作业不宜过多，而且还要便于检查和维护，更不能妨碍建筑物的外观和正常使用。若采用传统的加固方法对其加固，将影响活动中心的正常使用。因此，该工程采用增设黏滞流体阻尼器进行减震加固，一方面可以通过阻尼器的耗能降低结构的地震作用，另一方面施工速度快，基本不影响活动中心的正常使用，而且相较于传统的加固方法，采用消能减震方案在施工时间和经济都具有明显优势。

2 分析模型及选波

2.1 计算模型

采用ETABS软件建立分析模型如图2所示。ETABS与PKPM各阶模态周期、楼层剪力对比情况详见表1和图3；另外，ETABS 模型计算的结构总质量为6 391t，PKPM 模型计算的结构总质量为 6 355t。二者计算结果表明，两个模型的相应数据基本相同，差别很小，故所建立的 ETABS 的模型符合要求。

图2 ETABS分析计算模型

图3 ETABS与PKPM层间剪力对比结果

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2.2 地震波输入

该工程设计选用OBG、SFD、LWD、SFH、SNM、S845-1(人工波)、S845-2(人工波)，共7条。通过对波在频域内的综合调整，使得各条波在8(0.30g)度多遇地震(110gal)的反应谱已经与《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)相对应的不同水准设计谱基本一致，见图4。两条人工地震波 S845-1、S845-2是根据该工程附近场地的地貌和地质特性生成，见图5。

图4 多遇地震动(天然波)和 5%阻尼比规范设计谱对比

图5 多遇地震动(人工波)和 5%阻尼比规范设计谱对比

3 消能减震分析

3.1 阻尼器布置方案

阻尼器在竖向和平面上都应布置在层间相对位移比较大的地方。框架结构体系的总体水平位移曲线为剪切型，即下部楼层的层间相对水平位移较大，故在结构的第一层至第五层均布置黏滞阻尼器装置，各楼中黏滞阻尼器装置的数量、型号和具体位置需通过多轮时程分析进行优化后确定。优化后最终布置20套黏滞阻尼器减震装置，具体布置位置见图6。

该工程所采用的消能减震装置为黏滞阻尼器组合消能支撑，主要由黏滞阻尼器和钢支撑组合构成，其中黏滞阻尼器的阻尼力可用下式表达：

Fd=Cvsgn(V) ∣V∣α

(1)

式中：α——阻尼指数；V——速度；Cv——阻尼系数。

图6 一至五层消能减震装置布置示意图

阻尼器活塞自由移动位移要求：±120mm。黏滞阻尼器的参数取值见表2。

表2 黏滞阻尼器参数

此外，在该工程中所选取的人字形钢支撑为型钢HM 440×300×11×18(mm)，支撑材质均为Q235b，支撑及节点设计此处略，安装节点示意图见图7。

图7 消能减震装置安装节点示意图

3.2 等效阻尼比计算

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第12.3.4提供的公式可计算得到X向附加有效阻尼比为8.62%，Y向附加有效阻尼比为8.97%，综合考虑取附加阻尼比为8%，故结构计算最终采用阻尼比为13%。

3.3 减震效果分析

3.3.1 多遇地震作用下减震分析

为考虑布置黏滞阻尼器后结构减震效果，多遇地震作用共输入7条波进行计算。限于篇幅，文中仅给出OBG波、SFD波和S845-1人工波的具体计算过程。计算结果取7条波的平均值。

8度(0.3g)输入OBG波、SFD波和S845-1人工波的计算结果，见表3～表5。由表中结果可知，多遇地震OBG波作用下层间剪力和层间位移角X向最小减震率分别为24.65%和37.15%，最大减震率分别为49.72%和51.45%；Y向最小减震率分别为25.20%和23.69%，最大减震率分别为53.25%和52.07%。SFD波作用下层间剪力和层间位移角X向最小减震率分别为29.15%和38.57%，最大减震率分别为43.86%和53.28%；Y向最小减震率分别为27.81%和29.43%，最大减震率分别为44.58%和46.23%。S845-1波作用下层间剪力和层间位移角X向最小减震率分别为34.84%和46.02%，最大减震率分别为46.67%和54.67%；Y向最小减震率分别为38.38%和42.06%，最大减震率分别为43.68%和50.04%。

