隅撑式黏滞阻尼器在某小学加固项目中的应用

胡庆生

(悉地(苏州）勘察设计顾问有限公司 215123）

1 项目概况

某小学加固工程为框架结构， 地上5 层(局部出屋面除外）， 一层层高4.6m， 标准层层高3.6m， 结构总高度 19.0m， 总建筑面积约为2500m2。 标准层如图 1 所示， 其平面宽 9.8m，长度为48.8m。 主要构件截面尺寸及混凝土强度等级见表1。

图1 标准层结构平面Fig.1 Structure plan

表1 构件截面尺寸及材料强度Tab.1 Member section size and material

本工程抗震设防烈度为7(0.1g）， 地震分组: 第二组， 场地类别: Ⅲ类， 原抗震等级: 三级。 按《建筑抗震设计规范》(GB 50011 -2010）(2016 年版）设计原有结构配筋大量不足， 需要进行大范围加固。 考虑采用消能减震技术加固该项目， 可以在结构安全性、 经济性和抗震性能等方面均有所提升。

2 加固方案比选

2.1 传统加固方案

由于该项目加固设计要求提高框架结构的抗震等级， 由三级提高到二级。 传统加固方案采用加大梁柱的截面面积等措施， 该方案施工工艺简单， 但是面临以下问题: (1）原有的梁柱截面配筋情况将发生显著变化； (2）单跨框架对于乙类建筑不具有多道防线的概念； (3）加固量大、 施工工期紧张、 所需施工作业面大； (4）业主要求房屋的墙体不能拆除和破坏， 从外立面不能看到施工的过程和痕迹。

2.2 消能减震技术加固方案

目前工程中应用较多的消能减震技术有屈曲约束支撑(BRB）、 金属剪切阻尼器(SD）和黏滞阻尼器(VFD）等。 消能减震技术加固方案有以下几种方案可供选择: (1）金属剪切阻尼器方案；(2）屈曲约束支撑加黏滞阻尼器方案； (3）黏滞阻尼器方案。

2.3 消能减震加固方案比选

三种加固方案将按照几个方面进行方案比较: (1）加固量； (2）附加阻尼比； (3）施工周期； (4）经济性。 各种加固方案的对比见表2。

表2 方案对比Tab.2 Scheme comparison

经过综合比选， 最终确定采用黏滞阻尼器(VFD）方案。

2.4 黏滞阻尼器方案介绍

在多遇地震作用下， 建筑物主体大多保持弹性； 在罕遇地震作用下， 主体将进入塑性。 安装在建筑物中的黏滞阻尼器在主体结构发生塑性变形前应首先进入耗能状态， 以吸收大量的地震能量来保护主体结构成为结构的第一道防线， 结构的抗震性能得到显著提高[1]。

黏滞阻尼器跟据项目实际需要竖向可连续布置， 亦可隔层布置； 水平方向沿X、Y轴宜均匀对称布置， 且不应影响正常建筑功能。 本单体中阻尼器布置在结构的地上1 ～3 层， 其中: 1 ～2层X向每层布置9 套黏滞阻尼器， 共计18 套； 3层X向布置 10 套黏滞阻尼器； 1 ～ 2 层Y向每层布置 12 套黏滞阻尼器， 共计 24 套； 3 层Y向布置4 套黏滞阻尼器。 本项目总计56 套黏滞阻尼器。 阻尼器的平面布置如图2 所示， 图中方框中为黏滞阻尼器布置位置。

图2 阻尼器平面布置Fig.2 Dampers layout plan

隅撑式黏滞阻尼器如图3 所示。

图3 隅撑式阻尼器Fig.3 Knee-brace type damper

3 罕遇地震弹塑性分析

3.1 模型简介

本项目使用PERFORM 3D 软件对其进行罕遇地震性能评估。 构件类别主要有梁、 柱、 黏滞阻尼器和楼板。 楼板采用刚度楼板假定。 其中梁、 柱均采用集中塑性铰模型， 梁采用M 铰， 柱采用 PMM 铰[2]。 梁、 柱构件模型如图 4 所示。图5 给出黏滞阻尼器的组件模型。

3.2 整体地震反应评估

依据《建筑抗震设计规范》(GB5001 -2010）5.1.2 条有关要求， 选取两条强震记录(Chi -Chi，Taiwan-02＿ NO＿ 2167； Loma Prieta＿ NO＿ 761），一条人工模拟地震波(ArtWave -RH3TG065）， 进行弹塑性时程分析。

图4 梁、 柱构件模型Fig.4 Beam and column model

图5 黏滞阻尼器的组件模型Fig.5 Viscous damper model

图6、 图7 分别给出了层间位移及层间剪力曲线。 在弹塑性阶段， 结构X方向最大位移为0.140m，Y方向最大位移为 0.145m； 结构X方向最大层间位移角为1/97，Y方向最大层间位移角为1/81； 最大弹塑性层间位移角均小于1/50的限值要求[3]。 结构X方向最大层间剪力为2964kN，Y方向最大层间剪力为 2994kN；X方向底层倾覆力矩为32489kN·m，Y方向底层倾覆力矩为36746kN·m。

图6 层间位移曲线Fig.6 Curves of inter-story displacement angle

图7 层间剪力曲线Fig.7 Curves of inter-story shear force

结构在罕遇地震作用下已有构件屈服， 发生塑性变形， 结构整体承载力及刚度有所下降， 但仍具有一定的冗余度， 能够满足“大震不倒”的抗震设防要求。

3.3 构件性能评估

在罕遇地震作用下， 框架梁端最大塑性变形处于破坏控制性能段， 小于LS 控制点； 柱端最大塑性变形处于有限安全性能段， 小于CP 控制点。 如图8、 图9 所示(OP≤蓝 ＜ IO≤绿 ＜ LS≤橙＜CP≤红）。

图8 框架梁减震前后的性能状态Fig.8 Performance state of frame beam before and after damping

图9 框架柱减震前后的性能状态Fig.9 Performance state of frame column before and after shock absorption

黏滞阻尼器最大位移小于设计位移80mm，最大阻尼力也小于设计值， 表明阻尼器在罕遇地震作用下仍能够正常工作， 发挥耗能作用。图10 给出了某黏滞阻尼器罕遇地震下的滞回曲线。

图10 一层X 向某黏滞阻尼器罕遇地震下的滞回曲线Fig.10 Hysteretic curve of a viscous damper in X direction of the first floor under rare earthquake

4 结语

采用隅撑式黏滞阻尼器加固方案后， 框架梁最大塑性变形处于破坏控制性能段， 框架柱最大塑性变形处于有限安全性能段， 弹塑性阶段的层间位移角满足1/50 的限值要求， 结构在罕遇地震下的安全性有了较大提升。 与传统的加固方案相比经济性良好， 在节省造价的情况下满足了建筑功能需求， 并缩短工程加固周期， 对今后的加固项目具有指导意义。