阻尼器在历史保护建筑结构加固抗震中的应用

曾维强

上海建工五建集团有限公司 上海 200063

1 工程概况

四行仓库建筑位于上海市光复路1～21号，地处城市中心地段，建筑东邻西藏北路、西邻晋元路、北靠国庆路及文化市场商业店铺、南倚光复路及苏州河河岸。四行仓库初始建于1931～1935年，建成后经历过三次大的修缮：1968年在四行仓库原天井各层加建平台，并将南立面原凹口补齐；1976年在屋面处加建第6层钢筋混凝土结构；1996年第6层屋面上加建了钢结构保龄球馆。2014年四行仓库被确定为上海市文物保护单位。

为纪念2015年反法西斯战争胜利70周年活动，缅怀革命先烈，传承革命精神，对四行仓库进行全面加固和修缮，并重新定位其使用功能。初始建造时四行仓库为四大银行的仓库；新中国成立后至加固修缮施工前，四行仓库保留了“八百壮士英勇抗日事迹陈列室”，其余空间主要为商业文化礼品市场用途。本次加固修缮后，建筑的1—3层西侧为抗战纪念馆、1—2层东侧为配套商业区、3—6层为创意办公区。本次修缮除了对战争弹孔墙面等历史遗迹复原外，还对结构体系进行加固改造，特别是提升整个建筑的抗震性能，结构加固后使用年限为30 a。修缮前主体结构为地上7层的钢筋混凝土框架结构（其中第6、7层为后期加建），高度为34.67 m，内墙形式为砖砌体；修缮后为地上6层的钢筋混凝土框架＋软钢阻尼器结构体系，建筑高度27.7 m，内墙形式为加气混凝土砌块。针对结构加固和抗震性能提升需求，通过技术创新，拟在历史保护建筑结构内部新增消能减震阻尼器。如何保证阻尼器按照既定的受力状态安装就位成了结构加固、提升抗震性能的关键难题。

2 阻尼器设计方案概述

2.1 阻尼器的作用原理

增设阻尼器常用于旧建筑的加固改建中，以提高建筑物的抗震性能[1]。当出现大风或地震等偶然荷载作用时，随着结构侧向变形受力增大，消能构件或减能装置会率先进入非弹性变形状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震或风振能量，使主体结构避免出现明显的非弹性变形状态，且迅速消减结构的地震或风振反应（位移、速度、加速度等），保护主体结构及构件在强地震或大风中避免遭受破坏或发生倒塌。

2.2 阻尼器的选型

目前研究开发的阻尼器种类较多，主要有金属阻尼器、摩擦阻尼器、黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器、复合型阻尼器。软钢阻尼器是金属阻尼器中常用的一种类型，是目前国内外广泛研究的各种耗能装置中构造最为简单的耗能器之一，相对于其他阻尼器也具有经济、实用、耗能建筑效果显著的特点，它充分利用软钢具有较好的屈服后性能，进入塑性变形阶段后具有良好的塑性变形来耗散地震能量。其减震机理明确、经济耐用、施工便捷，应用范围不受建筑高度和平面布置形式的限制，而且既可用于新建建筑的抗震控制，又可用于旧有建筑的加固维修。

四行仓库建筑属于历史保护建筑，至今已使用逾80 a。考虑到老建筑改造的施工性、建筑空间的使用性及本建筑在罕遇地震下的安全性，阻尼器必须容易安装、对历史保护建筑空间影响最小、在罕遇地震作用下依然不破坏而且能够发挥其耗能特性，设计在四行仓库结构抗震加固中选用位移型K型软钢阻尼器，其耗能特性良好（图1）。软钢阻尼器同时具备构造简单、震后更换方便、减震机理明确、减震效果显著的特点，低周疲劳特性良好，且不受环境温度影响。

