组合减震技术在钢筋混凝土框架结构加固工程中的应用与研究

2020-07-07傅友东

水利与建筑工程学报 2020年3期

傅友东

(1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建福州 350108; 2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州 350108)

我国既有建筑结构的总面积大约为600余亿m2，其中需要进行加固改造的面积大约为40亿m2[1]。传统的钢筋混凝土框架结构加固方案主要有：增加截面法、粘贴钢板、增设抗震墙、面层加固等，其实质是通过加强原结构的抗侧承载力、延性或整体性能来硬抗地震输入能量[2-4]。上述方法会对周边环境带来一定影响、导致建筑平面发生改变、施工周期长同时也会对原结构产生一定程度的损伤。消能减震加固技术是在既有结构中增加消能器，通过消能器滞回耗能达到耗散地震影响的目的，减少主体结构的地震作用[5-6]，达到不需对既有结构进行大面积抗震加固的目标。Soong等[7]研究表明消能减震构件可以全面提升建筑的抗震性能。Lee等[8]的研究表明通过合理设计，采用消能减震技术后附加阻尼比可高达35%。消能减震技术效果好、施工周期短、施工作业面少等优点，因而在加固项目中得到广泛的应用[2,9]。

目前消能减震技术在加固项目多数采用单一类型产品，曹炳政等[10]采用黏滞阻尼器对某8度区宿舍楼进行抗震加固，加固后性能得到提升，且具有一定的综合经济优势。赵雪莲等[11]通过在原结构中增设粘滞阻尼墙，实现减震后地震响应低至原设计地震响应，避免了对主体结构抗侧力构件的加固。李红等[12]对某综合楼采用普通支撑和BRB的加固方案比选，对比发现中大震下，设置BRB方案结构基底剪力增加小，结构构件无明显破坏，设置BRB结构无需对主要抗侧力构件进行加固，经济性明显。蔡振等[13]对某框架结构采用剪切阻尼器进行加固，增设剪切型阻尼器后结构楼层位移角显著改善，降低地震力，结构抗震性能有所提高。Uriz等[14]采用粘滞阻尼器对一栋多层钢框架进行抗震加固，附加阻尼比可使建筑结构的性能提升；Diotallvi等[15]对一栋钢筋混凝土医院进行消能减震加固，结构的性能得到有效改善。

位移型阻尼器为结构提供较大的抗侧刚度，对位移角改善较为显著，但是可能会增大结构刚度，对配筋的减少有限；速度型阻尼器可降低地震作用，减少配筋，但是对位移角的改善相对有限。钢筋混凝土框架结构加固工程中会出现位移角和配筋同时不足的技术问题，基于此，当单一类型产品不能满足加固要求时，建议采用组合减震方案(位移型+速度型)，位移型阻尼器有效减少位移，速度型有效减少钢筋，充分利用二者的优势，实现加固项目的较优方案。

1 组合减震原理

实际工程中，建筑结构的周期大多数处于反应谱下降段，即[Tg，5Tg]段，场地特征周期至结构初始周期T0段示意图如图1所示。[T]为周期临界点，当加固后周期在[T]～T0范围内，地震影响系数变化率要小于图1中所表示的斜率，表明结构刚度的增加所导致的地震力的提高幅度不大，是较为经济可行的；但当加固周期在[T]～Tg范围内时，地震影响系数变化率要大于图1中所表示的斜率，表明结构刚度的增加所导致的地震力的提高幅度较为显著，则较为不经济[16]，建议增大阻尼(进行结构的抗震加固。

图1 反应谱曲线Tg-T0段曲线

参考文献[17]中反应谱曲线中下降段的理论公式为：

(1)

式中：Tg为场地特征周期即结构周期；γ为衰减指数；η2为阻尼调整系数；αmax为地震影响系数最大值。

对式(1)针对周期T进行求导，如式(2)所示：

α′=-γη2αmaxTgT-γ-1

(2)

根据图1和式(1)、式(2)可得到

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

根据式(5)、式(6)、式(7)可得到：

(8)

根据式(7)、式(8)可得到加固后的周期T1为

(9)

令T1=[T]，由式(4)和式(9)得到：

(10)

由以上推导可知，当λ≤[λ]时，可采用增加刚度法，当λ>[λ]时，宜采用增加刚度和阻尼的组合减震法。

图2表示的是场地特征周期与临界位移角之比的关系，由图可知，随着特征周期的增加，临界位移比变小，说明特征周期越大的地区，更适合于采用组合减震技术。

图2 特征周期与临界位移角之比的关系

2 算例分析

2.1 项目概括

某中学项目位于上海市，建于2003年，为4层混凝土框架结构，建筑高度为19.4 m，长为69.8 m，宽为45.5 m，建筑面积约为12 000 m2，如图3所示。抗震设防烈度为7度(0.1g)，场地类别为Ⅳ类，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.9 s。

