胡慶生

(悉地(蘇州）勘察設(shè)計顧問有限公司 215123）

1 項目概況

某小學(xué)加固工程為框架結(jié)構(gòu)， 地上5 層(局部出屋面除外）， 一層層高4.6m， 標準層層高3.6m， 結(jié)構(gòu)總高度 19.0m， 總建筑面積約為2500m2。 標準層如圖 1 所示， 其平面寬 9.8m，長度為48.8m。 主要構(gòu)件截面尺寸及混凝土強度等級見表1。

圖1 標準層結(jié)構(gòu)平面Fig.1 Structure plan

表1 構(gòu)件截面尺寸及材料強度Tab.1 Member section size and material

本工程抗震設(shè)防烈度為7(0.1g）， 地震分組: 第二組， 場地類別: Ⅲ類， 原抗震等級: 三級。 按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011 -2010）(2016 年版）設(shè)計原有結(jié)構(gòu)配筋大量不足， 需要進行大范圍加固。 考慮采用消能減震技術(shù)加固該項目， 可以在結(jié)構(gòu)安全性、 經(jīng)濟性和抗震性能等方面均有所提升。

2 加固方案比選

2.1 傳統(tǒng)加固方案

由于該項目加固設(shè)計要求提高框架結(jié)構(gòu)的抗震等級， 由三級提高到二級。 傳統(tǒng)加固方案采用加大梁柱的截面面積等措施， 該方案施工工藝簡單， 但是面臨以下問題: (1）原有的梁柱截面配筋情況將發(fā)生顯著變化； (2）單跨框架對于乙類建筑不具有多道防線的概念； (3）加固量大、 施工工期緊張、 所需施工作業(yè)面大； (4）業(yè)主要求房屋的墻體不能拆除和破壞， 從外立面不能看到施工的過程和痕跡。

2.2 消能減震技術(shù)加固方案

目前工程中應(yīng)用較多的消能減震技術(shù)有屈曲約束支撐(BRB）、 金屬剪切阻尼器(SD）和黏滯阻尼器(VFD）等。 消能減震技術(shù)加固方案有以下幾種方案可供選擇: (1）金屬剪切阻尼器方案；(2）屈曲約束支撐加黏滯阻尼器方案； (3）黏滯阻尼器方案。

2.3 消能減震加固方案比選

三種加固方案將按照幾個方面進行方案比較: (1）加固量； (2）附加阻尼比； (3）施工周期； (4）經(jīng)濟性。 各種加固方案的對比見表2。

表2 方案對比Tab.2 Scheme comparison

經(jīng)過綜合比選， 最終確定采用黏滯阻尼器(VFD）方案。

2.4 黏滯阻尼器方案介紹

在多遇地震作用下， 建筑物主體大多保持彈性； 在罕遇地震作用下， 主體將進入塑性。 安裝在建筑物中的黏滯阻尼器在主體結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形前應(yīng)首先進入耗能狀態(tài)， 以吸收大量的地震能量來保護主體結(jié)構(gòu)成為結(jié)構(gòu)的第一道防線， 結(jié)構(gòu)的抗震性能得到顯著提高[1]。

黏滯阻尼器跟據(jù)項目實際需要豎向可連續(xù)布置， 亦可隔層布置； 水平方向沿X、Y軸宜均勻?qū)ΨQ布置， 且不應(yīng)影響正常建筑功能。 本單體中阻尼器布置在結(jié)構(gòu)的地上1 ～3 層， 其中: 1 ～2層X向每層布置9 套黏滯阻尼器， 共計18 套； 3層X向布置 10 套黏滯阻尼器； 1 ～ 2 層Y向每層布置 12 套黏滯阻尼器， 共計 24 套； 3 層Y向布置4 套黏滯阻尼器。 本項目總計56 套黏滯阻尼器。 阻尼器的平面布置如圖2 所示， 圖中方框中為黏滯阻尼器布置位置。

圖2 阻尼器平面布置Fig.2 Dampers layout plan

隅撐式黏滯阻尼器如圖3 所示。

圖3 隅撐式阻尼器Fig.3 Knee-brace type damper

3 罕遇地震彈塑性分析

3.1 模型簡介

本項目使用PERFORM 3D 軟件對其進行罕遇地震性能評估。 構(gòu)件類別主要有梁、 柱、 黏滯阻尼器和樓板。 樓板采用剛度樓板假定。 其中梁、 柱均采用集中塑性鉸模型， 梁采用M 鉸， 柱采用 PMM 鉸[2]。 梁、 柱構(gòu)件模型如圖 4 所示。圖5 給出黏滯阻尼器的組件模型。

3.2 整體地震反應(yīng)評估

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB5001 -2010）5.1.2 條有關(guān)要求， 選取兩條強震記錄(Chi -Chi，Taiwan-02＿ NO＿ 2167； Loma Prieta＿ NO＿ 761），一條人工模擬地震波(ArtWave -RH3TG065）， 進行彈塑性時程分析。

圖4 梁、 柱構(gòu)件模型Fig.4 Beam and column model

圖5 黏滯阻尼器的組件模型Fig.5 Viscous damper model

圖6、 圖7 分別給出了層間位移及層間剪力曲線。 在彈塑性階段， 結(jié)構(gòu)X方向最大位移為0.140m，Y方向最大位移為 0.145m； 結(jié)構(gòu)X方向最大層間位移角為1/97，Y方向最大層間位移角為1/81； 最大彈塑性層間位移角均小于1/50的限值要求[3]。 結(jié)構(gòu)X方向最大層間剪力為2964kN，Y方向最大層間剪力為 2994kN；X方向底層傾覆力矩為32489kN·m，Y方向底層傾覆力矩為36746kN·m。

圖6 層間位移曲線Fig.6 Curves of inter-story displacement angle

圖7 層間剪力曲線Fig.7 Curves of inter-story shear force

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下已有構(gòu)件屈服， 發(fā)生塑性變形， 結(jié)構(gòu)整體承載力及剛度有所下降， 但仍具有一定的冗余度， 能夠滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。

3.3 構(gòu)件性能評估

在罕遇地震作用下， 框架梁端最大塑性變形處于破壞控制性能段， 小于LS 控制點； 柱端最大塑性變形處于有限安全性能段， 小于CP 控制點。 如圖8、 圖9 所示(OP≤藍 ＜ IO≤綠 ＜ LS≤橙＜CP≤紅）。

圖8 框架梁減震前后的性能狀態(tài)Fig.8 Performance state of frame beam before and after damping

圖9 框架柱減震前后的性能狀態(tài)Fig.9 Performance state of frame column before and after shock absorption

黏滯阻尼器最大位移小于設(shè)計位移80mm，最大阻尼力也小于設(shè)計值， 表明阻尼器在罕遇地震作用下仍能夠正常工作， 發(fā)揮耗能作用。圖10 給出了某黏滯阻尼器罕遇地震下的滯回曲線。

圖10 一層X 向某黏滯阻尼器罕遇地震下的滯回曲線Fig.10 Hysteretic curve of a viscous damper in X direction of the first floor under rare earthquake

4 結(jié)語

采用隅撐式黏滯阻尼器加固方案后， 框架梁最大塑性變形處于破壞控制性能段， 框架柱最大塑性變形處于有限安全性能段， 彈塑性階段的層間位移角滿足1/50 的限值要求， 結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的安全性有了較大提升。 與傳統(tǒng)的加固方案相比經(jīng)濟性良好， 在節(jié)省造價的情況下滿足了建筑功能需求， 并縮短工程加固周期， 對今后的加固項目具有指導(dǎo)意義。