消能减震技术用于C类框架学校建筑提高一度抗震设防加固.pdf

消能减震技术用于C 类框架学校建筑 提高一度抗震设防加固的探讨 张 超1 翁大根1 吕西林1 彭林海1 张世明1 周红卫2 丁孙玮2 1 同济大学土木工程防灾国家重点实验室 上海 200092 2 上海材料研究所 上海 200092 摘要 针对既有的C 类框架学校建筑提高一度抗震设防的加固目标 从地震作用计算 结构抗震验算和抗震构造措 施等方面详细分析了其中的加固难点 指出了应用传统抗震加固方法的一些不足之处 探讨了应用消能减震技术 进行结构提高一度抗震设防加固的可行性 并以某C类框架学校建筑加固工程为实例 从减震控制效果分析 弹塑 性变形验算 消能部件影响评价 抗震构造措施核查 4个方面论证了消能减震加固方法的有效性和可操作性 结果 表明 消能减震技术在C 类框架学校建筑抗震加固中具有一定的应用优势 不但能有效控制结构的地震响应 而且 依据减震效果可以适当降低结构的抗震构造要求 因此 只要通过合理的消能减震加固设计 再辅以额外的局部加 强处理 完全可以实现C类框架学校建筑提高一度抗震设防的加固目标需求 关键词 消能减震技术 抗震加固 C类框架学校建筑 抗震设防烈度 抗震构造措施 中图分类号 T U352 1 1 文献标识码 A 文章编号 1672 2132 2012 04 0408 09 引 言 2008 年5月12日发生的汶川8 0 级大地震 造 成了巨大的人员伤亡和财产损失 在这次地震中 学 校震害尤为严重 中小学甚至成为灾区倒塌最多的 公共建筑 地震后 新修订的 建筑抗震设计规范 1 以下简称 抗规10 对部分地区建筑工程抗震设计 时所采用的抗震设防烈度 设计基本地震加速度值 和所属的设计地震分组进行了调整 建筑工程抗震 设防分类标准 2 以下简称 分类标准08 规定 幼 儿园 小学 中学的教学用房以及学生宿舍和食堂等 教育建筑 其抗震设防类别应不低于重点设防类 而最新的 中华人民共和国防震减灾法 3 也明确 对学校等人员密集场所的建设工程 应当按照高于 当地房屋建筑的抗震设防要求进行设计和施工 采 取有效措施 增强抗震设防能力 因此 对于既有中 小学建筑而言 由于抗震设防烈度提高或者抗震设 防类别调整而导致结构原抗震设防措施未达到新抗 震设防要求的 应当按照国家有关规定进行抗震性 能鉴定 并采取必要的抗震加固措施 本文主要探讨 了C 类框架学校建筑提高烈度后的抗震加固问题 C 类框架学校建筑特指2001 年以后建成的中小学 校建筑C 类框架结构 按 建筑抗震鉴定标准 4 以 下简称 鉴定标准09 规定后续使用年限为50 年的 建筑 对比了传统抗震加固方法与消能减震加固方 法的优劣 分析了C 类框架学校建筑应用消能减震 加固方法提高一度设防的可行性 并通过工程实例 进行了论证 1 C 类框架学校建筑提高一度抗震设 防的难点 由于C 类框架学校建筑的抗震设防类别为乙类 即重点设防类 按 分类标准 08 相关规定 其 应 按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震 措施 同时 应按本地区抗震设防烈度确定其地 震作用 基于 抗规10 可以得出7 9 度抗震设防 下C 类框架结构各计算参数和抗震构造措施的对 比 如表1 表2 所示 由表中所列条款项可知 抗震 设防 烈度 每 提高 一 度 结 构 所受 的 水平 地 震 作用增加一倍 即抗震设防烈度每提高一度 相应 第32卷第 4期 2012 年8 月 防灾 减 灾工 程 学报 Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol 32 No 4 Aug 2012 收稿日期 2011 05 26 修回日期 2012 06 01 基金项目 国家科技支撑计划重点项目 2009BAJ28B02 