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摘要：以某工業(yè)建筑改造加固為醫(yī)療建筑為例，介紹了采用框架-粘滯阻尼器（VFD）消能減震。采用SATWE進(jìn)行多遇地震下反應(yīng)譜分析和配筋設(shè)計，根據(jù)性能目標(biāo)使用SAUSAGE進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的小震、大震下彈性時程、彈塑性時程分析。對比阻尼器設(shè)置前后整體結(jié)構(gòu)的動力特性、強(qiáng)度及層間位移的變化，分析該工程采用消能減震設(shè)計的有效性。

關(guān)鍵字：框架-粘滯阻尼器；彈塑性時程分析；有效性

0前言

既有建筑原使用功能為工業(yè)廠房，底部四層為工業(yè)廠房，上部以實(shí)驗(yàn)與辦公為主，框架與核心筒的抗震等級均為二級。現(xiàn)將其改造成醫(yī)療建筑，根據(jù)規(guī)范及地方管理規(guī)定三級醫(yī)院醫(yī)療建筑抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為重點(diǎn)設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震措施，故抗震等級應(yīng)在原有基礎(chǔ)上提高一級，為一級。原設(shè)計的抗震構(gòu)造措施已無法滿足一級抗震的要求，應(yīng)采用消能減震技術(shù)，將抗震構(gòu)造措施降低一度，使已有構(gòu)造措施能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。消能減震設(shè)計是在地震作用下，結(jié)構(gòu)通過消能減震裝置產(chǎn)生摩擦、彎曲(或剪切、扭轉(zhuǎn))彈塑(或黏彈)性滯回變形來吸收或耗散地震對結(jié)構(gòu)的作用，從而減小主體結(jié)構(gòu)吸收的地震力，降低結(jié)構(gòu)變形量，提高結(jié)構(gòu)抗震能力，確保主體結(jié)構(gòu)的安全。

1工程概況

本工程位于合肥地區(qū)，建于2014年，由A、B兩個框架-核心筒塔樓，中間設(shè)置3層裙房，建筑連成一體，結(jié)構(gòu)采用防震縫隔開，形成三個獨(dú)立的單體。主樓結(jié)構(gòu)形式為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)22層，1~3層高均為5.2m,3層以上層高均為3.6m，地下室層高4.8m，建筑總高度為83.65m。樓蓋采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為核心筒采用樁基+筏板基礎(chǔ)，外框架采用樁基承臺。該樓的結(jié)構(gòu)安全等級為一級，抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），第一組，特征周期為0.35s，根據(jù)地勘確定場地類別為Ⅱ類，混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，抗震設(shè)防類別為乙類，框架、核心筒抗震等級均為一級。當(dāng)?shù)亍蛾P(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)全市房屋建筑工程抗震管理的通知》規(guī)定要求提高一檔計算地震作用，故本項(xiàng)目按7度（0.15g）進(jìn)行地震作用計算。并采用設(shè)置消能減震裝置的措施降低1度抗震構(gòu)造措施。結(jié)構(gòu)計算分析采用SATWE進(jìn)行多遇地震下反應(yīng)譜分析，使用SAUSAGE進(jìn)行彈性時程、彈塑性時程分析。兩者相互比較，論證，確定結(jié)果的合理性及有效性。

