黏滞阻尼器在办公楼抗震加固改造中的应用

周书敬+刘帅杨

摘要： 消能减震技术在实际工程中应用越来越广泛，该文阐述了消能减震加固技术的耗能机理，详细介绍了黏滞阻尼器的计算模型，并推导出阻尼结构在抗震加固中的计算方法。结合某办公楼采用黏滞阻尼器进行加固设计，首先采用PKPM对原结构进行抗震分析，其次用SAP2000对增设阻尼器的结构进行时程分析，对比分析结构加固前后的性能指标。结果表明：采用黏滞阻尼器加固后，可以有效减小结构动力响应，使结构的性能指标满足规范要求。

Abstract： Energy dissipation technology is more and more widely used in practical engineering， in this paper， the concept and mechanism of energy dissipation reinforcement technology are expounded. The calculation model of viscous dampers is introduced in detail， and the calculation method in seismic strengthening of damping structure is dervived. Combined with a certain office building that reinforcement design with viscous dampers， the anti-seismic calculation of the original structure is carried out by PKPM， followed by using SAP2000 to add damper structure time history analysis， the performance indexes of structure before and after reinforcement are compared. The results show that the dynamic response of the structure can be effectively reduced by the viscous damper， and the performance indexes of the structure can reach the requirements of the code.

关键词： 消能减震；抗震加固；黏滞阻尼器；时程分析；性能指标

Key words： energy dissipation；seismic strengthening；viscous damper；time-history analysis；performance indexes

中图分类号：TU352.1+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）04-0137-03

0 引言

对既有建筑加固改造是解决早期建设不满足现有抗震规范建筑的新途径。传统的抗震加固方法不能满足人们的需求和结构抗震性能设计的要求，而采用消能减震装置，可以解决这一问题。通过在原结构上安消能装置来消耗输入结构的地震能量并迅速降低结构地震响应从而使主体结构免受破坏[1]。

我国消能减震加固技术的应用较晚，国内2001年发布的《建筑抗震设计规范》首次将耗能减震技术写入规范。2008年汶川地震后消能减震加固发展迅速普及[2]。文章通过对某办公楼采用黏滞阻尼器进行加固设计，分析增设黏滞阻尼器后结构的抗震性能，并得出结论。

1 消能减震技术概念及耗能原理

关于消能减震结构的耗能原理从能量角度分析[3]以单自由度体系的能量平衡方程为例。

EK+ED+EE+EP+EH=EEO（1）

式中，EK系统动能；ED系统阻尼耗能；EE弹性变形能；EP塑性变形能；EH滞回耗能；EEQ地震输入总能量。

而对于消能减震技术就是通过布置消能装置增加耗能能力，用公式表达如下：ED+EP+EH+ES=EEO（2）

ES为消能减震装置耗能，即等式左边耗能能力大于右边地震输入能量，从而使结构可以有效抵抗地震作用。

2 黏滞阻尼器的研究及理论分析

2.1 黏滞阻尼器的基本概述

黏滞流体阻尼器（图1），是利用高黏性液体运动产生阻尼来耗能的一种被动速度相关型阻尼器。

起初这种阻尼器主要用于军事工业和航天工业等领域，后来才在土木工程领域被商业化应用[5]。已有很多工程采用了黏滞流体阻尼器，包括：高层建筑、桥梁、体育馆、火车站等。

2.2 增设阻尼器结构的时程分析计算

主体结构在弹性阶段时，增设阻尼器后，一般采用振型分解反应谱法进行抗震分析。但安装非线性阻尼器后，一般直接采用时程分析法进行分析。为了更准确反映地震作用下结构的动力特性，减小结果误差，采用非线性时程分析法[6]（Fast Nonlinear Analysis Method简称FNA），这种方法主要针对阻尼器为非线性，而主体结构还处于弹性阶段情况。

3 黏滞阻尼器加固办公楼的实例分析

3.1 工程概况

该工程建于1997年，4层钢筋混凝土框架结构，平面呈一字形，东西方向总长64.8m，南北方向总宽17.4m，底层层高5.5m，中间层层高3.6m，顶层高3.2m，主要功能为办公和住宿。抗震设防烈度6度，混凝土强度等级为C30。由于使用功能由办公楼变为办公和住宿，故需要對原结构重新布局，同时不能影响其它办公区正常使用，且工期较紧，由此考虑采用消能减震技术对结构加固。整个结构平面布置规则但竖向出现刚度突变。建筑平面图如图2所示。endprint

