既有结构的性能化消能减震加固分析

2019-07-15周力强王玉山廖欢

石河子大学学报（自然科学版） 2019年3期

周力强，王玉山,2，廖欢

(1石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003； 2新疆兵团高烈度寒区建筑抗震节能技术工程实验室，新疆石河子 832000)

近年来，我国地震灾害频繁出现，经统计发现，造成的地震灾害主要是城市建筑物的倒塌。针对这一问题，我国在2015年颁布了第5代《中国地震动参数区划图》，提高全国部分区域抗震设防烈度[1]，使得新建建筑物的抗震能力大幅度增加，保障了人民的生命安全，但是既有结构的抗震性能不满足现有抗震规范要求，在地震发生时将造成既有结构的严重破坏。在此背景下，对既有结构进行加固修复是解决这既有建筑抗震性能不足的一种有效方法。

我国对既有结构的抗震加固研究于20世纪60年代开始，逐渐在全国范围内推广实施[2-5]。经调研发现，提高既有结构抗震性能的加固方法主要有传统抗震加固和消能减震加固2种。传统抗震加固方法的主要措施是通过对既有结构的承重构件进行加固，在不改变原既有结构体系的基础上提高结构的抗震性能，使既有结构的抗震承载力和延性满足现行抗震要求，现在开始大量使用的传统加固方法主要有增大混凝土截面、粘贴钢板、粘贴碳纤维、钢板围套等加固方法[6-8]。通过使用传统的加固能使既有结构的抗震性能满足要求，达到了一定的效果，但是也存在施工困难、造价大且加固效果并不明显的不足，所以，引出消能减震加固方法，不仅能使结构在设防烈度提高后抗震性能满足要求，而且对施工要求、经济都具有一定的减少。消能减震加固技术[9]是通过在结构中设置阻尼器来消耗输入结构的地震能量的途径实现加固，当阻尼器设置在结构后，为结构提供的附加阻尼耗散地震能量，不仅能有效提高既有结构的抗震性能，而且可减少结构的地震反应而达到预期的抗震目标和有效作用，同时保证既有结构加固的实施性和经济性。

消能减震的概念是20世纪70年代Kelly等提出，结构抗震的设计方法和工程应用都有了新的变革。近年很多强震的记录推动了结构非线性动力分析方法的发展，同时，许多应用于试验的大型加载设备的成功制造又推动消能减震阻尼器的制造以及消能减震技术取得了重大的进展。目前，应用消能减震技术提高新建结构抗震性能的研究已经趋于成熟，但对设防烈度提高一度的既有结构消能减震加固的研究仍然存在不足，主要是没有考虑基于性能化的消能减震加固的理想模式。本文以钢筋混凝土框架结构为研究对象，基于时程分析方法采用PERFORM-3D有限元软件对既有建筑进行性能化消能减震加固分析，并通过合理增设阻尼器后对既有结构进行抗震性能分析，从而解决设防烈度提高后既有结构抗震性能指标等不满足现有抗震规范要求的问题。

1 工程概况

本工程位于新疆某市，无地下室，地上4层，结构总建筑面积为2808.67 m2。一层层高3.9 m，2-4层层高3.6 m，主体结构总高度14.70 m，原既有结构平面布置为矩形，结构三维图如图1所示。原结构抗震设防烈度为7度，特征周期为0.45 s，设计基本地震加速度为0.15 g，场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第3组，设防类别为丙类，抗震等级为三级。

图1 结构三维图Fig.1 Three-dimensional structure diagram

原结构框架柱的截面尺寸为500 mm×500 mm、550 mm×550 mm，框架梁的截面尺寸主要为300 mm×750 mm、300 mm×600 mm、250 mm×700 mm、250 mm×600 mm；次梁截面尺寸主要为250 mm×500 mm，板厚100 mm；主筋和箍筋分别采用HRB400级钢筋和HPB300级钢筋，梁、板、柱皆采用C30级混凝土，设计楼面恒载为4.8 kN/m2，活载为2.0 kN/m2。标准层结构平面图如图2所示。

图2 标准层结构平面布置图Fig.2 Standard layer structure layout

参照现行《中国地震动参数区划图》，本既有结构的抗震设防烈度由7度提高为8度，设计基本地震加速度提高为0.2 g，抗震等级由三级提高为二级，采用反应谱法对既有结构进行多遇地震作用下抗震性能验算，结果显示：设防烈度提高后，柱子轴压比和位移角不满足现规范的要求。针对抗震设防烈度提高后既有结构出现的主要问题，引入消能减震技术，通过在既有结构中合理增设粘滞阻尼器提高结构在地震作用下的安全储备，利用基于性能的设计方法，在保障抗震构造措施不变的前提下，采用消能减震技术实现结构的抗震性能目标，提高结构的抗震性能。《建筑抗震设计规范》[10]中新增的第12.3.8条规定：当消能减震的地震影响系数不到非消能减震的50%时，既有结构的抗震性能明显提高，抗震构造要求可降低1 度，同时柱子轴压比达到规范要求，也解决了既有结构层间位移角不足的问题。

