某高层型钢混凝土框架结构基于性能的消能减震加固方案研究*

吴 迈 马士奇 赵 欣

(1.河北工业大学土木与交通学院, 天津 300401; 2.九易庄宸科技(集团)股份有限公司, 石家庄 050000)

0 引 言

2016年天津市建委市地震局颁布“津建设〔2016〕256号”文件,深入贯彻执行GB 18036—2015《中国地震动参数区划图》,明确要求2016年6月30日后,报送施工图审查的设计文件严格执行GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016版)[1]要求,将设防烈度为7度(0.15g)分区提高至8度(0.2g),并且指出医疗建筑中的住院用房,对于地震下承载力设计及设防地震、罕遇地震下进行相关验算时,地震作用按地震动峰值加速度提高至0.30g取值。对于一些正在施工建设且无法重返图纸的建筑,采用消能减震的加固手段不仅可以在不改变原结构体系及配筋的情况下使得建筑拥有更高的性能目标,而且当减震结构的地震影响系数不到非减震结构50%以上时,结构的抗震构造措施可降低一度[2]。

近年来国内外学者研究发现,一些采用消能减震技术设计及加固的建筑获得了良好的抗震性能。2012年,李英民等基于性能的设计方法将黏性阻尼器应用于医院综合体的抗震改造中,将设防地震和罕遇地震下位移角控制在1/550和1/200,实现“中震不坏”和“大震可修”[3];李霆等在武汉保利广场连体高层结构的设计中,在主楼和副楼层间位移角较大位置布置黏滞阻尼器,减小结构的风振和地震反应,并制作了1∶35比例的缩尺模型进行振动台试验,通过对比动力弹塑性反应证明了减震设计在结构中的可行性[4-5]。2017年,Hamdy等通过研究发现经防屈曲支撑加固后的结构抗剪承载能力相比原结构有较大的提升,但是由于结构刚度增大,地震能量输入增加,传递给底层框柱的轴力增加,导致框柱和基础需要进行额外加固[6]。2018年Alejandro等将防屈曲支撑应用于某工业建筑的抗震加固中,实现了把结构的损坏集中在某些特定部位,使得结构的损伤行为具有预测性[7]。2020年,代晓艳等将防屈曲支撑应用到某单跨长宽比超限的框架结构抗震加固中,加固后结构的周期比及构件承载力均满足规范[1]要求,结构的层间位移角曲线相比于加固前变化更为均匀,说明加固后结构的竖向不规则性也得到了明显改善[8]。

目前,在结构减震加固设计中仍较多采用传统的“三水准”(小震不坏、中震可修和大震不倒)设防目标,且结构中采用哪种消能减震方案加固效果更佳,仍没有严格的定论[9-11]。为探究高层超限结构在地震作用下采用哪种消能减震加固方式效果更理想,本文以位于天津市津南区的某医院住院用房加固项目为工程背景,考虑多遇、设防、罕遇地震作用,从结构的位移响应、耗能情况、结构构件性能等方面,研究采用位移型消能器加固、速度型消能器加固以及联合减震加固三种消能减震加固方案在高层结构加固中的减震效果。

1 工程概况

该结构设计于2015年,为型钢混凝土框架结构。上部结构总高度为43.550 m,共11层,典型柱距7.8 m,其中首层层高5.4 m,2、3层层高5.1 m,其余各层层高4.0 m,建筑面积26 254.8 m2。原结构设计抗震设防烈度和设计基本地震加速度为7度(0.15g),场地土类别为Ⅲ类,设计地震分组为第二组,多遇地震、设防地震场地特征周期为0.55 s,罕遇地震为0.60 s,抗震设防类别为乙类,框架抗震等级为一级。现由于抗震设防标准的改变,此建筑的高度不能满足型钢混凝土框架结构在现有设防烈度8度(0.30g)下的A级适用高度35 m的限值要求;建筑长宽比L/B=117/20.4=5.735>5.0,且无防震缝,不满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[12]第3.4.3限值的要求。对结构进行多遇地震下的反应谱分析,结果显示:结构东侧底层框架柱节点域剪压比超限;X向和Y向最大层间位移角分别为1/419和1/374,均超过了型钢混凝土框架结构地震损伤开裂点处位移角的限值。针对该结构出现上述系列问题,可通过在结构中合理地布设消能器,在保障原结构抗震构造措施不变的前提下,提高结构的抗震性能,使得主体结构在地震作用下退居第二道防线。图1为该建筑的三维结构模型。