原设计中结构的地震作用是依据《建筑抗震设计规范》( GBJ 11—89) ( 简称89 规范)，由于规范的更新反应谱曲线有所变化，如图4所示，由图4可知，由于特征周期的延长，相同结构周期所对应的地震影响系数增加，经计算分析可知，结构存在位移角大于规范限值、原设计钢筋量小于现行规范所计算的钢筋用量等两个技术问题，需进行抗震加固。

为提高结构抗震性能，同时缩短加固施工周期，该项目拟采用消能减震加固技术。

图3 结构模型

图4 反应谱曲线对比

2.2 减震加固方案

根据建筑功能对可以布置阻尼器的位置进行标注，如图5所示，考虑到加固项目节点承载力不宜控制过大，因此BRB和VFD屈服力或阻尼力不宜过大，BRB屈服力选用2 000 kN，VFD阻尼力400 kN。

图5 阻尼器布置位置示意图(单位：mm)

采用三种方案进行比选：方案一全部选用BRB，为结构提供的附加阻尼比为0%；方案二全部采用VFD，为结构提供的附加阻尼比为7%；方案三BRB+VFD组合减震。

根据前文讨论的组合减震的基本原理，结合项目的周期、特征周期、加固前位移角和目标位移角，首先计算得到位移角比和临界位移比，计算结果见表1，其次设置BRB得到减震模型1，使得减震模型1的位移角比等于或接近临界位移比所对应的位移角，经反复试算，得到BRB的布置方案，如图5所示，最后设置粘滞阻尼器(增加阻尼比)，使得位移角满足要求，配筋不足问题得到改善，设计流程如图6所示。

表1 位移角比和临界位移角

图6 混合减震设计流程图

3 减震方案对比分析

3.1 反应谱对比分析

采用YJK有限元软件对三种方案进行建模分析，分别计算小震下位移角以及钢筋用量，如图7和8所示。

图7 不同方案用钢量对比

图8 不同方案位移角对比

由图7和8可知，三种方案均可有效改善位移角和减少钢筋用量，BRB方案和BRB+VFD方案较优，最大位移角减震率分别为40%和38%，VFD方案为30%；BRB+VFD方案钢筋用量减少最多，减少率为22%，VFD方案次之，减少率为16%，BRB方案减少率为12%。

3.2 时程对比分析

依据《建筑抗震设计规范》[17](GB 5011—2010)(以下简称《抗规》)要求，结合建筑场地类别和设计地震分组选用2条实际强震记录和1条人工模拟的加速度时程曲线。地震记录时程曲线见图9，3条地震记录反应谱和规范反应谱曲线如图10所示。

图9 地震波时程曲线

图10 频谱特性对比图

采用ETABS有限软件进行建模分析，如图11所示，并考虑阻尼器的非线性特性，阻尼器的参数如表2所示。

图11 计算模型

表2 阻尼器参数表

(1) 附加阻尼比分析。根据文献[17-18]计算不同方案的附加阻尼比，计算结果见图12，并根据阻尼比的结果，分析得到不同地震强度下，不同方案附加阻尼比的折减系数，如图13所示。

由图12和13可知，随着地震强度的增加，BRB方案的附加阻尼比呈增加的趋势，小震为0，大震是中震的1.5倍左右，而VFD方案与之相反，呈减少的趋势，中震和大震分别折减0.66和0.37，BRB+VFD方案基本保持平稳，中震和大震的折减系数分别为1.06和1.02。经分析原因如下：随着地震强度的增加，BRB逐渐屈服，附加阻尼比增加；随着地震强度的增加，结构的位移和剪力均增加，而VFD的阻尼力变化相对较小，变形增加较多，因而阻尼比会有所减少。BRB和VFD方案结合了BRB方案和VFD方案的优点，随着地震强度的增加，均能实现稳定耗能。

图12 附加阻尼比计算结果

注：BRB方案的折减系数为不同工况下小震或中震的附加附加阻尼比与大震附加阻尼比比值的平均值；VFD和BRB+VFD方案的折减系数为不同工况下大震或中震的附加阻尼比与小震附加阻尼比比值的平均值。

图13 附加阻尼比折减系数

(2) 结构楼层剪力对比分析。比较不同方案中框架部分的地震作用，分别提取小震和大震框架部分的楼层剪力(不含阻尼器内力)，限于篇幅仅列举了SHW1波的计算结果，如图14所示。

由图14可知，BRB方案框架部分地震作用最大，BRB+VFD方案次之，VFD方案最小，随着地震强度的增加，BRB+VFD方案的框架部分地震作用与VFD方案接近，BRB方案框架部分的地震作用与其他两个方案之间的差距有所减小。经分析原因如下：小震下，BRB为结构提供刚度，周期变短，整体地震作用增加，随着地震强度的增加，BRB屈服，为结构提高的刚度作用有所降度，因而差距变小。