2 减震性能目标

目前，抗震性能化理论在复杂高层建筑的设计中广泛应用[11]，通过合理设定结构的性能水准及抗震设防目标提高结构的抗震性能，对设防烈度提高后，既有结构的抗震性能指标不满足规范要求，可通过消能减震技术提高结构的性能指标。建筑抗震设计规范[10]要求，减震结构的设防目标高于常规结构(小震不坏，中震可修，大震不倒)。本工程设防烈度提高后，为了保证结构的抗震构造措施满足现行规范要求，参考《高层建筑混凝土技术规程》[12]和《建筑消能减震应用技术规程》[13]，以层间位移角为量化指标，对结构的性能目标进行控制。当前国际公认的非线性应力—应变(广义)关系如图3所示，其中，纵坐标Q/Qy表示弯矩与屈服弯矩之比，横坐标θ表示转角，构件的性能水准有离散的三个性能点，立即使用(IO)：地震后不间断运行，稍加修理后可立即使用。生命安全(LS)：地震后间断运行，经适当修理后可以继续使用。防止倒塌(CP)：地震时严重破坏，但仍未倒塌，地震后几乎不能继续使用。本文工程结构构件以中国规范为基础，参照ASCE 41-06性能水准，制订的具体减震性能目标如表1所示。

图3 性能水准Fig.3 Performance levels

表1 减震性能目标Tab.1 Damping performance goals

3 消能减震加固分析

3.1 模型验证

结构模型由软件 PKPM 建模导入 ETABS 中，使用膜单元模拟楼板，使用连接单元准确模拟粘滞阻尼器。对ETABS软件建立的模型进行模态分析，得到结构的前三阶周期、基底剪力和质量与PKPM模型分析结果(表2)，表2显示：2种软件的质量和前三阶周期的比值差异不大于3.0%，基底剪力在X方向和Y方向差异均较小。说明ETABS建立模型与PKPM模型吻合良好。

表2 模型对比表Tab.2 Model comparison table

3.2 阻尼器的布置和数量

阻尼器的布置方式、支撑方式是提高结构抗震性能、满足工程经济和建筑物使用要求的重要因素。根据《建筑消能减震应用技术规程》[13]以及提供的建筑设计图、结构布置图，结合现有结构的状况及特点综合考虑，确定在1和2层沿X、Y二个主轴方向分别设置2个粘滞阻尼器，3层X、Y向分别设置布置1个，阻尼器总数为10个，X个向布置5个，Y向布置5个。具体布置图见图4、图5所示。

图4 一、二层阻尼器平面布置图Fig.4 Floor plan of damper on first or second floor

图5 三层阻尼器平面布置图Fig.5 Floor plan of damper on the third floor

设计粘滞阻尼器的参数时，既要考虑到减震效果，同时也要保证对结构的主体扰动过大，因此，确定的阻尼器参数需要相互协调，使结构在充分减小结构响应的同时基底剪力的大小在可接受的范围内。本工程粘滞阻尼器的支撑方式为墙撑式，水平放置，夹角为0°，阻尼系数C=700 kN/(s/m),阻尼指数α=0.3，依据《建筑消能减震应用技术规程》[13]，采用粘滞阻尼器时，结构各层消能构件的最大阻尼力与主体结构的层间剪力和层间位移乘积的比值宜接近。最大阻尼力与层间剪力和层间位移乘积的比值如表3所示，通过对比分析X向和Y向采用上述阻尼器参数对结构层间位移具有较好的控制效果。

表3 最大阻尼力与主体结构的层剪力和层位移的乘积之比Tab.3 The ratio of the maximum damping force to the product of the layer shear force and the layer displacement of the main structure

3.3 输入地震动

使用时程分析法对结构分析时，选择合适的加速度时程曲线进行设计才能模拟结构真实的抗震性能，这对预防地震作用具有重要意义。本文根据场地类别和设计地震分组，选择了2条实际强震记录Big Bear-01_ NO_907(TRB1)和Kocaiwan-06_NO_1172(TRB2)和1条人工模拟的加速度时程曲线ArtWaveRH2TG045(RGB)，3条加速度时程曲线如图6所示。

图6 地震波的时程曲线图Fig.6 Time history curve of seismic wave

地震波的选择应符合建筑抗震设计规范[10]地震波满足的要求，保证在前三周期点上平均地震响应曲线与阵型反应谱法相差小于20%，对2条实际强震记录和1条人工模拟加速度时程曲线与规范设计反应谱进行对比分析，结果(图7)显示：3条地震波的平均值曲线与规范反应谱曲线具有一致性。