图1 三维结构模型

2 减震性能目标

根据建筑的使用功能设定相应的性能目标可以有效地控制结构在地震作用下的损伤,如医院、学校、应急控制中心等人口密集的建筑场所(Ⅲ类建筑[13]),地震后使用功能必须在短期内恢复或在震后运行起到关键作用。本项目如果仍采用传统“小震不坏、中震可修和大震不倒”的设防目标,一旦遭受罕遇地震建筑物内医疗器械等将会遭到损坏,从而影响到人员救治,导致进一步扩大人员的伤亡。因此有必要对该建筑的使用功能和构件的损坏程度作定性的描述,使该结构的设防目标高于常规建筑的抗震设防目标。表1参照文献[1,13],并结合建筑的使用功能,以层间位移角及结构主要受力构件在不同水准地震作用下的塑性发展作定性描述,制定出适用于该结构功能的具体的减震性能目标。

表1 结构的性能目标

3 结构消能减震加固设计

3.1 减震方案初选

为了解该结构在地震作用下采用哪种消能减震加固方案效果更好,在7度原结构模型基础上,在多遇地震工况下分别采用“增设等代斜撑”“设置结构阻尼比”等方式模拟结构设置位移型消能器和速度型消能器。表2对比了不同结构模型的多遇地震反应谱分析得到最大层间位移角、结构总阻尼比等指标。其中方案1～3分别表示“位移型消能器加固结构”“速度型消能器加固结构”“位移型和速度型消能器联合加固结构”。

表2 加固方案对比

结构总阻尼比=结构初始阻尼比+附加阻尼比。

3.2 消能器的选择及布置方案

该结构加固采用的位移型阻尼器为防屈曲支撑(Buckling Restrained Brace,简称“BRB”),其恢复力模型采用双折线模型,强化准则为随动强化。BRB的参数如下:1)1～3层BRB1,支撑净长度范围3.0～3.5 m,芯材牌号为Q235,屈服承载力3 500 kN,极限承载力5 250 kN,屈服后刚度比0.01;2)4～10层BRB2,支撑净长度范围2.5～3.0 m,芯材牌号为Q235,屈服承载力2 500 kN,极限承载力3 750 kN,屈服后刚度比0.01。

速度型阻尼器采用墙式黏滞阻尼器(Viscous Damper,简称“VD”),其恢复力模型采用Kelvin模型,在模型构件设定中,U2和U3方向为消能器的出力方向,考虑到实际工程中消能器受到其连接构件的影响,本文在模型参数设定中输入初始刚度为10 kN/m。VD的参数如下:1)1～10层X向VD-X,黏滞阻尼系数1 300 kN·(m/s)-α,阻尼指数0.4,阻尼力1 200 kN,最大行程±100 mm,极限速度0.8 m/s;2)1～10层Y向VD-Y,黏滞阻尼系数800 kN·(m/s)-α,阻尼指数0.4,阻尼力700 kN,最大行程±100 mm,极限速度0.7 m/s。

