消能减震技术在加固设计中的应用

■ 兰学平 Lan Xueping

0 引言

随着我国城市更新进程的加速，针对既有房屋功能提升和加固改建类的工程日益增多。传统的加固方法主要有加大截面法、外包钢法、增设抗震翼墙法等。该类加固方法主要是增加结构自身刚度，利用损伤结构自身为代价来耗散地震输入的能量，其缺点主要是施工周期长、湿作业面大、自重增加多、减小建筑物使用效率等[1]。消能减震技术作为一种新型技术，主要是在结构中附加耗能装置，利用耗能装置耗散地震输入到上部结构中的能量，从而达到保护主体结构免遭破坏的目的，其优点是湿作业面小、工期短等[2]。

目前，消能减震技术在房屋加固中已有较多应用，如：张超、翁大根等[3]提出了将消能减震技术运用于C类框架学校建筑提高一度抗震设防加固；贾传胜[4]提出在框架增层工程中运用消能减震加固技术；张玉蕾[5]提出运用消能减震技术加固中小学单跨框架结构教学楼等。本文将着眼于消能减震加固既有房屋设计方法的全过程分析，为后续改造项目提供借鉴。

1 消能减震加固房屋全过程分析概述

1.1 主要内容

采用消能减震技术加固既有房屋主要包含3个方面内容，即房屋原结构抗震性能评估、附加耗能装置的设计和加固后房屋整体抗震性能评估。

（1）房屋设计年代不同，原结构的抗震性能往往存在较大差异性，对房屋原结构抗震性能的综合评估是进行抗震加固设计的主要依据。

（2）耗能装置是消耗地震输入能量的主要构件，如何确保并提高该类构件在地震中发挥其工作效率，是消能减震技术加固房屋的关键所在。

（3）加固完成后，房屋整体的抗震能力是否满足新的设防要求，是判断加固设计是否合格的主要标志。

1.2 主要设计步骤

基于上述3方面的内容，本文对消能减震技术加固房屋设计方法进行全过程分析，其具体设计流程如图1所示，主要设计步骤有：①加固前对原结构进行抗震性能评估，明确存在的缺陷；②设定加固后结构的性能水准目标；③耗能装置的配置和参数设计；④减震控制效果分析；⑤原结构构件加固形式的确定；⑥抗震验算与安全性评价[6]。

（1）原房屋结构的抗震性能评价工作主要由检测单位依据相关鉴定规范进行，消能减震设计主要由加固设计单位或相关耗能器产品单位完成，而原结构构件加固及加固后房屋抗震能力评估主要由加固设计单位进行。

（2）关于消能减震部分的设计，国内外学者已经做了大量的研究和实践工作，如：邓明科等[7]提出了基于能力谱法进行减震设计的方法；c h o i等[8]提出基于滞回耗能谱和累积延性谱的性能化减震设计方法；B e n a v e n t-C l i me n t[9]提出了基于能量的减震加固设计方法；翁大根等[6、10]等提出了契合中国规范的附加黏滞阻尼器和附加金属阻尼器实用设计方法等。附加消能器对房屋主体结构的减震作用主要体现在附加阻尼比和有效刚度上[11]。目前，关于消能器的附加阻尼比计算方法主要有规范法[11、12]、自由振动衰减法[13]和模态阻尼耗能法[14]等，其附加阻尼和附加刚度一般采用S A P 2 0 0 0、E t a b s等有限元软件进行分析得到，而减震主体结构设计则一般采用常规设计软件。

图1 采用消能减震技术加固设计流程

（3）消能器与房屋主体的连接是否有效直接影响着消能器工作效率的发挥，建筑结构消能减震（振）设计图集[15]中给出了各类消能器的连接节点构造，翁大根、杨凯等[16]亦提出了一种U型钢套的消能支撑连接方式并验证了该方式的有效性，在实际工程中，应根据现场条件做合理的设计。另外，与消能器直接相连的结构构件，往往承受着较大的附加内力，该部分构件若过早地屈服发生较大塑性变形，将大大降低消能器的消能效果。因此，相关规程[12]规定，“消能子结构中的相关构件应考虑消能器在极限位移或极限速度下的附加阻尼力作用等”。

（4）采用常规设计软件对消能减震主体结构进行分析设计，目前主要是将消能器的附加阻尼作用通过增大结构整体阻尼比的方法进行考虑，附加刚度作用则采用等效钢支撑的方法进行考虑。考虑减震作用之后仍有不足的结构构件，常结合局部外包钢、粘贴碳纤维及扩大截面的方法进行加固。

（5）对于附加金属阻尼器减震结构性能水准的设定，则需结合我国现行建筑抗震设计规范的三水准设防目标来确定。实际减震分析中，对于大震工况下的减震控制效果分析，通常的做法是利用纤维单元模型做动力弹塑性时程分析，或者设定框架塑性铰进行静力非线性p u s h o v e r分析，但计算工作量较大。因此，工程中为了简化计算，有时也会结合结构实际状况而近似采用刚度打折的方法[13]。