中国工程院重大咨询研究项目 2010 ZD 4 资助 作者简介 张 超 1984 男 博士研究生 主要从事结构工程抗震和减震控制研究 Email 2009 zhangchao tongji edu cn 表1 7 度 9 度地震作用计算与抗震验算参数比较 Table 1 Comparison of earthquake action calculation and seismic checking parameters under intensity 7 9 计算参数 地震影响 7度8度9 度 设计基本地震加速度值 g0 100 200 40 多遇地震加速度峰值 cm s 2 3570140 罕遇地震加速度峰值 cm s 2 220400620 多遇地震反应谱水平地震 影响系数最大值 0 080 160 32 罕遇地震反应谱水平地震 影响系数最大值 0 500 901 40 计算罕遇地震作用时的反 应谱特征周期 s TgTg 0 05Tg 0 05 框架抗震等级 高度低于30 m 321 柱端弯矩增大系数 c1 31 51 7 柱端剪力增大系数 vc1 21 31 5 梁端剪力增大系数 vb1 11 21 3 注 Tg为结构按场地类别和设计地震分组确定的特征周期 表2 7 度 9度结构抗震构造措施比较 Table 2 Comparison of seismic design details under intensity 7 9 构造措施 地震影响 7度8度9 度 框架抗震等级 高度低于 30 m 321 梁端箍筋加密区长度 mm 采用较大值 1 5hb 500 1 5hb 500 2hb 500 梁箍筋最大间距 mm 采用最小值 hb 4 8db 150 hb 4 8db 100 hb 4 6db 100 梁端箍筋最小直径 mm8810 梁端加密区最大箍肢距 mm 采用较大值 250 20d250 20d200 20d 轴压比 不大于 0 850 750 65 柱截面纵筋最小配筋率 0 6 角柱 0 8 0 7 角柱 0 9 0 9 角柱 1 1 柱箍筋加密区最大间距 mm 采用最小值 8dc 150 柱根 100 8dc 100 6dc 100 柱箍筋最小直径 mm8810 柱加密区箍肢距 mm 不大于 250250200 角柱箍筋加密范围柱端局部柱全高柱全高 柱加密区体积配箍率 不小于 0 40 60 8 节点核芯区配箍特征值 不小于 0 080 100 12 节点核芯区体积配箍率 不小于 0 40 50 6 节点核芯区最大 箍距 mm 采用最小值 8dc 150 柱根 100 8dc 1006dc 100 注 hb为梁截面高度 db为梁纵筋直径 dc为柱纵筋最小直径 d 为相应的梁 柱箍筋直径 的抗震措施需按抗震等级提高2 级来核查 基于这 种情况 显然已经不仅仅是增加加固工程量的问题 也是针对既有结构抗震构造措施不足如何补强的技 术难题 进一步举例说明 对于抗震设防烈度由 7 度提 高到8 度的框架类学校建筑 其地震作用增加1 倍 由此产生的结构楼层剪力也将大大增加 尤其在多 遇地震作用下 若结构仍处于弹性状态 则其楼层剪 力将增加1 倍 在这种情况下 显然将使原来按7 度 抗震设防设计的构件配筋不能满足 8 度新抗震设 防设计的强度要求 这无疑也将导致结构需大范 围补强其梁柱构件才能满足加固要求 另一方 面 学校框架的抗震等级由3 级提高到1 级 与此 相对应的是不单单框架梁构造措施有所提高 而 且针对框架柱和梁柱节点的构造要求也更为严 格 比如柱子轴压比 柱截面纵筋与箍筋的配筋 率 角柱箍筋加密范围 以及节点核芯区的配箍 要求等 如表 2 所示 这些设计参数限值在抗震 等级提高 2 级的情况下都有大幅提高 因而据此 设计所需要加固的结构构件量大面广 2 传统抗震加固方法的不足 针对C 