某钢筋混凝土框架增设阻尼器抗震加固分析
第29卷第3期
2007年6月
工程抗震与加固改造
EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting
Vol.29,No13
Jun.2007
[文章编号] 100228412(2007)0320065207
某钢筋混凝土框架增设阻尼器抗震加固分析
翁大根,陈廷君,吕西林,任晓崧(同济大学结构工程与防灾研究所,上海
200092)
[摘 要] 本文就一幢未考虑抗震设防的八层钢钢筋混凝土框架结构,对采用层间增设粘滞阻尼器的方法进行抗震加固作
了讨论。内容包括加固前后的抗震能力评估,大震下带有耗能装置结构的计算分析和加固设计的实施步骤。
[关键词] 粘滞阻尼器;钢筋混凝土框架;抗震加固;时程分析[中图分类号] TU35211 [文献标识码] A
AnalysisfortheSeismicRetrofitofConcreteFrameWengDa2gen,ChenTing2jun,LüXi2lin,RenXiao2song
(ResearchInstituteofStructuralEngineering&Disaster,,China)
Abstract:Inthispaper,ofa8framewithviscousdamper,includingcodeassessmentandhistoryisretrofittedbeforeandafter.Alsoitgivestheretrofitdesignplan.Keywords;concreteframe;seismicretrofit;historyanalysis
1 引言
屋纵向抗震能力的一些力学分析情况。2 建筑物概况
在早期的一些非地震设防区,采用预应力多孔板、槽型板楼面的钢筋混凝土框架结构,通常被设计成单向框架;即楼板支承方向是框架梁的布置方向,而板的长边方向(非支承边)是框架连梁方向(往往是房屋的纵向)。连梁仅作为窗过梁或仅承受轻质隔墙重量时,其高度较小且配筋较少。当设防烈度不是很高时,比如7度,这时按《建筑抗震设计规范
[1]
(GB5001122001)》进行配筋验算,房屋横向的柱子和框架梁的配筋也会基本满足强度要求,而房屋纵向的连梁配筋量和层间弹性位移角则与计算要求相差甚远。如何提高这些建筑的纵向抗震能力,传统的加固策略是在该方向设置新的抗震墙,或增加连梁的强度。前一种方法往往意味着还要进行基础加固,而后者同时意味着要加固大部分的柱子和梁柱节点。这两种加固方法都将导致建筑物在加固期间的使用不便。这时如果采用消能减震的方法,提高结构的等效阻尼,减小大震下的结构层间位移,则可能会达到较好的经济技术效果。本文就是以一个实际建筑为例,讨论采用层间增设粘滞阻尼器,提高房
某建筑物是一幢地上8层并带有一层地下室的框架结构,局部存在突出屋面的楼梯间、水厢房和电梯机房(9层)。地下室层高3180m,底板厚500mm,地下室顶板厚300mm,顶板上有0195m高的架空层。底层层高318m,2～8层层高316m,9层层高510m。基本开间为314m,房屋中部进厅部分的开间为618m。框架横向边跨为610m,中跨为210m(走道)。柱、梁现浇,楼、屋面板为120mm厚的预制多孔板。现浇混凝土设计强度为C18(200号)。全部外墙、底层内墙体、楼梯间和电梯间内墙用240mm厚75#承重多孔砖,25#砂浆砌筑。其余的内隔墙为120mm厚加气轻质粉煤灰砌块墙。大部分楼面为60mm细石混凝土找平及水磨石面层。屋面为预制多孔板上铺35mm厚200#细石混凝土,上用851防水涂料。本工程于1987年3月设计,1989年11月竣工。整个结构是横向承重,设计时未考虑抗震设防,建筑物底层、标准层平面图见图1、图2。经过现场检测,房屋倾斜不超过013%,房屋内加气砌块填充墙出现了一些1～3mm宽的斜裂缝,主要由温差收缩所致,梁、柱等结构主要构件基本完好;混凝土强度在C16
[收稿日期] 2007203212
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图1 底层结构平面布置图
图2 标准层结构平面布置图
～C20之间,砖砌体的砂浆强度为M715左右。3 按鉴定标准进行抗震鉴定
该建筑位于上海市浦东地区,属7度设防建筑,
[2]