根据规范要求，计算结果取7条波的平均值，列出各条地震波作用下X向和Y向层间剪力减震率及平均值汇总，见表6和表7。由表可知，在8度(0.3g)常遇地震作用下，X向楼层剪力平均值最大减震率约45.81%，Y向楼层剪力平均值最大减震率约43.84%。

表3 多遇地震作用下OBG波减震率

注：减震率=(减震前数值-减震后数值)/减震前数值，下同。

表4 多遇地震作用下SFD波减震率

表5 多遇地震作用下S845-1人工波减震率

表6 X向各条地震波的层间剪力减震率 %

表7 Y向各条地震波的层间剪力减震率 %

3.3.2 罕遇地震作用下减震分析

为考虑罕遇地震作用下结构减震效果，选用OBG波、SFD波和S845-1波作为地震动输入进行弹塑性时程分析，其中OBG波、SFD波为天然波，S845-1波为人工波。地震波的峰值加速度根据规范要求分别调整到对应于8度(0.30g)罕遇地震的510gal。计算结果取包络值。

在8度(0.30g)OBG波作用下，结构在进行减震前后的层间位移角如图8所示，X向层间位移角在各楼层的减震率最小约为24%，最大可达38%；Y向层间位移角在各楼层的减震率最小约为23%，最大可达51%。SFD波作用下，结构在进行减震前后的层间位移角如图9所示，X向层间位移角在各楼层的减震率最小约为19%，最大可达42%；Y向层间位移角在各楼层的减震率最小约为15%，最大可达38%。S845-1波作用下，结构在进行减震前后层间位移如图10所示，X向层间位移角在各楼层的减震率最小约为20%，最大可达41%；Y向层间位移角在各楼层的减震率最小约为10%，最大可达41%。

(a)X向

(b)Y向图8 OBG波作用下层间位移角

(a)X向

(b)Y向图9 SFD波作用下层间位移角

3.3.3 减震效果小结

在8度(0.3g)常遇地震作用下，从7条地震波分析结果的平均值可知，布置阻尼器后结构在地震作用下的各层反应均得到了明显减小。即X向楼层剪力平均值最大减震率达到45.81%，Y向楼层剪力平均值最大减震率达到 43.84%。

在8度(0.3g)罕遇地震作用下，从3条地震波分析结果的包络值可知，X向各层层间位移角平均值最大减震率可达到42%，Y向各层层间位移角平均值最大减震率可达到51%。

以上分析结果表明，结构布置黏滞阻尼器之后抗震性能得到了大幅提升。

4 结论

通过对该建筑采用消能减震技术进行加固分析，得到主要结论如下：

(1)设置阻尼器装置后，在8度(0.3g)常遇地震作用下，X向基底剪力平均值最大减震率约45.81%，Y向基底剪力平均值最大减震率约43.84%。在8度(0.3g)罕遇地震作用下，X向各层层间位移角平均值最大减震率约45%，Y向各层层间位移角平均值最大减震率约49%。因此，采用黏滞流体阻尼器后结构的抗震性能得到了大幅提升。

(2)采用本减震设计，X和Y向的基底剪力平均减震率约为30%～40%，故确定结构的抗震等级时可考虑至少降低半度，即可按8度(0.2g)考虑。该工程的框架抗震等级仍然为二级，框架梁、柱的承载力及弹性层间位移角等都已满足要求，对框架梁、柱可不再进行构造措施方面的加固。

(a)X向

(b)Y向图10 S845-1波作用下层间位移角

[1] 林新阳，周福霖. 消能减震的基本原理和实际应用[J]. 世界地震工程，2002，18(3)，48-51.

[2] 蒋梦，阿肯江·托湖提. 阻尼器在消能减震结构中应用概况评述[J]. 低温建筑技术，2012(1): 48-49.

[3] 周云，丁春花，邓雪松. 基于性能的耗能减震加固设计理论框架[J]. 工程抗震与加固改造，2005， 27(5): 45-49.

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[6] GB 50011-2010 建筑结构抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社，2010.

[7] 王曙光，叶正强，丁幼亮，等. 某综合办公楼采用黏滞阻尼器的消能减震设计[J]. 建筑结构， 2004， 34(10): 21-23.

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

阮锦发(1972.11- ),男，高级工程师。

E-mail:50506326@qq.com

2016-08-09

TU352

A

1004-6135(2016)12-0025-06