类框架学校建筑提高一度抗震设防的上 述难点 可相应采用不同的传统加固方法解决 传统 抗震加固方法是采取 硬抗硬 的做法 即通过加固 补强处理来提高原结构的强度 侧向刚度和整体性 从而达到改善构件受力状况 提高综合抗震能力的 加固目的 目前较为常用的有加大截面法 增设抗震 墙法 外包钢法 碳纤维加固法 增设支撑法 增设外 部框架加固法等 5 然而其问题在于所需加固工作量大面广 为提 高一度抗震设防 几乎绝大部分的框架梁柱及节点 均需进行加固处理 而且施工复杂 有时尚需加固基 础或新增加基础 同时 为保证原结构与后附加构件 协同工作 还应做好连接部分的加强处理 总的来 说 传统抗震加固方法在工程应用中的不足有如下 几点 1 现场湿作业工作量大 施工周期长 干扰用 户且易影响原建筑使用功能 2 减少了房屋净空间 对建筑物外形布局和现 有结构装修造成很大的破坏 3 结合面的构造处理和材料性能较为复杂 难 以保证新旧结构构件的协同工作 409 第4 期张 超等 消能减震技术用于C 类框架学校建筑提高一度抗震设防加固的探讨 4 结构越刚 其所受到地震作用也越大 由此 对结构构件的抗震性能要求也越高 5 建筑材料消耗较大 有悖于近年来国家所大 力提倡的资源节约型绿色发展目标 3 消能减震加固方法的可行性 基于传统加固方法在C 类框架学校建筑提高一 度抗震设防应用中的局限性 探索和应用新技术 新 方法已成为学校建筑加固的重要课题 在这个背景 下 随着结构振动控制理论的不断发展和消能减震 技术的日趋成熟 消能减震加固方法正逐步成为既 有建筑抗震加固的一个新选择 并在实际工程中得 到不少应用 6 7 消能减震加固方法是在待加固结构物的某些部 位 如支撑 剪力墙 节点 连接缝或连接件 楼层空 间 相邻建筑间 主附结构间等 安装消能 阻尼 装 置 或元件 来吸收或消耗一部分输入能量 从而减 小主体结构或构件的耗能要求值 并使可能的结构 损坏降到最低程度 8 9 相对于传统抗震加固方法 硬抗硬 的设计思路 消能减震加固方法更注重 以 柔克刚 具有加固效果良好 构造简单 施工费用 低 施工周期短 对建筑使用功能影响较小等优点 针对是否达到提高一度抗震设防的加固目标 对于消能减震加固方法应用的可行性 可以通过检 验结构抗震性能来论证 下面以C 类框架学校建筑 从7 度设防提高至8 度设防为例进行说明 1 减震效果控制检查 根据提高一度后的无控 主体结构抗震能力分析 确定需要增加的附加阻尼 比 按照 抗规10 中多阻尼比地震影响系数的折减 幅度可大致估算 一般结构提高一度抗震设防加固 所需的附加阻尼比为20 左右 由此可按层间剪力 层间变位角情况在相应楼层配置需要的阻尼力及支 撑刚度 再进行小震 中震以及大震作用下该消能减 震有控结构的抗震分析验算 其内容包括相对于无 控主体结构的层间位移角变化 层间剪力变化和阻 尼器耗能等 若性能控制情况不符合要求 则须不断 调整消能装置设计参数 直至减震效果分析满意为 止 值得一提的是 对于大震工况 通常的做法是设 定框架塑性铰以进行静力非线性 Pushover 分析对 比 然而在实际工程计算中 考虑到结构进入弹塑性 变形阶段后总体上的表现是刚度降低 为简化分析 过程 有时也采用结构刚度打折的近似方法来进行 对比验算 具体的刚度折减系数可参考文献 10 选 取 或者也可偏安全地取为1 其中 为位移延性 系数 文献 11 中定义为结构最大位移与屈服位移 之比 其具体值一般可基于结构的实际安全需求和 延性能力来确定 2 弹塑性变形验算 基于消能减震加固结构在 大震作用下的附加等效阻尼比 可计算结构总的等 效弹性阻尼比 包括结构固有的弹性阻尼比和消能 部件提供的附加阻尼比 由此进行罕遇地震作用下 结构薄弱层的弹塑性变形验算 对于速度型消能减 震装置 还可近似忽略黏滞阻尼器的静力刚度贡 献 3 消能部件影响评估 对所附加消能部件与结 