粘彈性阻尼器支撐結構分析及抗震加固設計應用研究

石韻    張航

陜西省建筑科學研究院

   《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定，當消能減震結構的抗震性能明顯提高時，主體結構的抗震構造要求可適當降低。然而，在我國實際應用中，其傳統(tǒng)的加固思路多為通過提高結構的承載能力，延性及剛度達到現(xiàn)行規(guī)范的抗震要求，該方法加固效果可靠，但造成施工復雜，浪費材料等缺陷。在加固工程中適當選用合適的消能減震構件能有降低加固成本，其中阻尼器與鋼支撐組合使用，與傳統(tǒng)的加固技術相比施工工藝簡單，施工周期短，適用于抗震設防烈度未達到規(guī)范要求的既有建筑，能有效改善結構的抗側移能力及抗扭轉能力，國內外工程已有不少應用實例。本文結合既有建筑特點，采用傳統(tǒng)加固技術和消能減震加固技術相結合，使加固后結構滿足現(xiàn)行規(guī)范抗震要求，提高結構抗震能力。

    一、工程概況

    某工程廠房建于20世紀80年代，主體結構分為A-D區(qū)四部分，總建筑面積32245m2。為鋼筋混凝土框架結構。C區(qū)地上2層，局部4層，建筑平面尺寸95.4m×21.6m，主要柱網(wǎng)尺寸6m×7.2m，框架柱截面尺寸600mm×600mm，一層層高4.77m，二層層高5.43m，局部三層、四層高度均為3.50m。圖1所示為該建筑的C區(qū)立體圖。為增加其使用年限，考慮從三部分對結構進行加固設計：

圖1 原結構立體圖

    1、對不滿足配筋要求的框架柱采用粘鋼加固法加固；

    2、對不滿足配筋要求的框架梁采用碳纖維加固法加固；

    3、為增大層間剛度，減小樓層側移角，在結構位移較大區(qū)域設置粘彈性阻尼器支撐。

    二、粘彈性阻尼器的設置

    綜合考慮經(jīng)濟性和適用性要求，本工程考慮在1層與2層相同位置共設置24組粘彈性阻尼器，與支撐連接，每組支撐設置4個，形成串聯(lián)體系。粘彈性阻尼器的力學參數(shù)為：等效剛度K=6.75×106kN/m，最大阻尼力為3T，等效阻尼系數(shù)C=1.68×106N.s/m。

    加工時，阻尼器通過高強螺栓與支撐連接，支撐與原框架采用栓焊連接，原框架節(jié)點預設錨筋與節(jié)點板，保證節(jié)點的剛性連接，并保證在地震作用下支撐不先于阻尼器發(fā)生破壞。阻尼器支撐布置平面圖選用三種不同形式的布置方案進行比較。方案1為單斜式阻尼器支撐，方案2為交叉式阻尼器支撐，方案3為人字形阻尼器支撐。

    三、采用不同形式支撐的結構分析

    利用ETABS結構分析軟件對阻尼器支撐加固的框架結構減震性能進行分析。在大震下，同時考慮鋼筋混凝土及粘彈性阻尼器的非線性，與未加支撐的結構一致，忽略次要構件，地震波按照雙向地震輸入，計算選用2條天然波和一條人工波，其中小震、中震、大震下的地震加速度最大值分別為70gal、140gal、400gal。

    1、結構自振周期

    表1給出了不同形式支撐下結構的前6階自振周期。通過比較可以得出，增加阻尼器支撐后結構自振周期有所減小，但減小幅度并不大，阻尼器支撐的剛度對結構整體剛度的影響有限。

表1 不同形式支撐下結構自振周期對比

    2、層間位移角

    地震作用下加固后結構的層間位移角分別如表2所示。因在小震和中震下原結構的層間位移角基本滿足要求，這里僅給出大震下加固結構的層間位移角對比。表3反映出經(jīng)過上述方法加固后結構在大震作用下的層間位移角均明顯下降，三種方案加固的結構彈塑性層間位移角均小于1/50，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）對結構層間位移角限值要求。其中方案2采用交叉支撐改善結構層間側移角尤為明顯，結構的層間位移角減小率為53%。結構在整個地震作用過程中，始終保持直立，未發(fā)生倒塌。其次為方案3的人字形支撐，結構的層間位移角減小率為50%，考慮原因是因為人字形支撐與豎向夾角過小，從而粘彈性阻尼器無法達到充分利用。單斜式支撐對結構層間位移角減小幅度有限，不建議采用。

表2 大震下加固結構最大彈塑性層間位移角

    3、塑性鉸的發(fā)展

    圖3為罕遇地震作用下交叉支撐結構中一榀框架塑性鉸的發(fā)展情況。

圖3 方案3結構塑性鉸發(fā)展順序

    圖3中看出：

    經(jīng)過加固后的結構在罕遇地震作用下，結構中、上部樓層連梁首先屈服，隨著地震作用的持續(xù)，下部樓層連梁也逐漸進入屈服狀態(tài)，并得以充分發(fā)展。由于框架梁的屈服耗能作用，使框架柱得以較好的保護，未達到受壓屈服狀態(tài)。底部少數(shù)柱腳在后期出現(xiàn)一定程度的受拉出現(xiàn)塑性絞的情況，但大部分底層框架柱整個地震作用過程中并未屈服，可以認為框架柱仍保持良好的受力狀態(tài)。同時也表明，通過設置粘彈性交叉支撐并輔助采用傳統(tǒng)加固方法對結構進行加固可以有效改善框架柱的受力性能。

    四、結論

    1、對印鈔廠主體結構通過設置粘彈性支撐并輔助采用傳統(tǒng)加固方法進行加固，并對加固前后的受力情況進行分析表明，采用該方法可有效降低結構的層間側移角，優(yōu)化結構的塑性鉸發(fā)展順序。從而提高結構整體的抗震性能。

    2、交叉支撐對該結構抗震性能改善尤為明顯，其中大震作用下層間位移角減小比率為53%，明顯優(yōu)于單斜桿支撐和人字形支撐；

    3、粘彈性阻尼器支撐的設置對結構整體剛度有一定貢獻，但貢獻程度不大。

(本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網(wǎng)絡設計項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)