图1 位移型软钢阻尼器的滞回曲线

2.3 阻尼器布置方案

本次在四行仓库历史保护建筑加固抗震中增设阻尼器时，按照使扭转效应尽可能小的方式将其布置在建筑1层、2层、3层结构内部。四行仓库属于以剪切变形为主的框架结构，底部变形较大，宜布置在结构的下部。布置设计时重点考虑以层间位移为指标，在层间位移较大的楼层增设阻尼支撑[2]。尽量缩小质量中心和刚度中心的差异，对于规则结构，阻尼支撑应在基本满足业主空间使用需求的基础上，沿结构的2个主轴方向分别设置或仅在1个主轴方向布置；耗能部件的平面布置应规则、对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异，以减小结构的扭转效应。对于有偏心的结构，应尽量在远离刚心的一端布置阻尼支撑，以减小扭矩效应[3]。

对原设计方案的阻尼器布置数量和位置进行方案优化创新，原阻尼器设计方案共布置44组阻尼器：在1层布置20组软钢阻尼器（编号1—20），在2—4层每层各布置8组软钢阻尼器（编号21—44）。施工基于历史保护建筑的结构体系不得改变，结构内部改造不宜过大。对阻尼器数量和位置的布置方案创新优化可以缩短工期、节约成本，通过创新优化后的阻尼器在原44组的基础上减少了16组，减少后共为28组。在1层减少6组阻尼器、移位2组阻尼器，2层减少1组阻尼器，3层减少1组阻尼器，4层减少8组阻尼器。

2.4 阻尼器的性能试验

此次用于四行仓库历史保护建筑的阻尼器为软钢位移型阻尼器，钢材采用Q235B，根据布置的不同位置确定了共2种不同外形尺寸的型号。阻尼器的构件性能合格和施工安装质量良好是保证阻尼器正常使用的必要条件，因此施工安装前必须对2种不同尺寸的软钢阻尼器进行规格和技术指标分析，并采取推拉往复加载力学性能检验试验，确定屈服力、屈服位移、极限变形能力等参数，检测试验满足常规性能设计值。软钢阻尼器主消能水平方向性能技术参数为：阻尼器1（位于首层位置），初始刚度为4.74×104kN/m，屈服力为132 kN，设计位移为25 mm；阻尼器2（位于2、3层位置），初始刚度为2.79×105kN/m，屈服力为236 kN，设计位移为20 mm。两种阻尼器的外形尺寸规格（长×宽×高）分别为1 350 mm×180 mm×280 mm和1 350 mm×180 mm×170 mm。软钢阻尼器力学性能为屈服点（235±23.5）MPa，延伸率＞40%，钢材冲击试验满足0 ℃时≥27 J，钢材屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值≤0.85。

根据阻尼器的性能检验要求，在安装前对工程中所用的各种类型和规格的阻尼器原型部件进行抽样检测。抽检数量为每种类型和每一规格的3%，但不应少于2个，抽样检测的合格率应为100%，检测后的阻尼器不能用于主体结构。

四行仓库历史保护建筑中增设的阻尼器采取的试验装置设备为申克试验机，最大行程200 mm，最大荷载1 000 kN，试验在室温下进行。通过液压伺服作动器对阻尼器进行水平往复加载。加载过程分为变副值等位移步往复加载和常副值疲劳加载两部分。试验过程采用位移控制，采取推拉往复加载的方式。试验开始后，首先施加推力，当阻尼器上下钢板相对位移达到目标值（以外推位为正，内推位为负）时，改变力的方向为拉力，向内拉阻尼器上部钢板直至位移目标值，再次改变力的方向增加位移依次加载；之后在设计位移下循环往复30次；最后加载至设计位移的1.2倍，完成即停止试验。由四行仓库现场抽样的2种不同尺寸规格的阻尼器试件1和试件2试验后得出结论：由常规加载得出的屈服荷载、弹性刚度等参数符合相关规范要求，实测值的偏差小于理论设计值的15%；30圈疲劳试验得出的滞回曲线稳定、饱满，未发现明显损伤破坏，阻尼力、滞回曲线等性能指标偏差均在平均值15%以内，符合相关规范要求。