构连接部位的构件应进行安全验算 即包括对与阻 尼器支撑相连接柱子的内力分析和截面抗震验算 对阻尼器支撑杆 连接板以及焊缝与螺栓的稳定性 和承载力验算 对与消能部件相连接的梁柱节点考 虑附加阻尼力作用进行强度校核 另外 对于结构附 加消能部件加固后 还应检查有无产生新的薄弱点 或薄弱层 4 抗震构造措施核查 按照 抗规 10 12 3 8 条款的规定 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根据地震影响系数 的变化幅度适当降低 但最大降低程度应控制在 1 度以内 基于此 可依据消能减震加固工程的实际控 制效果 适当降低规范对应的标准要求 并据此对表 2所列的抗震构造措施要求进行逐项核查 不同设防标准对应于结构抗震构造措施的要求 不尽相同 如表2 所示 通常对于按正规设计施工且 原设计留有一定安全余量的既有结构而言 采用消 能减震加固后 除角柱需特别处理外 大部分构造要 求的提高基本都可以满足 若出现不满足 也可在加 固设计中继续增大附加阻尼比 抗规 10 规定不应 超过25 从而进一步减少主体结构在提高一度设 防下的剪力和位移角等地震响应 使之与原设防的 结构地震响应相接近 本文的探讨旨在通过在结构 中增设消能减震装置来控制或大大减小其地震响 应 如此相对于同等极限响应值而言 就增大了结构 的延性空间和安全余量 从而为消能减震加固结构 延性能力的提高以及相应抗震构造要求的降低提供 了可能性和说服力 值得一提的是 结构抗震构造要 求的降低对于学校建筑加固 尤其是提高抗震设防 的加固 工作很有意义 此外 在实际消能减震加固工程中 除了增设阻 尼器及支撑外 还应结合计算分析和现场情况对结 410 防 灾 减 灾 工 程 学 报 第32 卷 构部分梁柱及其节点域进行附加增强处理 比如对 与阻尼器支撑相连接的框架柱进行外套钢片处理 对梁柱节点采用贯穿式外包钢板 内部辅以高强无 收缩灌浆料进行填缝处理 如图1 图2 所示 其中值 得注意的是 采用外包钢板措施时 对于节点域覆盖 钢板的厚度 沿梁柱方向的外包长度等尺寸参数必 须结合梁柱的实际强度来确定 而且在现场施工中 为保证灌浆料能顺利填满节点域与钢板之间的空 隙 在施工工艺上必须预先留好进料孔和排气孔 并 且在梁顶面还应进行糙面和找坡处理 而后待灌浆 填实之后再进行封口处理 事实上 也正是基于上述 前提 才为C 类框架学校建筑应用消能减震技术加 固以达到提高一度抗震设防的目标创造了可行的条 件 图1 框架柱外包钢片加固 Fig 1 Strengthened columns by wrapping steel sheets 图 2 梁柱节点外包钢板加固 Fig 2 Cladding steel plates towards beam column joints 4 工程应用实例及其分析 为更好地说明消能减震加固方法应用于C 类框 架学校建筑提高一度抗震设防的可行性 下面通过 一个具体的抗震加固工程实例进行分析论证 4 1 工程概况 该工程为都江堰市某学校建筑 6 层钢筋混凝 土框架结构 设计于2007 年 建成后遭受了汶川8 0 级地震的考验 主体结构完好 仅部分分隔空心墙遭 到严重损坏 建筑总高度为23 2 m 主要用材为 混 凝 土 C25 C30 C35 和 C40 钢 筋 HPB235 和 HRB335 框架柱的主要截面尺寸为 500 500 mm 600 600 mm 700 700 mm 800 800 mm 除 了底层柱截面 加大为 550 550 mm 650 650 mm 750 750 mm 850 850 mm 以外 其它楼层柱截面沿垂直高度基本没有变化 框 架梁的主要截面为东西纵向 X 方向 的 250 600 mm 250 700 mm 以及南北横向 Y 方向 的 300 700 mm 