方案1中BRB数量为400根(X向布置160根、Y向布置240根),预期设防地震下BRB进入耗能状态;方案2中VD布置180道(X向布置60道、Y向布置120道),预期多遇地震下即刻进入耗能状态;方案3中BRB布置160根(X向布置80根、Y向布置80根)、VD布置80道(X向布置20道、Y向布置60道),预期多遇地震下VD进入耗能状态,设防地震下BRB进入耗能状态,多遇地震作用下VD和BRB共同耗能。3种方案消能器均为1～10层连续布置。表3对比了布置消能器后的3种加固方案的结构前6阶自振周期。以标准层4层为例,方案1～3消能器平面布置见图2,布置消能器后的整体结构模型见图3。

表3 模型前6阶自振周期对比

a—方案1(BRB); b—方案2(VD); c—方案3(BRB和VD)。

a—方案1; b—方案2; c—方案3。

4 结构地震反应

应用SAUSAGE软件,线单元(梁、柱和斜撑)在全长度采用精细的截面纤维积分策略,面单元(楼板)采用精细的分层积分策略,通过精细的材料点应力-应变弹塑性状态分析,使结构构件的弹塑性分析结果更具客观性和准确性,避免了常见的构件宏观弹塑性模型中弹塑性机制人为预设过多和粗糙失真等问题。

4.1 地震波选择

为更深入地掌握结构的抗震性能,进行非线性动力时程分析。依据抗震规范以及本建筑所处场地区域的地震烈度和场地类别,分别对具有不同自振周期的加固前后结构模型选取各自对应的地震波,为避免选波的偶然性,多遇地震、设防地震、罕遇地震下均采取7条地震波(5条天然波和2条人工波)进行验算。表4以原结构为例列举出地震波信息,图4为各不同地震波输入下原结构地震波频谱分析结果,满足在主要周期点上与反应谱曲线差别不大于20%的要求。

表4 地震波信息

RGB1和RGB2 为 SAUSAGE 软件生成人工波;TRB1为天然波 1(LANDERS 6-28-1992 NORTH PALM SPRINGS FIRE STA);TRB2为天然波 2(IMPERIAL VALLEY-06 10-15-1979 CALIPATRIA FIRE);TRB3为天然波 3(EL MAYOR-CUCAPAH 4-4-2010 MICHOACAN DE OCAMPO);TRB4为天然波 4(CHUETSU-OKI 7-16-2007 SANJO);TRB5为天然波 5(TH081TG055_PARKFIELD-02 CA 9-28-2004 PARKFIELD - RED HILLS)。

4.2 结构位移响应

限于篇幅,仅以结构的弱轴方向(Y向)为例,对比原结构以及3种采用消能减震加固方案的结构模型在多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下的层间位移角,计算结果参见图5。图6以人工波RH2为例,绘制了不同工况在罕遇地震作用下结构弱轴方向(Y向)的顶点位移时程曲线。从图5中可以看出,3种方案均能够有效控制结构的侧向变形,采用3种方案加固后结构Y向多遇地震下的最大层间位移角由1/510(原结构)分别减小为1/781(方案1)、1/1071(方案2)和1/877(方案3),其中采用VD加固结构(方案2),多遇地震下最大层间位移角减小52.4%,减震效果最好;设防地震下3种加固方案对于层间位移角的控制相近,但是罕遇地震下结构最大层间位移角由1/36(原结构)分别减小为1/208(方案1)、1/145(方案2)和1/250(方案3)。从图6中可以看出,罕遇地震作用下对于结构顶点位移的控制,方案3优于方案1,方案1优于方案2。

a—多遇地震; b—设防地震; c—罕遇地震。

综合来看,罕遇地震下方案2对于结构变形的控制相比方案1和方案3较差,此时结构的层间位移角超过了框架结构可修复层间位移角1/150的限值,说明地震波峰值较大时,该建筑采用VD无法取得预期的减震效果;采用方案3对于结构上部的变形控制效果更好。

