裙房结构大跨度空间改造与减震分析

陈武雄，贾传胜

（深圳中建院建筑科技有限公司，广东 深圳 518000）

文章以某酒店工程的裙房框架的大跨度空间改造为研究对象，为在大跨度空间下使结构的抗震性能得到有效满足，采用混合减震方案即防屈曲支撑和非线性粘滞阻尼器，以此对其减震性能进行检测分析。文章还对该工程减震框架结构的动力响应以及阻尼装置的能耗情况进行了详细分析。经研究得知，大跨度空间结构的裙房抗震性能能够通过混合减震控制的方法得到有效提高，即使在罕遇和频发的地震情况下，也能够发挥良好的抗震性能。

1 工程实例

该工程是某酒店的裙房大跨度空间结构，建筑面积为5200m2，平面尺寸为53.2m×32.5m。该裙房的结构总高为18m，层数为3。结构组成形式为现浇钢筋混凝土剪力墙框架结构体系，乙类防震级别，一级安全等级，一级框架抗震性能，防裂度数为7，使用年限为50年，场地特征周期为0.35s。裙房三层的支撑圆柱直径均为750mm，矩形柱尺寸为500mm×500mm。由于酒店的空间需要，需要将5根圆形框架直径为750mm的圆柱进行通高拆除，以此使其形成局部的架空大空间框架结构，但是这种改造方式会使该结构的抗侧刚度大幅度降低。为了保证该结构的抗震性能，施工团队拟在结构中设置联合性的非线性粘滞阻尼器和抗屈曲支撑阻尼器，以此使该结构无论是在罕遇地震作用下还是在频发地震结构下，都能够符合《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）的限值标准要求。除此之外，在旧柱拆除后形成的大空间结构屋顶，采用纵横桁架屋架体系，具体设置在第三层的楼面上，以此来减少屋架对结构大跨度空间的占用。改造后的裙房屋架的最大高度为3.5m。

2 裙房结构大跨度空间减震方案

在裙房结构的减震方案中提出了采用非线性粘滞阻尼器和抗屈曲支撑阻尼器的混合控制方案来控制裙房结构的减震性能，以使结构的抗震要求得到有效满足。具体分布位置为灰圈1～3层均设置非线性粘滞阻尼器，黑圈1～3层均设置抗屈曲支撑阻尼器。采用人字形支撑非线性粘滞阻尼器，采用两个对角撑杆支撑抗屈曲支撑阻尼器。非线性粘滞阻尼器和抗屈曲支撑阻尼器的设计参数与数量如表1、表2所示。

根据设计者提供的CAD结构设计图，建立裙房结构的有限元模型，如图1所示。

改进后的裙房结构因沿孔型高度去掉了5根柱和框架柱，自振周期增大，结构变得更加灵活。在裙房结构中安装抗屈曲支撑阻尼器和非线性粘滞阻尼器后，抗屈曲支撑阻尼器使裙房结构的刚度得到了一定程度的提高，结构的动力特性与改进后的非减震结构相比有一定的变化，但由于抗屈曲支撑阻尼器所提供的刚度小于结构本身的刚度，因此裙房结构在减震器安装前后的动力特性变化并不显著。改造前后的裙房结构振动频率和周期分别如表3、表4所示。

表1 非线性粘滞阻尼器设计参数与数量

表2 抗屈曲支撑阻尼器设计数量

图1 3D有限元模型

表3 改造前的裙房结构振动频率和周期

综上可知，本工程结构体系为高度不超过120m框架-剪力墙体系，有裙边超长、扭转不规则、垂直收进等问题。为了使结构预定性能水平达到相关标准，文章提出了以下措施和注意事项：为了对结构形状的扭转进行控制，本工程采用最新的减震技术，将215个减震器和72个屈曲约束支撑设置在了连接梁上。地板平面形凹陷部用双层双向钢筋分加厚至150mm。裙楼与主楼缩进处的板厚为160mm，而上下加强层的板厚等于双层双向加强的长度。裙边101m，均采用120mm双层双向厚钢板进行处理，同时加固周边梁的纵向钢筋和腰筋，再设置3个后浇钢筋带在长方向位置。在楼板和基础中，采用掺加混凝土外加剂、补偿收缩混凝土的措施，并根据温度计算结果来增加温度钢筋、中抗震弹性设计。在4个孔柱中，裙楼的设计是为了增加结构的延性、柱的刚度，以提高整个建筑的抗震性能。