350 900 mm 350 1000 mm 350 1100 mm 400 1400 mm 预应力 梁 工程原设计为7 度抗震设防 三级框架 类场 地 设计地震分组第一组 设计基本地震加速度值为 0 10 g 执行 建筑抗震设计规范 12 反应谱特征周 期0 35 s 现加固设计按 抗规10 执行 取8 度抗震 设防 类场地 设计地震分组第二组 反应谱特征 周期0 4 s 设计基本地震加速度值为0 20 g 4 2 主体结构力学性能分析 经抗震鉴定 该工程地面以上部分结构的混凝 土实测强度推定值达到原设计强度 且房屋的东西 和南北向均不存在整体倾斜 通过有限元建模分析 得到初始主体结构的基本模型信息 如表3 所示 表 4给出了原结构有限元模态信息 由表3 数据可知 原结构1 5 层Y 向刚度普遍 大于X 向刚度 其原因在于X 向框架梁截面尺寸普 遍小于Y 向梁 且结构存在许多大空间的展览室和 会议室 纵墙 X 向 有很多大窗户及玻璃幕墙 第5 层 因此在结构加固中应特别注意和解决X 向刚度 表 3 8 度地震作用下初始主体结构模型信息 Table3 Structural information under intensity8 层 号 层 高 m 集中 质量 t X 向 东西纵向 Y 向 南北横向 刚度 kN mm 1 剪力 kN 位移角 rad 刚度 kN mm 1 剪力 kN 位移角 rad 6 3 0 3448603971 2920693455 1 2163 5 4 8 144935920041 8104382318 1 791 4 3 6 129057928841 6868623379 1 801 3 3 6 115958235421 5688874192 1 664 2 3 6 123259341241 4989064890 1 581 1 4 6 126052345671 5117355395 1 539 411 第4 期张 超等 消能减震技术用于C 类框架学校建筑提高一度抗震设防加固的探讨 表 4 原结构有限元模态信息 Table 4 The FEM model information of the bare structure 阶数 平动 系数X 平动 系数Y 扭转 系数 周期 s 10 990 000 011 15 XZ 面振动 20 020 010 970 97 Z 轴扭转 30 000 990 010 95 YZ面振动 40 990 000 010 38 XZ 面振动 50 000 900 100 34 YZ面振动 60 020 100 880 34 Z 轴扭转 较弱的问题 对原结构的抗震分析表明 在8 度多遇 地震下 框架底部1 2 层的楼层位移角不满足规范 1 550 的限值要求 且柱子按三级框架抗震等级 8 度设防地震力 设计的配筋计算值大部分均超过其 实际配筋值 包括1 5 层 其中底层框架柱的纵筋 最大超过149 箍筋最大超过121 在这种情况 下 若采用传统加固方法 需大范围补强梁柱等构 件 加固工作量极大 基于此 为了不大面积破坏既 有结构装修和改变建筑布局 本工程期望通过合理 配置消能部件 此处选用了黏滞阻尼器 并对少部 分框架梁柱及其节点进行增强处理 从而达到提高 一度抗震设防的加固目标 此外 依据地震波选取原则并经分析数据对比 验证 本工程地震反应的输入选用了拟合国家建筑 抗震设计规范反应谱的2 条人工时程波 对应于都 江堰场地特征周期0 4 s 以及El Centro 南北向记 录和T H2T G040 记录2 条天然波 如图3 所示 图 3 归一化时程反应谱曲线 Fig 3 Normalized time history response spectrum curves 4 3 消能减震加固方案设计 基于该工程提高一度抗震设防的加固目标 结 构附加消能部件加固后 