按上海市《建筑抗震设计规程》规定,场地为Ⅳ类,反应谱特征周期019s,小震、大震地面加速度峰值分别为35gal、200gal。该楼结构为单向框架,横向为框架方向,柱子的基本截面尺寸1～3层为400mm×500mm,4～9层为400mm×400mm。大部分框架柱配筋:1～3层为6
[3]
@100。按《建筑抗震鉴定标准》或《现有建筑抗震
[4][3]
鉴定与加固规程》进行一级鉴定,除了鉴定标准的6121111条外,一级鉴定的各条基本满足。但是该房屋的纵向为连梁方向,大部分纵向连梁尺寸为250mm×300mm,A轴梁下部2
3
[3]
即单向框架应该采取措施增强其纵向抗震能力,故
[3]
该建筑应该采取加固措施。按鉴定标准的第61216条规定,本建筑可不进行第二级鉴定而直接
[3]
进行加固处理。值得注意的是,如果按鉴定标准为验算框架横向、纵向楼层综合抗震能力指数,横向β值有较大的余量,即使不计砖砌体抗剪强度,纵向β值也基本满足标准大于1的要求。出现这种情况,是因为鉴定标准中楼层抗剪承载力Vcy公式属简化公式,是假定结构是“强梁弱柱”型结构而得出的,而本房屋的纵向恰巧是“强柱弱梁”型结构。故按鉴定标准提供的楼层抗剪承载力公式并不适用该房屋纵向抗震能力评估,由此得出的评判结果也不能说明结构的真实抗震能力。4 按设计规范进行抗震能力校核
仍作结构楼面无限刚性的假定,把固定端定在架空层的下部500mm处,把突出屋面的水箱、电梯房包括在内,共为9层(为简单起见,以下只列出下
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[3]
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)。采用PMCAD、部8层的结果。SATWE软件,计算
中考虑了240砖墙20%的侧向刚度贡献;用017倍计算周期计算模态地震作用,用于考虑建筑内一些开了大洞的窗间墙、非承重隔墙的刚度对地震作用
[2]
增大的贡献。反应谱取上海抗震设计反应谱,最
计算值。从表中可以看出2～6层的层间位移角均
[1]
大于1Π550,不满足建筑抗震设计规范的层间位移角要求。构件配筋计算结果表明框架柱在横、纵向配筋和框架横向主梁配筋满足抗震要求。但框架在纵向的连梁方向纵筋与软件计算结果相差较大,实配钢筋和计算结果比较见表1。
大地震影响系数取0108。X方向振动的前3阶周期分别为:1167s、0149s、0127s。表1列出了楼层位移
2
表1 房屋纵向振动位移及连梁配筋计算比较 (cm)
层号
12345678
楼层位移
(mm)[***********]1555125916
层间位移角
(弧度)1Π24481Π799
A轴B轴C轴D轴
实配
515Π411515Π[***********]
计算
[***********]010910415
实配
[***********]
计算
[***********]415
实配
[***********]1411
计算
[***********]0415
实配
[***********]1411
计算
[***********][1**********]
5 抗震加固设计方案选择
安全地往下传递。同时,安装的阻尼器钢框架的重量相比原结构的重量轻得多,不需重新验算基础部分的承载力。根据该楼的地震响应,选择在B轴线上③～④、⑦～⑧轴线之间,C轴线上③～④、⑦～⑧轴线之间安装阻尼器消能减震支撑,这些消能减震支撑从2层～8层安装。阻尼器安装平面位置示意图见图13。阻尼器采用速度相关型的粘滞流体阻尼器,阻尼器的力学性能见文献[5,6]介绍。最后选定的阻尼器参数见表2。
表2 阻尼器参数选取层号取值阻尼力
(kN)
2～8
0118
300
Cv取值
α
(mmΠkNΠs)
考虑到尽量减少对办公楼正常使用的不利影响,加固的策略着眼于改变结构的受力体系,即增加抵抗地震作用的抗侧力构件。加固方案可在房屋的横向和纵向增加抗震墙,使得抗震墙能承担大部分地震作用,以减少原有框架承受侧向荷载的比重,使得纵向连梁不会因为屈服而断裂。由于增加了结构的重量,需要重新验算基础部分的承载力并进行必要的加固。
增设剪力墙的加固方案是传统的加固方法,是以强对强的策略,其缺点是不能降低作用在结构上总的地震作用,同时在施工期间会给现场环境带来较大破坏,且施工周期较长,给正常使用带来较多不便。而增设消能减震支撑的加固方案,是现代的抗震技术,其优点是利用阻尼器消耗掉部分输入的地震能量,减小结构的侧向变形,把结构进入弹塑性变形的部分或全部耗能,转给阻尼器耗能来代替,以减轻结构的损坏程度,从而保证大震下结构不倒塌。相对来说安装阻尼器装置的施工过程带给现场的环境破坏要小很多,通常只需要一个附属钢框架与相邻框架相连,用于把阻尼力导致支撑框架的竖向力