3.2 原结构地震反应分析

3.2.1 原结构进行抗震分析，动力特性如下：

UX、UY、RZ分别为X侧振成份、Y侧振成份、扭振成份。由表1知结构前两阶振型为Y、X向平动，第三阶振型为扭转，周期分别是1.08s、1.05s、0.95s。

3.2.2 楼层剪力信息

通过以上分析，原结构在6度多遇地震情况下，框架柱配筋满足抗震要求，但底层Y向部分配筋不满足要求，箍筋也不满足，且在Y向底层结构受剪承载力比值小于给定限制，即为薄弱层，但梁配筋基本满足要求。表3得出Y向地震工况下的信息。

由表3知结构的最大层间位移角满足规范中框架结构在多遇地震作用下弹性层间位移角小于1/550的规定，但由于该工程是按89年抗震规范设计，改造加固按2016年局部修订的《建筑抗震设计规范》[7]GB 50011-2010进行，抗震设防烈度为7度。综上分析需对原结构进行加固。

4 消能减震结构计算分析

4.1 黏滞流体消能器的选取与布置

SAP2000抗震分析采用Nlink单元的Damper模拟非线性黏滞流体阻尼器。通过多次试算最后得出该结构选用的阻尼器速度指数？琢=0.2，阻尼器系数Ca=1000kN·s/m，最大行程±100mm，最大阻尼输出力200kN。

关于阻尼器的布置本例中采用以层间位移为控制函数。通过对原结构在地震作用下的变形分析，找出层间位移最大的楼层，在该层安装粘滞阻尼器。依次推算然后修改结构的刚度和阻尼矩阵，再次进行计算分析，直到最大层间位移满足规范要求为止。故初步设计在1～2层各增设4各阻尼器为人字形支撑，在3层最外一榀框架布置两个阻尼器，共11个阻尼器。具体模型如图4。

4.2 地震波选取

选取具有代表性的EL Centro波（峰值为341.7cm/s2），而我国规范中7度区多遇地震加速度峰值为35Gal，则调幅后的时程曲线如图5。

4.3 Y向El Centro波多遇地震下时程分析减震结果

最大层间位移角对比（图6）。

层间剪力对比（图7）。

通过图6、图7对比知结构各层Y向减震后的层间位移角和层间剪力都有一定减小，Y向最大位移减震率为42%，大幅度提高结构的抗震性能，减震效果明显。总之增设黏滞阻尼器后结构的性能得到改善，各项性能指标满足规范要求。

5 结论

①通过对实际工程案例分析，得出结构增设黏滞阻尼器可以提高抗震性能，大幅度减小位移及层间位移角。②根据消能减震结构的动力平衡方程推导出运用FNA法进行非线性时程分析的计算式，得出该方法是一种快速有效的时程分析方法。③对于年代久远的建筑想通过加固改造继续使用的话，可以考虑运用消能减震技术进行加固，具有减震效果明显、施工范围小、无湿作业、不影响其他正常使用等优点。

参考文献：

[1]高燕青，张春生，丁亚红.钢筋混凝土结构体系抗震加固技术综述[J].混凝土，2015，11（35）：129-133.

[2]佟建国，韩家军，任思泽.消能减震加固技术应用[J].四川建筑科学研究，2009，35（6）：188-194.

[3]周云.耗能减震加固技术与设计方法[M].北京：科学出版社，2006.

[4]张晶.液体粘滞阻尼器在加固改造工程中的应用[J].工程抗震与加固改造，2008，30（1）：40-42.

[5]Douglas P. Taylor. Testing Procedures for High Output Fluid Viscous Dampers Used in Building and Bridge Structures to Dissipate Seismic Energy. Shock & Vibration， 1995，2 （5）：373-381.

[6]EL Wilson.There Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structure.Computers and Structures，Inc.2002.

[7]GB5011-2010，建筑抗震設计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.endprint