期望层间剪力和层间位移 相应均能减小一半左右 考虑到原结构设计的安全 余量 对于层间剪力的控制也可稍微放宽 由此根 据能量方法近似估算出结构加固所需附加的等效阻 尼比为18 而后按中震工况计算结构相应楼层的 设计期望阻尼力 从而确定附加阻尼器的数量 并设 定阻尼系数 速度指数 支撑刚度等性能参数 值得 一提的是 该工程考虑到X 向结构刚度较小 因此 在消能减震加固设计中有针对性地放大了X 向阻 尼器的配置数量 目的在于更好地发挥阻尼器的减 震耗能效果 并期望通过阻尼器支撑提供的等效静 力刚度来进一步改善原结构的刚度分布状况 如表 5所示 结构1 5 层共增设黏滞阻尼器 56 个 各楼 层的黏滞阻尼器组合消能支撑的平面布置如图4 所 示 表 5 拟附加阻尼器的信息 Table5 Information of additional dampers 层 号 层 高 m X 向Y 向 黏滞阻尼器 个 型号 水平阻尼 力 kN 黏滞阻尼器 个 型号 水平阻尼 力 kN 54 84 B 斜撑 16804 A1200 43 68 A24004 B2400 33 68 A24004 B2400 23 6 4 B 4 A36004 C3600 14 68 B48004 C3600 注 本工程1 5 层全部采用黏滞阻尼器 支撑型式除注明外均为人 字形支撑 图4 1 5 层黏滞阻尼器组合消能支撑布置 Fig 4 Viscous damper combination braces layout schematic diagram on 1st 5thfloor 该工程所采用的消能减震支撑为黏滞阻尼器组 合消能支撑 主要由黏滞阻尼器和铅芯叠层橡胶支 座组合构成 其中黏滞阻尼器选用国内某产品 其性 能参数为 A 型 0 18 Cv 150 kN mm s B 型 0 18 Cv 300 kN mm s C 型 0 18 Cv 450 kN mm s A B C 型阻尼器的设计出 力分别为 300 600 900 kN 在期望速度 100 mm s 下 阻尼器活塞自由行程要求 120 mm 隔震橡胶 支座的尺寸规格应与阻尼器支撑型号相匹配 支座 外形尺寸为 250 250 126 mm 铅芯直径为 412 防 灾 减 灾 工 程 学 报 第32 卷 60 mm 橡胶外径为200 mm 具体的力学参数取为 屈服前刚度ku 4 37 kN mm 屈服后刚度ku 0 55 kN mm 水平屈服力 y 24 kN 有效刚度keq 0 92 kN mm 屈服前后刚度比为0 125 剪切弹性模量为 G6 型 0 55 N mm 2 剪切刚度为 G6 型 0 72 kN mm 选用的人字形支撑型号尺寸为型钢H440 300 11 18 mm 以及预加工型钢 H700 310 250 14 22 mm 和热轧型钢 H340 250 9 14 mm 的组合 斜支撑型号尺寸为型钢H250 250 9 14 mm 支撑材质均为Q235b 4 4 减震控制效果分析 按抗震设计规范要求采用时程分析法 分析消 能减震结构的地震响应控制效果 考虑到软件计算 中进行了周期折减 对时程分析中的输入峰值加速 度进行相应放大 即7 度小震取35 gal 1 22 7 度中 震取100 gal 1 22 7 度大震取220 gal 8 度小震取 70 gal 1 22 8 度中震取 200 gal 1 22 7 度大震 取400 gal 结构弹性阻尼比取5 按ST 0 和ST1 两 种结构状态进行小震 中震及大震工况下的比较分 析 其中 ST0 表示待加固的无控主体结构 ST 1 表 示增设消能减震装置的有控结构 分析中对于小 中 震工况 假定结构保持弹性状态 并忽略结构可能出 现的因轻微损坏而导致的刚度退化 大震工况采用 前述的简化计算方法 如此可得相应的时程分析结 果对比情况 见图5 图6 