2 工程案例分析

现引用某钢筋混凝土框架结构的抗震加固工程来详细阐述消能减震技术用于房屋加固设计的全过程。

2.1 工程概况及抗震鉴定结果

该项目为1栋7层的钢筋混凝土框架办公楼，其中主体结构6层，7层为屋面电梯机房。该楼原设计按 7 度（0.1 5 g）进行抗震设防，框架等级为二级，场地类别为Ⅱ类，设计基本地震加速度值为0.1 5 g，设计地震分组为第二组，设计反应谱特征周期0.4 s。由于业主要求，需对该房屋进行抗震加固。抗震设防烈度由7 度（0.1 5 g）提高到8 度（0.3 g），设计基本地震加速度值为0.3 0 g。根据检测单位提供的抗震鉴定报告，房屋结构存在层间位移角不满足规范限值要求，房屋部分框架梁、柱配筋不满足计算要求等问题，需要对房屋进行整体加固。

2.2 消能减震结构性能水准

考虑到房屋仍处于正常使用中，业主希望尽可能减少湿作业面和总体加固量。故本次采用消能减震的方法对房屋进行抗震加固。减震加固目标为：房屋总体抗震能力提高1度。

2.3 消能器布置和参数设计

为后续分析方便，现约定将未加固的原结构记为S T 0结构，将采用耗能器进行抗震加固的减震结构记为S T 1结构。

（1）对房屋原结构进行有限元分析，得到主体结构基本信息（表1、2）。

（2）按照文献[6、1 0]提供的方法配置消能器。本项目采用金属消能器，其附加屈服阻尼力实配值见表3，消能器具体型号、布置方案和产品相关参数见表4、5和图2、3。

2.4 减震控制效果分析

为考查和评估耗能器的减震效果，本文采用时程分析方法对减震结构进行分析。输入的时程采用拟合规范反应谱的人工时程记录和天然时程记录，选取的时程曲线及拟合反应谱见图4～1 0。

表1 不同有限元模型S T 0的基本振型及周期信息

表2 S T 0结构在8度小震下的基本信息

表3 附加屈服阻尼力实配置

表4 耗能器布置方案

表5 附加耗能器设计参数

在8度（0.3 g）设防烈度作用下，仅考虑金属消能器的非线性而保持房屋主体结构的线弹性。对7条地震时程下原结构模型S T 0和减震结构模型S T 1的响应均值进行对比分析，相关结果见表6、7和图1 1。设防烈度地震下层间位移角的性能目标按照1/2 0 0控制。

2.5 原结构构件加固

将消能器对房屋主体结构的消能效果计入主体结构计算中，常用的方法是将消能器对结构的附加阻尼比代入传统设计软件来近似考虑消能器的消能作用，并以等代钢杆的方法来近似考虑消能器的附加刚度作用。

图2 结构1层附加耗能器布置图

图3 结构2～5层附加耗能器布置图

图4 X I N 1人工地震波时程曲线及其拟合反应谱

图5 X I N 3人工地震波时程曲线及其拟合反应谱

图6 I MP V A L天然地震波时程曲线及其拟合反应谱

本项目中，计入附加阻尼比和附加刚度后，房屋结构在多遇地震作用下的层间位移角、位移比等指标均满足规范要求。针对附加耗能器后配筋仍有不足的个别结构构件，采用外包型钢、黏贴碳纤维等方法进行加固。对消能子结构，考虑到消能器的连接，采用外包型钢的方法进行加固。

2.6 抗震验算

针对减震加固后房屋结构在罕遇地震作用下的弹塑性变形验算，本文采用静力弹塑性分析方法（pushover）进行。鉴于在罕遇地震下，消能器的附加刚度作用往往较小，故可忽略等效附加刚度而仅考虑消能器附加阻尼。采用PKPM系列EPDA/PUSH软件进行分析，推覆曲线见图1 3、1 4。可以看出，减震加固后，房屋结构在大震下的弹塑性层间位移角能够满足抗震规范的相关要求，减震加固达到预期效果。

3 结语

图7 9 6 3 N O R T H R天然地震波时程曲线及其拟合反应谱

图8 C H I C H I天然地震波时程曲线及其拟合反应谱

图9 K O C A E L I天然地震波时程曲线及其拟合反应谱

图10 H E C T O R天然地震波时程曲线及其拟合反应谱

综上所述，本文结合工程案例，针对消能减震技术运用于房屋加固工程的设计流程进行了全过程分析。结果表明：减震加固后，房屋结构在大震下的弹塑性层间位移角能够满足抗震规范的相关要求，减震加固达到预期效果，可为后续的改造工程提供借鉴。

表6 8度设防烈度地震作用下S T 0结构计算结果（均值）

表7 8度设防烈度地震作用下S T 1结构计算结果（均值）

图11 8度设防烈度地震下层间位移角对比图

图12 8度设防烈度地震作用下剪力对比图

图13 减震加固后房屋结构在罕遇地震下的X向推覆曲线图

图14 减震加固后房屋结构在罕遇地震下的Y向推覆曲线图

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