表4 改造后的裙房结构振动频率和周期

3 裙房框架结构的抗震性能分析

3.1 层间位移角结构

框剪结构有两条抗震线，第一条是抗震墙，第二条是框架结构。在框架与剪力墙之间的内力重分布效应影响下，剪力墙在罕遇地震作用下，首先进入弹塑性状态，使其承载力明显降低。目前我国裙房结构对弹塑性变形控制只提出了部分要求，如在罕遇地震中，框剪结构层的弹塑性位移角不得大于1/100。在地震作用下，X向、Y向的最大层间位移角小于规范要求的1/100，安全储备性能较高。这说明在罕遇地震的影响下，结构的水平位移能够满足相关制作要求，且结构还能够具备一定的刚度。在层间位移角曲线平缓的状态下，说明构件侧向力刚度处于平衡状态。三种地震波的变化规律是一致的，说明它们具有良好的相容性，计算结果可靠性较大。

表5 最大层间位移角

3.2 倾覆弯矩

上层倾覆力矩无突变，X倾覆力矩与Y倾覆力矩无差异。结果表明，该结构在X方向和Y方向的竖向刚度均较均匀。

3.3 梁、柱、墙塑性铰分析

上文分别对裙房结构的层间弹塑性位移角、倾覆弯矩来对大震作用下的结构抗震性能进行了判断，但是这种判断方法较为单一，所取得的判断结果也较为片面。下文将从钢筋混凝土的非线性分析模型着手，详细分析在大震作用下的梁柱墙出铰顺序以及屈服情况、塑型发展情况以及破坏程度。文章以天然波为例，对地震作用下X方向的塑性铰分布情况进行详细分析。

在X方向的地震作用下，通过柱塑性铰的发展趋势可以对塑性铰的形成位置进行判断。由此可知，裙房结构的下端是塑性铰的主要形成区，上部结构中虽然也有塑性铰形成，但其面积较小，并不明显。根据其上少下多的分布状态可以分析出，其分布方式为由下至上逐渐递减，混凝土开裂情况较为严重，但仍存有部分塑性变形能力。这说明在遭遇罕遇地震时，裙房结构的下端会首先出现塑性铰，这也是本裙房结构最为薄弱的地方。因此在后期计算弯矩时，相关人员应该适当放大柱弯矩的大小，并适当增大柱端配筋，使其能够拥有在各种震型状态下的抗震性能，并对其在强震作用下的防倒塌面积进行有效控制。

梁塑性铰的产生比柱塑性铰的产生要早，符合本工程强柱弱梁的设计思想。由于梁塑性铰主要分布在框架梁端和剪力墙梁端，其分布说明在该结构设计中较为薄弱的部位为梁端。因此，在这一部位应该适当增加配筋数量，以保证梁端在满足配筋率的条件下不发生脆性破坏的要求。但是，梁塑性铰的抗弯承载力，应该小于柱的抗弯承载力，也就是塑性铰的产生应该比柱的塑性铰晚，只有这样才能保证其具有一定的变形能力，并且防止结构因侧向刚度不足而倒塌。

3.4 罕遇地震主要计算结果分析

（1）在罕遇地震中，X、Y向性能点处的弹塑形夹层的最大位移角小于1/100，满足相关建设标准。这说明该建筑在建设中能够达到大地震的抗震效果，在罕遇地震作用下构件能够满足4级性能要求。（2）在罕遇地震中，底部剪力墙加固区的个别墙肢和连接梁会首先出现塑性铰，然后呈垂直方向发展，使塑性铰点逐渐出现在框架梁柱之上。塑性铰数量最多的是位置就代表该工程结构的薄弱环节，说明这些部位在地震中会首先遭到破坏。对此，必须采取一定的抗震措施使其得到有效改善。（3）从计算结果可知，底部加固区的剪力墙没有发生屈服反应，说明符合预期设置。

4 结论

通过对本工程的裙房框架空间改造和减震控制进行分析可以发现：（1）当裙房的空间发生大跨度改变之后，其动力特性与改造前相比具有较大的差异性，且周期变强，柔性也会变大。但是当设置防屈曲支撑阻尼器和非线性粘滞阻尼器之后，裙房结构的动力特性就会相应得到提高，与其改造前的差别就会相应减小。（2）在裙房结构改造后，其非减震结构的层间位移角均不符合相关标准规定，而在减震结构中增设弹塑性层后，就可以满足其性能要求。也就是说，在设置非线性粘滞阻尼器和防屈曲耗能支撑阻尼器后，能够使结构的安全使用性能在消能减震后得到大幅度提升，这两种不同地震类型的最大减震效果分别为27.51%和46.52%。（3）在频发和罕遇地震的作用下，非线性粘滞阻尼器拥有十分饱满的滞回曲线，且拥有大量耗散地震能量输入的能力，而在频发地震作用下屈服位移性能的触发作用力较低，使得其耗能效果也相对较低。但防屈曲支撑阻尼器在罕遇地震中的耗能能力较为优异。