显然 由于前述结构Y 向刚 度大于X 向刚度的缘故 导致Y 方向吸收的地震力 也明显大于X 方向的地震力 结果显示 在8 度地震 作用下 消能减震加固的ST 1 模型相对于无控的 ST 0 模型而言 有效地控制了结构的地震响应 并获 得了更好的抗震安全性能 进一步分析可知 8 度小 震下ST 1 模型的柱子剪力相对于7 度小震下ST 0 模 型的柱子剪力略有增加 而在中震 大震工况下 两 者就比较接近 这充分说明结构采用消能减震加固 后 其提高一级设防的强度要求被控制接近于既有 抗震能力 与此类似 ST 1 8 度 的层间位移角相对 于ST 0 7 度 在小震下略有增加 中震 大震下彼此 接近 但都分别远远低于小震 1 550 大震 1 80 的规范限值和中震 1 200 的性能要求 根据主体结构与消能部件的地震响应 可计算 出该工程附加消能减震装置所提供的等效阻尼比 小震下 X 向25 Y 向21 中震下 X 向 18 Y 向15 大震下 X 向14 Y 向12 需要说明的 是 由于本工程的加固设计部分利用了原结构设计 的安全余量 致使设计阻尼器的实际附加阻尼比在 中震下略低于18 的预估值 从而在大震工况下可 以提供更大的耗能能力和抗震安全空间 此外 通过 查验阻尼器的耗能情况 发现在小震和中震下的滞 回曲线均相对饱满 这说明阻尼器在地震作用下发 挥了应有的作用 耗能性能良好 图5 楼层层间剪力控制对比 Fig 5 Comparison of the controled story shear forces 413 第4 期张 超等 消能减震技术用于C 类框架学校建筑提高一度抗震设防加固的探讨 图6 楼层层间位移角控制对比 Fig 6 Comparison of the controled story drift ratio 4 5 弹塑性变形验算 依据前面有关附加等效阻尼比的计算 消能减 震加固有控结构 ST 1 在大震工况下 由消能部件 所附加的等效阻尼比可偏安全地取为 12 再加上 结构本身提供的弹性阻尼比 5 则大震工况下结 构总的等效弹性阻尼比可近似取为17 考虑到现 有软件对于大震工况计算的不稳定性 在实际工程 中为简化计算 有时也近似按中震工况下消能部件 的附加等效阻尼比合理折减后再加上结构自身5 的弹性阻尼比作为结构总的等效阻尼比 同时忽略 黏滞阻尼器的静力刚度贡献 进行弹塑性分析 有关 ST0 与ST1 在8度罕遇地震作用下的弹塑性分析结 果对比如表6 所列 表6 静力弹塑性分析结果对比 Table 6 Comparison of elastic plastic analysis results 地震 作用 方向 ST0 8 度 ST1 8 度 结果对比 基底剪 力Q1 kN 位移 角R1 rad 基底剪 力Q2 kN 位移 角R2 rad Q2 Q1 Q1 R2 R1 R1 X向 11 2831 7610 1601 96 9 95 20 83 Y 向13 3141 9311 970 1 116 10 10 19 83 显然 从表中可以看出 相对于无控结构 有控 结构的性能点最大基底剪力减少了 10 左右 最大 层间位移角减少了20 左右 且均小于抗震规范 文 献 1 针对采用消能减震技术加固的RC 框架结构 的弹塑性层间位移角限值 1 80 说明结构附加消 能减震装置加固后 不但增加了安全延性空间 同时 也大大提高了其在罕遇地震作用下的安全性 4 6 消能部件影响评价 对于采用消能部件进行抗震加固的结构 还应 评估所附加消能部件对结构抗震性能的影响 在该 工程中 对于与阻尼器相连接的支撑连接板和梁柱 节点的强度设计 按各阻尼器设计出力值的 1 5 倍 作为外荷载标准值来进行强度校核 对于与阻尼器 支撑相连接的柱子 应考虑阻尼力对其的外力作用 效应进行内力组合和强度分析校核 经如此详细验 算 