某养老建筑单跨框架结构的减震加固抗震分析

孟 磊

(安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司，安徽 合肥 230051)

1 工程概况

本项目位于合肥市蜀山区科学大道8号。原结构为六层现浇混凝土单跨框架结构房屋,抗震设防烈度7度第一组,设计基本地震加速度0.1g。建筑面积约3 909.42m2,柱下独立基础,地上 6 层、地下 0层,其中框架柱截面为500mm×500mm,框架主梁尺寸主要为240mm×650mm和240mm×400mm。建筑高度为18.3m,层高均为3m。建造年代为2004年。原建筑使用功能为宿舍,框架抗震等级为三级。改造后使用功能为:一、二层改造后主要功能为老年人活动中心,3F改造后主要功能为老年人日间照料中心,四至六层改造后主要功能为老年人照护中心。改造后框架抗震等级为二级。建筑标准层平面如图1所示。

图1 建筑标准层平面图

2 确定加固方案

本工程属养老建筑,根据《建筑工程抗震设防分类标准》[1]类比原则属重点设防类建筑。在Y方向上仅有两排框架柱,属于单跨框架结构,不满足《建筑抗震设计规范》[2]第6.1.5中乙类建筑不应采用单跨框架结构的要求,需要对结构体系进行加固。常用加固方法有增加框架跨数法、增设剪力墙法和采用消能减震加固法。由于增加框架跨数法对本项目而言形成了大小跨组成的两跨框架,在重力荷载及多遇地震下小跨框架柱受拉,形成排架柱对结构抗震性能无明显改善,且须进行基础开挖。增设剪力墙法可利用房屋的楼、电梯间等位置布置适当数量的剪力墙以形成框架剪力墙结构或少量剪力墙的框架结构,从而改善结构的抗震性能,但增设剪力墙后现场湿作业较多并需开挖基础且施工较慢。消能减震加固设计法是根据多遇地震下的预期减震要求及罕遇地震下的预期结构位移要求,沿结构的两个主轴方向分别设置适当的消能部件,该法有利于提高整个结构的消能减震能力,形成均匀合理的受力体系,设计上较为合理且现场施工较快。综合比较,采用消能减震加固法。

3 消能减震装置的布置方案

在本工程减震设计中,为更好发挥消耗地震能量的作用,经反复对比各层剪力和位移角,沿结构的两个主轴方向和结构变形较大的部位共设置20个滞阻尼器(型号吨位一致),6根屈曲约束支撑(BRB)。黏滞阻尼器、BRB及支撑的平面布置位置如图2、图3所示。

图2 加阻尼器结构ETABS模型

图3 标准层阻尼器布置平面图

4 地震波的选取

本工程实际选取了5条天然波和2条人工波,按《建筑抗震设计规范》[2]提供的小震主方向峰值加速度35gal和三向分量之比(水平主向∶水平次向∶竖向=1.00∶0.85∶0.65)调整后分别沿建筑物两个主轴各输入一次,进行时程分析。前三阶周期地震影响系数对比见表1。表1表明所选的7条时程波满足《抗规》的规定要求。

表1 前三阶周期地震影响系数对比

5 消能减震效果对比分析

为方便非消能减震结构与消能减震结构对比,将所建结构模型分为如下两种结构状态:结构1(ST0)为不设阻尼器的主体结构模型;结构2(ST1)为增设阻尼器后的主体结构模型。

对于多遇地震作用下的弹性工况分析内容包括:结构减震前后的层间剪力及层间位移角对比、阻尼器在多遇地震下的实际等效附加阻尼比计算和滞回耗能分析等。

对于罕遇地震的工况分析内容包括:罕遇地震作用下结构抗震性能的分析、结构减震前后屈服机制和非线性状态的对比、附加黏滞阻尼器的设计承载力和设计行程校核。

5.1 多遇地震作用下消能减震结构弹性分析

基于前面建立的ETABS模型(与YJK模型对比验证其准确性),对消能减震结构进行多遇地震作用下的弹性分析,计算结果取采用地震波平均值与CQC包络值进行小震弹性设计。

5.1.1ST0与ST1结构地震响应比较

在多遇地震作用下,结构1(ST0)和结构2(ST1)输入7条地震波的计算结果分别如图4、图5所示。由图示可见消能减震结构(ST1)在多遇地震作用下的层间剪力和层间位移角明显优于原结构(ST0),这表面结构在消能减震之后的抗震性能获得大幅提高。

