粘彈性阻尼器支撐結構分析及抗震加固設計應用研究

石韻    張航

陜西省建筑科學研究院

   《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）規定，當消能減震結構的抗震性能明顯提高時，主體結構的抗震構造要求可適當降低。然而，在我國實際應用中，其傳統的加固思路多為通過提高結構的承載能力，延性及剛度達到現行規范的抗震要求，該方法加固效果可靠，但造成施工復雜，浪費材料等缺陷。在加固工程中適當選用合適的消能減震構件能有降低加固成本，其中阻尼器與鋼支撐組合使用，與傳統的加固技術相比施工工藝簡單，施工周期短，適用于抗震設防烈度未達到規范要求的既有建筑，能有效改善結構的抗側移能力及抗扭轉能力，國內外工程已有不少應用實例。本文結合既有建筑特點，采用傳統加固技術和消能減震加固技術相結合，使加固后結構滿足現行規范抗震要求，提高結構抗震能力。

    一、工程概況

    某工程廠房建于20世紀80年代，主體結構分為A-D區四部分，總建筑面積32245m2。為鋼筋混凝土框架結構。C區地上2層，局部4層，建筑平面尺寸95.4m×21.6m，主要柱網尺寸6m×7.2m，框架柱截面尺寸600mm×600mm，一層層高4.77m，二層層高5.43m，局部三層、四層高度均為3.50m。圖1所示為該建筑的C區立體圖。為增加其使用年限，考慮從三部分對結構進行加固設計：

圖1 原結構立體圖

    1、對不滿足配筋要求的框架柱采用粘鋼加固法加固；

    2、對不滿足配筋要求的框架梁采用碳纖維加固法加固；

    3、為增大層間剛度，減小樓層側移角，在結構位移較大區域設置粘彈性阻尼器支撐。

    二、粘彈性阻尼器的設置

    綜合考慮經濟性和適用性要求，本工程考慮在1層與2層相同位置共設置24組粘彈性阻尼器，與支撐連接，每組支撐設置4個，形成串聯體系。粘彈性阻尼器的力學參數為：等效剛度K=6.75×106kN/m，最大阻尼力為3T，等效阻尼系數C=1.68×106N.s/m。

    加工時，阻尼器通過高強螺栓與支撐連接，支撐與原框架采用栓焊連接，原框架節點預設錨筋與節點板，保證節點的剛性連接，并保證在地震作用下支撐不先于阻尼器發生破壞。阻尼器支撐布置平面圖選用三種不同形式的布置方案進行比較。方案1為單斜式阻尼器支撐，方案2為交叉式阻尼器支撐，方案3為人字形阻尼器支撐。

    三、采用不同形式支撐的結構分析

    利用ETABS結構分析軟件對阻尼器支撐加固的框架結構減震性能進行分析。在大震下，同時考慮鋼筋混凝土及粘彈性阻尼器的非線性，與未加支撐的結構一致，忽略次要構件，地震波按照雙向地震輸入，計算選用2條天然波和一條人工波，其中小震、中震、大震下的地震加速度最大值分別為70gal、140gal、400gal。

    1、結構自振周期

    表1給出了不同形式支撐下結構的前6階自振周期。通過比較可以得出，增加阻尼器支撐后結構自振周期有所減小，但減小幅度并不大，阻尼器支撐的剛度對結構整體剛度的影響有限。

表1 不同形式支撐下結構自振周期對比

    2、層間位移角

    地震作用下加固后結構的層間位移角分別如表2所示。因在小震和中震下原結構的層間位移角基本滿足要求，這里僅給出大震下加固結構的層間位移角對比。表3反映出經過上述方法加固后結構在大震作用下的層間位移角均明顯下降，三種方案加固的結構彈塑性層間位移角均小于1/50，滿足《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）對結構層間位移角限值要求。其中方案2采用交叉支撐改善結構層間側移角尤為明顯，結構的層間位移角減小率為53%。結構在整個地震作用過程中，始終保持直立，未發生倒塌。其次為方案3的人字形支撐，結構的層間位移角減小率為50%，考慮原因是因為人字形支撐與豎向夾角過小，從而粘彈性阻尼器無法達到充分利用。單斜式支撐對結構層間位移角減小幅度有限，不建議采用。

表2 大震下加固結構最大彈塑性層間位移角

    3、塑性鉸的發展

    圖3為罕遇地震作用下交叉支撐結構中一榀框架塑性鉸的發展情況。

圖3 方案3結構塑性鉸發展順序

    圖3中看出：

    經過加固后的結構在罕遇地震作用下，結構中、上部樓層連梁首先屈服，隨著地震作用的持續，下部樓層連梁也逐漸進入屈服狀態，并得以充分發展。由于框架梁的屈服耗能作用，使框架柱得以較好的保護，未達到受壓屈服狀態。底部少數柱腳在后期出現一定程度的受拉出現塑性絞的情況，但大部分底層框架柱整個地震作用過程中并未屈服，可以認為框架柱仍保持良好的受力狀態。同時也表明，通過設置粘彈性交叉支撐并輔助采用傳統加固方法對結構進行加固可以有效改善框架柱的受力性能。

    四、結論

    1、對印鈔廠主體結構通過設置粘彈性支撐并輔助采用傳統加固方法進行加固，并對加固前后的受力情況進行分析表明，采用該方法可有效降低結構的層間側移角，優化結構的塑性鉸發展順序。從而提高結構整體的抗震性能。

    2、交叉支撐對該結構抗震性能改善尤為明顯，其中大震作用下層間位移角減小比率為53%，明顯優于單斜桿支撐和人字形支撐；

    3、粘彈性阻尼器支撐的設置對結構整體剛度有一定貢獻，但貢獻程度不大。

(本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網絡設計項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)