本工程现有结构柱子和相应连接杆强度均满足 相应的设计要求 4 7 抗震构造措施核查 依据4 4 节计算 该工程在8 度地震作用下有控 主体结构的地震响应与 7 度地震响应相当 因此结 构抗震构造措施也相应降低一度进行核查 即由加 固要求的9 度降低为8 度对表2 所列的抗震构造措 施条款进行逐一核查 由于该工程原结构设计留有 一定安全余量 而且在消能减震加固中对角柱 楼梯 柱 阻尼器支撑连接柱等部分柱子及梁柱节点域进 行了额外的增强处理 因此经仔细核查 加固后结构 的抗震构造措施均满足规范中关于8 度设防二级框 架的各项要求 414 防 灾 减 灾 工 程 学 报 第32 卷 4 8 工程小结 总的来说 本文实例消能减震加固结构在 8 度 地震作用下的各项抗震性能指标仍满足 抗规10 的 要求 这说明待加固本体主体结构按加固设计方案 附加消能部件后 达到了提高一度抗震设防的加固 目标 5 结 语 本文针对C 类框架学校建筑提高一度抗震设防 的加固目标 研究和探讨了应用消能减震技术进行 抗震加固的可行性 并结合工程实例进行了分析论 证 得出以下结论 1 C 类框架学校建筑提高一度抗震设防的加 固工作存在诸多难点 比如提高设防等级后 结构在 多遇地震下所受的弹性地震力加倍 由此导致按原 来设计的许多结构构件难以满足新设防下的强度要 求 同时 结构 当原设防为6 时或7 度时 的抗震措 施必须按抗震等级提高2 级进行验算 如此导致结 构的构造措施要求大幅提高 以至于出现大量结构 构件达不到加固设防要求的情况 2 基于C 类框架学校建筑提高一度抗震设防加 固的难点 考虑到传统加固方法所需的加固工作量太 大 采用消能减震技术进行抗震加固不失为一种可行 的办法 其应用优势在于 消能减震加固结构可以通 过增加附加阻尼比来有效衰减输入结构的地震反应 从而实现主体结构在提高一度设防下的地震力与原 结构在原设防烈度下的地震力相接近 以满足强度验 算要求 同时 消能减震加固结构可依据加固后地震 影响系数的变化幅度 适当降低 比如降低一度或半 度 其抗震构造要求 这为大部分结构构件无需采取 加固措施即能满足抗震构造要求提供了可能性 3 消能减震加固设计除了在结构中增设消能 装置外 还需针对局部部位采取增强加固措施 比如 对与消能装置相连接的结构梁柱及节点进行外包钢 片或钢板及灌浆的加固处理 基于此 对于既有C 类 框架学校建筑提高一度抗震设防加固而言 完全可 以通过基于规范或基于性能的消能减震加固设计来 实现 并且无需过多采用其他抗震加固措施 从而避 免对现有建筑结构改动过大 减少了加固工程量 参考文献 1 GB 50011 2010 建筑抗震设计规范 S 2 GB 50223 2008 建筑工程抗震设防分类标准 S 3 中华人民共和国防震减灾法 Z 北京 人民出版社 2009 Law of the People s Republic of China on Protecting Against and M itigatingEarthquake Disasters Z Beijing People s Publishing House 2009 4 GB 50023 2009 建筑抗震鉴定标准 S 5 JGJ 116 2009 建筑抗震加固技术规程 S 6 翁大根 曾 爽 吕西林 消能减震加固措施在震后多 层框架中的应用 C 纪念汶川地震一周年地震工程 与减轻地震灾害研讨会论文集 北京 地震出版社 2009 749 757 Weng D G Zeng Sh Lv X L Application of energy dissipation technology for seismic retrofit to multi 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measures Mor