图4 多遇地震作用下ST0与ST1结构层间剪力对比

图5 多遇地震作用下ST0与ST1结构层间位移角对比

5.1.2 阻尼器附加阻尼比计算

对以剪切变形为主的多层框架结构,且不计及其扭转影响时,消能减震结构在水平地震作用下的总应变能可按《建筑抗震设计规范》[2]第12.3.4条款计算。综合七条时程波计算结果消能部件附加给结构的有效阻尼比平均值为:X向为8.91%和Y向为8.35%。考虑到本工程消能部件设置在地上第1～5层,选取ST1结构阻尼器为代表,来查验阻尼器的耗能情况。

进一步分析对比可知消能部件在多遇地震下的出力X向布置阻尼器的最大出力为70kN;Y向最大出力为71kN,相应的X、Y向阻尼器最大位移分别为1.54mm和1.54mm。

5.2 罕遇地震作用下消能减震结构弹塑性分析

罕遇地震作用下主体结构弹塑性层间位移验算能更好反应结构的抗震性能,结构在罕遇地震下的弹塑性行为,根据整体结构塑性变形(位移角)和主要构件的塑形损伤情况,确认结构满足“大震不倒”的设防水准要求。

5.2.1ST1消能减震结构罕遇地震响应分析

基于前文中的弹性分析结果,选择其中地震响应相对较大的R1、T1和T2三条时程波进行罕遇地震作用下主体结构弹塑性动力时程分析。

R1、T1和T2时程波罕遇地震作用下,结构减震后的X、Y向层间位移角如图6所示。

图7 时程波作用下的层间位移角对比图

由上述R1、T1和T2三条时程波在罕遇地震作用下X、Y向的计算结果可知,消能减震结构(ST1)的弹塑性层间位移角都满足《建筑抗震设计规范》[2]第5.5.5条1/50的限值要求,这表明结构采用黏滞阻尼器进行消能减震设计是切实有效的。

5.2.2 阻尼器耗能滞回曲线及出力分析

对于罕遇地震作用下本工程黏滞阻尼器的耗能滞回曲线及出力分析按R1、T1 和T2三条时程波分别分析。

(1)罕遇地震作用下的阻尼器的滞回耗能分析：

选取R1波X、Y方向各1个黏滞阻尼器与BRB,7度罕遇地震下的滞回曲线如图7所示。

图7 R1时程波作用下BRB的耗能滞回曲线

(2) 罕遇地震作用下的阻尼器的出力分析：

R1、T1和T2时程波罕遇地震作用下,结构中所布置消能部件的最大出力及最大位移可知附加的黏滞阻尼器在罕遇地震作用下出力最大为155kN,位移最大为20.97mm。同时,BRB1大震出力及位移均超过屈服承载力及屈服位移,BRB在地震中有明显耗能。

5.2.3 消能减震结构的弹塑性发展状况

设置黏滞阻尼器的消能减震结构在罕遇地震作用下呈现“强柱弱梁”的塑性铰发展机制,且在带阻尼器子框架均未达到极限承载力,没有出现破坏,满足《建筑消能减震技术规程》[3]中的要求,这表明主体结构在罕遇地震作用下的损伤状况能够得到有效控制和改善,从而使得整体结构具有良好的抗震性能,更有利于实现“大震不倒”的设防目标。

6 结 论

通过对普通结构和减震结构在7度(0.1g)地震作用下进行反应谱分析和时程分析,比较了多遇地震作用下和罕遇地震作用下结构的反应,通过对比分析表明结构采用消能减震设计方案具有良好的效果和独特的优势,主要体现在以下几个方面:

(1) 在结构设置黏滞阻尼器和BRB后,通过7条时程波的计算分析,得出多遇地震作用下消能部件附加给结构的有效阻尼比X、Y向均满足8%的要求。

(2) 原结构在多遇地震时,时程分析平均值在X、Y向的最大层位移角分别是1/1268、1/1 073,设置黏滞阻尼器的消能减震结构在8度多遇地震时X、Y向的最大层间位移角则分别降低到1/1 622、1/2 197,位移角有较大改善。

(3) 在多遇地震作用下,结构附加黏滞阻尼器减震设计后主体结构部分的抗震安全性大大提高,消能减震设计是可行有效的,较好地改善了原结构的抗震性能。

(4) 附加的黏弹性阻尼器结构在罕遇地震作用下的出力最大为155kN,位移最大为20.97mm。

(5) 消能减震结构在罕遇地震作用下呈现“强柱弱梁”的塑性铰发展机制,根据整体结构塑性变形(位移角)和主要构件的塑形损伤情况,确认结构可满足“大震不倒”的设防水准要求。