3.4 弹性时程分析

采用有限元软件ETABS对既有结构进行弹性时程分析在ETABS中，框架梁和框架柱均采用杆单元模拟，楼板用膜单元模拟，粘滞阻尼器使用link单元建立模型，结构的非线性单元建立等效弹性刚度矩阵，能有效减少迭代步数，使方程快速收敛[15]，因此，ETABS更适合分析设有有限个非线性单元的结构。层间位移角是衡量结构变形能力是否满足建筑功能要求的重要指标。对结构设置阻尼器前后层间位移角、层间剪力对比分析，结果如图8、表4所示。

图7 规范谱和反应谱图Fig.7 Specification spectrum and reaction spectrum

图8 小震层间位移角Fig.8 Story drift between small earthquakes

表4 小震层间剪力Tab.4 Shear force between small earthquakes

由图8可知：3条地震响应曲线作用下，非减震结构X向最大层间位移角分别为1/571、1/491和1/483，Y向最大层间位移角分别为1/530、1/451和1/479，不满足规范限值1/550的要求；既有结构在设置粘滞阻尼器后最大层间位移角大幅度减小，X向最大层间位移角分别为1/3078、1/2409和1/3129，Y向最大层间位移角分别为1/1033、1/735和1/1019，减震结构满足框架结构最大层间位移角限值1/550的要求；X向、Y向最大层间位移角包络值减震率(减震率是非减震结构与减震结构的差与非减震结构的比值)分别为84.56%、52.99%。

由非减震结构与减震结构的层间剪力相比较结果(表4)可知：既有结构在设置粘滞阻尼器后，机构层间剪力有明显减小，结构基底剪力相比原结构降低50% 以上(降低一度)。

比较减震前后楼层剪力与层间位移角的变化趋势可知：结构设置粘滞阻尼器后，各楼层剪力和层间位移角相比非减震结构降低50%左右(降低一度)。总体而言，多遇地震作用下，粘滞阻尼器在既有结构中耗能明显，结构地震响应满足规范要求，达到了预定的抗震设防目标。

3.5 弹塑性时程分析

采用有限元软件PERFORM-3D进行弹塑性时程分析，其中梁、柱均采用集中塑性铰模型，梁采用M铰，柱采用PMM，粘滞阻尼器由一个Fluid Damper单元与一个Elastic Bar单元串联模拟，只抵抗轴力。为了保证弹塑性时程计算结构模型的准确性，将PERFORM-3D模型与PKPM模型进行质量、周期的对比，2种软件建立模型差异在3%以内，模型吻合良好。

弹塑性时程分析时，地震响应曲线采用弹性时程分析地震波进行计算，在PERFORM-3D有限元软件中采用单向地震输入，得到中、大震下的地震响应，最终计算结果选取3条地震波作用下的包络值。

弹塑性时程分析的动力性能计算结果(表5)表明：设置粘滞阻尼器后，结构的抗震性能明显改变，中震作用下结构的最大层间位移角1/401，变形小于1/275(2倍的弹性层间位移角限值)，大震作用下最大层间位移角为1/198，变形小于1/138(4倍的弹性层间位移角限值)，减震结构达到“中震可修，大震不倒”的设防目标，且满足性能目标3的要求。

表5 中、大震层间位移角Tab.5 Comparison table of story drift

以天然波(TRB01)为例分析消能减震结构在中震和大震作用下结构的出铰情况，将原结构和消能减震加固结构中同一构件的损伤进行对比分析，观察局部构件的减震效果其中，中震作用下原结构与消能减震结构主框架梁和框架柱塑性铰分布情况如图9、图10所示，大震作用下原结构与消能减震结构主框架梁和框架柱塑性铰分布情况如图11、图12所示，图9-12中出铰颜色对应的意义为OP≤蓝

图9 中震作用下原结构梁、柱塑性铰Fig.9 Plastic hinge of beam and column oforiginal structureunder the action of moderate earthquake

图12 大震作用下减震结构梁、柱塑性铰发展示意图Fig.12 Plastic hinge of beam and column of damping structure under the action of large earthquake

由TRB01波作用下原结构框架梁和框架柱塑性铰分布(图9、图11)可知：中震作用下原结构最大变形处于有限安全性能阶段，小于CP控制点；大震作用下原结构一层梁柱构件超过有限安全性能阶段。

由消能减震结构框架梁和框架柱塑性铰分布(图10、图12)可知：中震作用下减震结构框架梁和框架柱最大变形处于运行控制阶段，小于IO控制点；大震作用下框架梁的损伤相对框架柱更为严重，符合“强柱弱梁”的设计思想，减震结构框架梁最大变形处于有限安全阶段，小于CP控制点，框架柱最大变形处于破控制段，小于LS控制点。

综上所述：消能减震结构受力及变形机制合理，结构没有出现较大的损坏，满足预期的性能目标要求。

此外，原结构塑性铰最先出现在结构第1层和第2层，在地震作用下损伤最严重，在采用粘滞阻尼器后，消能减震结构框架梁和框架柱塑性铰在第2层的数量减少，损伤情况得到了较好的控制，各楼层的损伤程度都有减小，釆用粘滞阻尼器的加固方法成功的提高结构的抗震性能，降低了结构在地震作用下的损伤程度。