消能减震措施在改造工程中的应用实例★

戴 亚 鹏

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)



消能减震措施在改造工程中的应用实例★

戴 亚 鹏

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

以一位于8度区的多层商业中心为例，因建设单位对使用功能要求的调整，需对已施工完成的结构进行加固处理，经仔细复核验算，对各加固方案进行了综合比较，提出了采用增设消能减震构件的加固方案，并对比了其与传统补强加固方法的不同。

框架结构，加固改造方案，消能减震措施，粘滞阻尼器

1 工程概况

本项目原设计为地下1层、地上4层的钢筋混凝土框架结构，使用功能均为商业，地下室层高6.1 m，1层层高4.5 m，2层～4层层高3.6 m。本地区地震基本烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为丙类，框架及剪力墙的抗震等级均为一级。施工到地上2层顶(标高8.100 m)时停工，建设方拟对原设计使用功能做局部调整，地上3层由原商业变更为影院使用，4层取消，3层层高9.12 m，局部设有放映夹层，夹层层高5.1 m。2层顶以上部分拟采用钢框架结构。如图1所示为原设计3层建筑平面布置图，如图2所示为拟改造后3层建筑平面布置图。

主要更改内容有：3层取消4根柱子，且层高由原3.6 m增至9.12 m；2层顶板增设座椅台阶钢架，恒荷载(除钢筋混凝土楼板自重外)由原2.1 kN/m2变更为4 kN/m2，部分区域活荷载由原3.5 kN/m2变更为3 kN/m2；楼梯位置变更等。依据变更后实际状况对原结构模型进行修改，对变更后2层顶以下结构梁、柱、墙、板配筋计算值与原施工图纸配筋详细核对，发现2层顶板配筋不足，地下1层～2层变更影响范围内大部分梁、柱配筋均不足。

现场装饰装修情况汇总：地下1层～2层内部隔墙也已砌筑完毕，部分商家已经装修入驻。

2 加固方案对比和确定

根据使用功能变更条件对原结构模型相关构件布置、荷载等修改调整并进行计算，发现已施工完毕的地下1层～2层改造影响范围内大部分梁、柱原设计配筋不能满足规范及计算要求。地下1层～2层内部隔墙现已砌筑完毕，且部分商家已经装修入驻。可见加固施工涉及经济利益方多杂，操作空间受限，实施难度大。初步提出两种加固方案，一种是传统梁、柱配筋补强加固方法，另一种是增设消能减震装置加固方法。

传统梁、柱配筋补强加固方法，经计算、核对、统计得出：功能更改影响范围内的所有框柱(仅B1区，约25根柱)均需加固，影响范围内所有框梁均需加固。可见，此加固方法影响范围达到100%，需拆除全部装饰装修做法及部分砌块隔墙，加固改造后恢复费用甚巨，另外还有入驻商家停业歇业等一系列需要赔偿、协商等问题。

增设消能减震装置加固方法，在图3所示位置设置消能减震装置。地下1层～2层共设置9个防屈曲支撑(Y向布置6个，X向布置3个)，每层3个，短椭圆标记为单斜撑屈曲约束支撑，长椭圆标记为人字形屈曲约束支撑；另外共设置8个粘滞阻尼器(Y向布置4个，X向布置4个)，地下1层X,Y向各设置1个，1层,2层X,Y向各设置3个，阻尼器参数如表1所示。经计算机模拟计算分析得出：设置防屈曲支撑及粘滞效能器后，结构整体指标大幅改善，抗震性能目标可达到高于基本设防目标的性能要求，同时，地下1层～2层框架柱、框架梁的加固量大幅减少，约为传统补强加固方法加固量的30%。采用这种加固方法，加固影响范围缩小，加固改造后恢复费用及其他有关费用均可大幅缩减。具体对比结果如表2所示，加固工程造价及后续费用支出传统构件补强加固方法按相对值1计量。

表1 阻尼器相关参数

经综合考虑，采用增设消能减震装置配合个别柱、梁补强加固方法完成该加固改造项目。

表2 加固方案对比

3 工程经验分析

1)消能减震控制方案较传统加固方案的对比。

传统的补强加固方法加固后结构用构件的材料强度与弹塑性变形能力来耗散和吸收地震作用输入结构的能量。结构的质量越大，输入结构的地震能量越大；结构的刚度越大，地震能量的耗散和地震作用动力反应的衰减越慢。传统的补强加固办法总会或多或少的增大原有结构的质量和刚度。

