某教学楼的消能减震降度设计

李 佳

(中国商用飞机有限责任公司，上海 200126)

1 工程概况

某既有教学楼建筑，为一幢7层房屋，总建筑面积约为7 988 m2。房屋东西向总长约58.5 m，南北向总宽约23.5 m；采用钢筋混凝土框架结构。抗震设防烈度为7度(0.10g)，原设计抗震等级为3级。根据相关规定，需对该房屋进行检测及抗震鉴定，其抗震措施需按提高1度执行，则其抗震等级相应提高至2级。

根据抗震鉴定报告中的鉴定结论可知，本结构有以下几点不满足规范要求：

1)框架柱箍筋最小体积配箍率及节点区内体积配箍率、填充墙拉结筋等抗震构造措施不符合规范要求,需进行加固处理。

2)部分框架柱轴压比超过规范限值，部分框架柱正截面及斜截面承载力不满足要求，部分框架梁的受弯承载力不满足要求。

3)各楼层在地震作用下的扭转位移比超出规范限值。

因此，需针对上述问题进行加固处理。

2 消能减震方案选择

2.1 传统加固方案

对于混凝土结构，常规的加固方法[1,2]有加大截面法、粘钢法和粘碳纤维法等。这些方法在多数情况下是有效的，但也存在以下问题：

1)增大截面的同时，也增加了结构的刚度，导致地震作用增大，经济性相对不高；

2)加大截面法现场施工的湿作业时间长，且会导致建筑内部空间使用面积减小，对建筑的使用功能影响较大；

3)粘钢法和粘碳纤维法存在耐久性和防火性能差等问题。

2.2 消能减震技术的适用性

采用消能减震设计方案，具有以下优点：

1)通过设置消能减震产品，在小震作用下即可耗能，提高结构的附加阻尼比，进而降低结构响应。

2)中震、大震作用下，消能减震产品继续耗能，起到第一道抗震防线的作用，保护主体结构，提高结构的延性。

3)根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范[2]规定，当消能减震结构的抗震性能明显提高时，主体结构的抗震构造要求可适当降低，当消能减震后水平向地震作用影响系数不到非消能减震时的50%时，此消能减震结构抗震构造可降低1度。

考虑到本工程的施工性及建筑空间的使用性，本项目采用软钢制位移型阻尼器。在小震作用下即可提供附加有效刚度和附加阻尼比，有效降低地震作用力并提高结构的抗震性能。从而减少梁柱的加固量、降低加固费用，同时可避免基础的加固，且施工较简单，施工工期较短。

3 消能减震设计

3.1 阻尼器布置

本工程采用的位移型软钢阻尼器的力学参数见表1。

表1 阻尼器力学参数

阻尼器布置汇总见表2，阻尼器平面布置位置和编号如图1，图2所示。共设置32组阻尼器。

表2 阻尼器布置汇总表

阻尼器均采用墙支撑方式与建筑相接合，如图3所示。

3.2 附加阻尼比计算

采用ETABS软件进行减震分析，位移型阻尼器采用连接单元(Link Element)中Plastic(Wen)的线性行为来进行分析，在连接单元中输入阻尼器的有效刚度并采用线性迭代分析方法[4]来进行消能减震结构在设计地震下的振型分解反映谱法分析。

迭代计算结果详见表3，可知结构总阻尼比可由0.05提升至0.11。

表3 附加阻尼比迭代计算

3.3 减震效果分析

分别对非减震结构和减震结构进行振型分解反应谱法计算。计算结果表明，首层柱剪力的降低比例约为65%，首层柱弯矩的降低比例约为62%，因此消能减震结构的抗震性能明显提高，参照现行《建筑抗震设计规范》的规定，本结构的抗震构造要求可按降低1度考虑，则与抗震等级相关的构造措施均可满足要求，无需加固。

同时消能减震结构的整体指标均可满足规范要求；框架柱承载力也可满足要求；少量框架梁承载力不满足要求，采用了加大截面法进行加固。

3.4 大震静力推覆分析

采用ETABS软件对减震结构进行大震静力推覆分析，其中梁、柱构件采用集中塑性铰模型，软钢消能器设定为剪力塑铰。

由静力非线性分析可得知，X向(长向)的性能点为(19 039.588 2，0.201 33)；Y向(短向)的性能点为(19 018.397 6，0.158 615)。

大震下结构弹塑性位移角计算结果见表4，均小于1/50，满足要求。

表4 大震弹塑性层间位移角

4 结语

1)与传统加固方式相比，采用消能减震技术进行加固优势明显。

2)本工程采用位移型软钢阻尼器，小震下附加阻尼比为6.13%，有效地减小了框架柱承担的地震作用，实现了抗震构造措施的降度设计。

3)通过大震静力推覆分析可知，结构弹塑性位移角不超过1/50，可满足大震不倒的要求。