3 阻尼器施工

阻尼器均采用墙支撑方式与既有建筑相接合（图2），增设阻尼器位置均在室内紧相邻的柱子之间。与阻尼器接合的混凝土墙厚200 mm，混凝土强度等级为C30。阻尼器与预埋件的钢板采用焊接连接。预埋件由预埋钢板和预埋锚筋焊接组成，预埋钢板采用尺寸为1 620 mm×200 mm×24 mm、强度等级为Q345B的钢板，预埋锚筋直径18 mm。混凝土施工时，采用合理的工序确保阻尼器处于不受力状态，并应采取可靠措施确保振捣密实。

3.1 阻尼器施工工艺流程

施工准备→设备、材料进场→抽样检验试验→3层、2层安装位置凿除楼板→凿除楼板部位增设型钢混凝土梁→1层安装位置凿除楼板→筏板植筋→阻尼墙钢筋绑扎→预埋锚筋、钢板→支模→浇筑C30混凝土→拆模、养护→复核定位→吊装阻尼器→与预埋钢板焊接→阻尼器施工及焊缝验收→防腐涂装[4-5]

图2 首层位移型软钢阻尼器连接示意

3.2 施工技术步骤要点

1）增设型钢混凝土梁：人工凿除安装阻尼器对应相邻柱子之间的2层楼板混凝土部位，凿除楼板混凝土时注意对文保建筑无梁柱帽的保护加固。在凿除后镂空区域后两端柱子之间增设300 mm×100 mm×22 mm×25mm H型钢作为钢骨，型钢强度等级为Q345B，并在型钢周围配置钢筋（图3），纵向受力钢筋植筋固定于两端的柱子之间，型钢及钢筋固定后开始支模新浇筑C30混凝土。

2）阻尼墙混凝土结构施工：凿除1层布置阻尼器位置的地面混凝土楼板，人工开挖至筏板基础面标高，在筏板基础上开始化学锚筋植筋，筏板面标高以上施工砖胎模，砖胎模砌筑完成后开始做高250 mm地圈梁，圈梁面层标高与首层室内地面标高相同。阻尼墙钢筋绑扎安装完成后，将阻尼器上端、下端预埋件按设计图纸就位并分别与阻尼墙钢筋定位固定。在模板支设完成后，浇筑阻尼墙C30混凝土。混凝土施工时，振捣棒振捣时需避免直接碰触到预埋锚筋和预埋钢板，以防预埋件位置发生位移，慢慢将混凝土灌入埋件下部。阻尼器安装施工前，由施工员对阻尼器安装位置进行测量复核，复核检查完成后报监理检查验收；验收通过后开始进行安装作业。

3）阻尼器吊装：阻尼器先用导链和夹具吊至安装位置，准确地定位放置于预埋钢板位置，使用二氧化碳保护气体电弧焊与上下端预埋钢板角焊10 mm固定（图4）；然后检查阻尼器的水平度和垂直度是否符合要求，检查验收通过后开始将阻尼器与预埋钢板采用二氧化碳气体保护焊连接。阻尼器焊接安装完成后，进行阻尼器防腐涂装，撕掉阻尼器保护膜，组织监理、业主、设计院对阻尼器及埋件表面清洁、焊缝光滑等项目进行综合验收（图5）。符合防腐涂装要求后，在空气较为干燥的条件下开始阻尼器富锌防腐漆喷涂。

图3 型钢混凝土框架梁节点

图4 软钢阻尼器与预埋件连接

图5 安装后的软钢阻尼器和阻尼墙三维模型

4 结语

目前国内外针对在建筑结构中设计抗震减能阻尼器的技术理论进行了大量学术研究。综上所述，阻尼器在历史保护建筑结构加固抗震中的应用有效提高了既有建筑结构的安全稳定性，延长了建筑的使用寿命，有力响应了城市更新下历史文化建筑的结构加固保护利用的时代号召。如何将阻尼器更好地应用于既有建筑改造、文保建筑加固当中，还需对节点优化施工工艺和施工过程控制等方面进行创新研究。