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器个数阻尼器总数12042共计42个
6 消能减震加固结构的地震响应分析
由于横向基本满足抗震鉴定标准要求,以下仅对房屋纵向的消能减震加固方案进行地震响应分析。与建筑设计规范一致,进行两阶段抗震验算。小震下取SATWE程序计算得出的层间刚度和质量,
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建立层串模型,考虑7度设防,地震波峰值最大加速
2
度取为1137×35cmΠs,这里乘以1137是考虑内隔墙等对刚度的贡献而要求对地震动的放大效应,其效果类似于反应谱法中的周期折减系数。大震验算时,首先通过弹塑性软件计算出无阻尼器框架的层间滞回曲线,找出其层间剪力与层间位移的骨架曲线控制点,建立层串模型,经响应试算,钢筋混凝土框架类结构拟采用多段线性塑性模型,如Pivot模型(图3),可以得到与EPDA软件的杆系弹塑性模型比较一致的结果。为了充分估计结构的抗震能力,电梯间的纵向两片砖墙也计及其抗震能力,其抗剪承载力骨架曲线采用了三线性的刚度和强度退化曲线,墙片抗剪屈服强度取值由材料的标准强度计算确定,滞回曲线形状参照了一些早期的伪静力试验结果,也取了Pivot的计算模型。取111×200cmΠs,15[2]
工时程
2
图4
小震下位移比较曲线
图5 小震下第3层阻尼力-
行程滞回曲线
图3 Pivot模型骨架曲线
(1)小震作用下计算分析
表3中的层间位移数值和图4是在小震作用下结构处于有无消能减震支撑情况下的各层位移情况。从结果的比较可以看出,层串模型无消能减震支撑结构在小震下的结果与SATWE反应谱结果接近,2～6层的层间位移角不满足结构抗震设计1Π550的要求,而加了消能减震支撑后的结构体系层
图6
小震作用下层间剪力比较图
间位移角能够满足要求。表3中数值及图6、图7是小震作用下结构处于有无消能减震支撑情况下各层的层间剪力分布、层间结构承担剪力情况,从中可以
看出,消能减震结构的层间剪力(设消能减震支撑后层间剪力是结构所受层间剪力和阻尼器力的和)
与
图7 小震作用下层间结构承担剪力比较图
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无阻尼器结构的层间剪力接近,略有减少,但是其层
间结构承担剪力明显减小。支撑承担剪力可以通过消能减震框架自平衡其水平力,竖向力可以通过附加支撑的钢框架或是增大与支撑相连处的柱截面向下传递(注:表中减小效果是消能减震支撑体系与原
结构计算结果差与原结构计算值的比值,负号表示减小)。表3中计算阻尼力表明实际的阻尼力达到最大阻尼力期望值的30%～70%,下层的阻尼力大些。典型的阻尼力与阻尼器行程的滞回曲线见图5。结构整体的附加等效阻尼比约为619%。
表3 X向小震作用下层间位移角与层间剪力(kN)比较及阻尼力(kN)情况原结构
层号
结构剪力
12345678
[***********]501500采用消能减震支撑结构
层剪力
[***********]0
位移角
1Π21671Π4591Π3541Π3711Π42911Π879
层剪力减小效果
-0117-0109-0112-0106-010-0105-0106
位移角
1Π26111Π7621ΠΠ1Π9771Π13131Π2083
位移角减小效果
-0120-166-090-0--1103-1123-1137
最大阻尼力
0191×44192×4173×4142×491×4
结构剪力
[***********]30
结构剪力减小效果
-0117-0136-0145-0143-0143-0148-0153-0156
(2)大震作用下计算分析
表4中的层间位移数值和图8是在大震作用下结构处于无、有消能减震支撑情况下的各层位移情况。从结果的比较可以看出,消能减震支撑大大减轻了结构的变形。原结构在大震情况下的层间最大位移角接近于1Π50,杆系模型的弹塑性计算表明,5层以下的连梁端头均出现塑性角;而原结构的抗震构造性能较差,连梁端头的箍筋均没有加密,这么大的层间位移角对结构的延性要求很高,结构能否具有1Π50层间位移角的延性性能,值得探讨。而加了消能减震支撑后的结构体系层间位移角最大值为1Π