增设消能减震装置加固方法加固后，在地震作用下，主体结构与消能减震装置共同耗散地震输入的能量，消能装置分担了原结构的地震作用，一定程度上保护了主体结构的安全。在小震及风载作用下，消能装置处于弹性工作状态，可提供一定的刚度，略微减小结构的侧向位移，增加结构使用舒适度；当遭遇强震作用时，消能装置先于主体结构进入非弹性状态，消能装置刚度减小趋于零，阻尼快速成倍增长，吸收且快速耗散大量的地震输入能量。

本工程B1部分结构采用设置消能减震装置后，在设防地震作用下，X方向层剪力较原结构最大减震效果达19.87%，Y方向层剪力较原结构最大减震效果达21.07%；结构X向层间位移角减小，减震效果达21.89%，Y向层间位移角亦有一定地减小，最大减震效果达到36.14%；在罕遇地震作用下，结构X向层间位移角减小，减震效果达14.87%，Y向层间位移角亦有一定地减小，最大减震效果达到26.26%。

加固改造工程结构抗震性能设计预期达到同样的抗震性能目标时，传统补强加固办法造价要远高于增设消能减震装置加固方法。且震后的修复难易程度、修复费用等方面，消能装置加固结构明显占优。

2)计算机模拟辅助设计。

本工程采用美国Computer and Structures Inc.(CSI)公司开发研制ETABS房屋建筑结构分析与设计软件建立的有限元模型，该模型与原结构PKPM结构设计计算模型结构动力特性具有良好的吻合性：

B1的周期和质量误差均在5%以内，结构动力响应即楼层最大地震剪力误差也在5%以内，具有良好的吻合性。每条时程曲线计算所得未减震结构的底部地震剪力均大于反应谱法计算结果的65%，7条时程曲线计算所得结构底部地震剪力的平均值大于反应谱法计算结果的80%。

综上所述，采用ETABS软件建立的有限元模型能够准确反映实际结构的质量和刚度分布，所建模型是合理有效的；且与原结构PKPM模型具有很好的匹配性、延续性，为既有结构消能减震加固改造提供便捷的设计计算方法。

3)推广条件。

随着中国经济和技术的大力发展，社会对建筑居住环境的安全度及舒适度有了更高的要求。山西省住房和城乡建设厅关于积极推进建筑工程减隔震技术应用的通知(第115号)明确提出：抗震设防烈度8度区、地震重点危险区学校和幼儿园的新建教学用房、学生宿舍、食堂以及医院的新建医疗建筑，必须采用减隔震技术；重点设防类、特殊设防类建筑，优先采用减隔震技术；标准设防类建筑，提倡采用减隔震技术。可见，为了更好的保障在大灾情况下人民的生命及财产的安全，政府部门已经作出积极的导向，对建筑结构提出更高的抗震性能目标要求。在既有建筑的加固改造工程中，采用减隔震措施将会是发展的必然，亦是契机。

4 结语

由此工程实例可以看出，与传统补强加固方法相比，设置消能减震装置加固方法可缩减加固影响范围，减少构件加固量，同样的抗震性能目标条件下工程造价明显降低等优势，且随着结构计算软件的升级，对消能装置的力学性能、地震作用下的动力反应等的模拟更趋真实、有效，增设消能装置加固改造设计更为简便、可靠。可见，增设减震装置是一种综合技术较好的结构加固改造设计方案。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[2] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

[3] GB 50367—2013,混凝土结构加固设计规范[S].

[4] JG/T 209—2012,建筑消能阻尼器[S].

[5] JGJ 297—2013,建筑消能减震技术规程[S].

[6] 潘 鹏,叶列平，钱嫁茹，等.建筑结构消能减震设计与案例[M].北京:清华大学出版社，2014.

Application example of energy dissipation measures in transformation engineering★

Dai Yapeng

(ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China)

Taking a multi-story commercial center in 8-intensity region as an example, owning to the utilization demand adjustment of construction unit, it is necessary to make a reinforcement treatment for the completed structure. Through examination and calculation, the paper comprehensively compares various reinforcement scheme, and puts forward the reinforcement scheme of increasing energy dissipation components, and compares it to traditional reinforcement and strengthening method.

framework structure, reinforcement transformation, energy dissipation measures, viscous damper

1009-6825(2017)18-0019-02

2017-04-14★:山西省建筑科学研究院科研项目(项目编号：1608)资助

戴亚鹏(1983- )，男，工程师

TU352

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