4.3 结构耗能情况

消能器在地震作用下会作为第一道防线进入耗能状态,当消能器的出力或位移超过规定限值时需要及时更换。图7～9以人工波RH2为例,绘制了3种方案模型中耗能最大的消能减震元件的典型滞回曲线,方案1中BRB最大出力3 614.87 kN,最大行程23.91 mm;方案2中VD最大出力970.87 kN,最大行程59.14 mm,最大速度0.482 m/s;方案3中BRB最大出力3 609.09 kN,最大行程22.99 mm,VD最大出力-916.21 kN,最大行程-39.25 mm,最大速度0.417 m/s。罕遇地震人工波RH2工况下3种方案的消能器均处于正常工作状态,未发生破坏。

图7 方案1模型消能器滞回曲线

图8 方案2模型消能器滞回曲线

a—BRB滞回曲线; b—VD滞回曲线。

表5列出了不同方案在地震作用下的能量耗散情况,可以看出无论增设哪种消能器,均能够避免主体结构构件在多遇地震下过早进入弹塑性状态。对比方案1和方案3,结构中的BRB随着地震作用的增大耗能效果随之提升,但由于方案3中有VD存在,且在多遇地震、设防地震、罕遇地震下均参与耗能,结构的总阻尼比更大,耗能效果更好;对比方案2和方案3,结构中无论是否单独布置VD,随着地震作用的增大,VD提供给结构的附加阻尼比会逐步减小。

表5 能量耗散情况

附加阻尼比=(消能器非线性耗能×主结构阻尼比)/主结构模态耗能。

实际工程应用中,设计师会根据行业习惯、项目经验及对不同工程类型的判断,对减震效果进行保守估计、做适当折减。本文所研究内容为纯理论模拟,以探讨方案的可性能,因此未对减震效果进行折减。

4.4 结构损伤状态

图10为原结构模型、方案1～3结构模型在罕遇地震作用下的构件性能状态。在罕遇地震作用下,原结构模型中个别框架梁存在严重破坏,多数框架柱为中度破坏,且底层框架柱达到了重度破坏;采用消能减震加固方案1～3,梁、柱的破坏程度均明显好转,但是方案1和方案3的加固效果明显优于方案2。表6结合结构构件的性能状态、结构侧向变形以及文献[1]中第3.10.3条对该结构做出性能评价,按照方案1和方案3加固结构,能够达到性能2的要求,即满足Ⅲ类建筑在地震作用下的性能目标。

a—梁构件; b—柱构件。

表6 3种方案总体性能评价

5 结 论

1)采用方案1(BRB)、方案2(VD)、方案3(BRB+VD)均能有效地控制结构在地震作用下的侧向变形,多遇地震下结构Y向层间位移角由1/510(原结构)减小为1/781(方案1)、1/1 071(方案2)和1/877(方案3),其中多遇地震下采用VD加固结构(方案2),层间位移角减小52.4%,减震效果最好;但在设防地震和罕遇地震作用下,采用方案1和方案3更具有优势,罕遇地震下结构最大层间位移角由1/36(原结构)减小为1/208(方案1)、1/145(方案2)和1/250(方案3),此时方案2结构的层间位移角超过了钢筋混凝土框架可修复层间位移角1/150的限值,减震效果较差。

2)增设消能器后,附加阻尼比中结构弹塑性耗能比例减小,罕遇地震下X向弹塑性耗能占比由3.8%(原结构)减小到0.6%(方案1)、2.5%(方案2)和0.5(方案3);罕遇地震下Y向弹塑性耗能占比由4.0%(原结构)减小到0.6%(方案1和方案3)和2.8%(方案2)。罕遇地震人工波RH2工况下3种方案的消能器均处于正常工作状态,未发生破坏。

3)采用方案2加固该结构能够达到性能3的减震目标,但不能满足该建筑在罕遇地震下的不间断运行的要求;采用方案1和方案3加固结构均能达到性能2的减震目标,但是结合对结构弱轴方向顶点位移的控制可以看出,方案3联合减震加固效果要优于方案1的单一消能减震效果。