80,位移角减小30%,大大增强了结构抗震安全度。
表4、图10和图11是大震作用下结构处于有无
消能减震支撑情况下各层的层间剪力分布、层间结构(柱、墙)承担剪力情况,从中可以看出,消能减震结构的层间剪力(设消能减震支撑后层间剪力是结构层间剪力和阻尼器力的和)与原结构的层间剪力接近,有些层略有增加。5层以上柱、墙承担剪力减小较明显(注:表中减小效果是消能减震支撑体系与原结构计算结果差与原结构计算值的比值,负号表示减小)。同时表4中计算阻尼力表明实际的阻尼力达到最大阻尼力期望值的60%～90%,下层的阻
图8 大震下位移比较曲线
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图9 大震下第2层阻尼力-行程滞回曲线
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尼力大些。典型的阻尼力与阻尼器行程的滞回曲线见图9。结构整体的附加等效阻尼比约为10%
。
图10
大震作用下层间剪力比较图图11 大震作用下层间结构承担剪力比较图
表
4 X向大震作用下层间位移角与层间剪力(kN)比较及阻尼力(kN)原结构
层号
结构剪力
12345678
[***********]60
层剪力
[***********]601360
位移角
11Π641Π801Π1071Π1621Π327
层剪力0101090105-[***********]17
11441Π801Π961Π1211Π1661Π2411Π3791Π792
0101-0130-0141-0147-0152-0156-0157-0159
阻尼力
0288×4274×4259×4250×4245×4231×4180×4
结构剪力
[***********][1**********]00
结构剪力减小效果
-0103-0111-0116-0127-0121-0121-0132-0140
7 最后的加固设计考虑及加固效果评价
最后的加固平面布置图见图12～图13,装有阻尼器的消能减震支撑钢框架的图示见图14。考虑到底层层高较高,为了保证底层砖砌体抗震的有效
性,把240厚的纵向砖墙实施单面或双面钢丝网面层加固,同时结合业主的房间需要把③～④轴线之间的内纵墙改为配筋混凝土墙。同时也在底层新增了3片横向内墙,原有④、⑤轴线两片内横墙进行了
图12 底层加固平面布置图
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图13 2～8
,
,图14 消能减震支撑钢框架图15 消能减震支撑钢框架照片
双面钢丝网面层加固。
2层以上纵向除了增设4个消能减震支撑钢框
8 结语
架外,还在⑥～⑦轴线之间C轴线上的电梯间外墙
增设单面钢丝网面层加固,使其成为纵向的第一层抗震防护。对于房屋横向,在⑥轴线上新砌砖抗震墙与电梯间开门墙连为一体,同时对原有④、⑤轴线两片内横墙进行了双面钢丝网面层加固,把这些抗震墙作为横向抗震的第一道防线,再增设⑤、⑥轴线上两榀消能减震支撑钢框架作为横向抗震的第二道防线。为了增强消能框架出平面的刚度,在消能支撑与梁之间还增设了橡胶支座。
从前述大震下的地震作用分析看,第2～3层的阻尼力配置显得小点,如果增大这两层的阻尼力和支撑刚度,再适当减小6～8层阻尼力的配置,就可提高附加等效阻尼比,取得更好的加固效果。
本文就一个多层钢筋混凝土单向框架增设消能支撑抗震加固的工程实例进行了介绍。与传统的抗震加固方法比较,采用增设耗能装置的方法加固,对现场的影响较小,施工周期短,一般可以不对建筑的基础进行处理,在有些情况下具有明显的优势,不失为一种有效、经济的工程手段。
参考文献:
[1] GB5001122001,建筑抗震设计规范[S][2] DGJ082922003,建筑抗震设计规程[S][3] GB50023295,建筑抗震鉴定标准[S]
[4] DGJ0828122000,现有建筑抗震鉴定与加固规程[S][5] 翁大根,卢著辉,徐斌,等.粘滞阻尼器力学性能试验
研究[J].世界地震工程,2002,18(4):30～40
[6] 翁大根,黄伟,吕西林.钢框架消能减震体系研究与工
程应用[J].建筑结构,2005,35(3):42～47
[作者简介] 翁大根(1952～),男,工学博士,研究员,主要从事地震工程研究。E2mail:[email protected]
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