2方案選擇

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱：抗規(guī)）規(guī)定：現(xiàn)有主體結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施不能滿足要求，采用消能減震措施提高其的抗震性能，抗震構(gòu)造要求可以按規(guī)范規(guī)定適當(dāng)降低。如何實(shí)現(xiàn)降低一度的目標(biāo)，根據(jù)抗規(guī)12.3.8條說明，當(dāng)采用消能減震措施的結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)不到未采用消能減震結(jié)構(gòu)的50%時，抗震構(gòu)造可降低一度。給消能減震提出明確的設(shè)計目標(biāo)，針對本工程即將框架與核心筒的抗震等級從一級降至二級。結(jié)合本工程特點(diǎn)及建筑可設(shè)置的條件，消能減震設(shè)計擬采用速度相關(guān)型消能器（框架-粘滯阻尼器），其利用黏滯材料運(yùn)動時產(chǎn)生黏滯阻尼來耗散地震作用的能量。粘滯阻尼器平面主要布置在不影響建筑功能的位置，以周邊框架位置為主，立面主要布置在中間層4~17層共14層，共112個，粘滯阻尼器的平面布置圖如圖1所示。經(jīng)分析，此布置能起到有效的消能減震作用。粘滯阻尼器力學(xué)性能的主要參數(shù)：類型為VFD，阻尼系數(shù)C為125kN/(mm/s)a,阻尼系數(shù)a為0.25，設(shè)計阻尼力為470kN，設(shè)計速度采用200mm/s，極限阻尼力為492kN，極限速度為240mm/s，計算阻尼力為738kN，行程100mm。

3模型對比分析

本工程使用SATWE進(jìn)行多遇地震下反應(yīng)譜分析，使用SAUSAGE進(jìn)行多遇地震下彈性時程分析和罕遇地震下彈塑性時程分析。為保證結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的正確性及有效性，需要對SATWE和SAUSAGE兩種軟件下結(jié)構(gòu)模型的計算結(jié)果進(jìn)行校核，確保兩種軟件下結(jié)構(gòu)模型的計算結(jié)果具有一致性。在SAUSAGE的時程分析模型中，框架-粘滯阻尼器（VFD）采用速度型阻尼器模擬，分別針對其質(zhì)量和結(jié)構(gòu)周期（前三階）進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如表1~表2所示。由表1~表2可知，在SATWE和SAUSAGE兩種軟件下，結(jié)構(gòu)模型計算所得的質(zhì)量差值為1.77%和結(jié)構(gòu)周期（前三階）最大差值為2.16%，兩者差異都較小，故可以假定兩種軟件下的結(jié)構(gòu)模型基本一致。

4小震彈性時程分析

結(jié)構(gòu)多遇地震下彈性時程分析采用SAUSAGE軟件進(jìn)行補(bǔ)充計算，與SAT?WE的振型分解反應(yīng)譜法的計算結(jié)果進(jìn)行對比，主要指對底部剪力、樓層剪力和層間位移進(jìn)行分析比較。根據(jù)《抗規(guī)》規(guī)定，采用時程分析法時，地震峰值加速度采用55cm/s2。

4.1地震波的選取

按《抗規(guī)》5.1.2條要求選取的5條天然波與2條人工波，地震影響系數(shù)曲線多組時程波的平均值與振型分解反應(yīng)譜法相比，結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%，意味其在統(tǒng)計意義上相符。從工程角度分析，這樣選取也能保證時程分析的結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)安全度的最低要求。但對計算的結(jié)果也有界限要求，不宜太大，根據(jù)規(guī)定每條地震波輸入計算值不大于135%，平均值不大于120%。本工程選取七條波進(jìn)行彈塑性時程分析，其中T1（TH003TG035）、T2（TH034TG035）、T3（TH041TG035）、T4（TH068TG035）和T5（TH075TG035）為天然波，R1（RH2TG035）、R2（RH4TG035）為人工波，頻譜分析圖圖2所示。振型分解反應(yīng)譜分析與彈性時程分析結(jié)果比較如表3所示，表中比例是指各條時程曲線計算底部剪力與反應(yīng)譜法計算底部剪力的比值，從表中數(shù)值分析可看知，各條時程曲線計算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果比值最小值為74.45%，均大于65%，而七條時程曲線計算的結(jié)果平均值與反應(yīng)譜法計算結(jié)果相比為89.15%，大于80%，經(jīng)分析可知：所選取的7條地震波能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，可以用于計算分析。

4.2計算結(jié)果

①層間位移角直接反應(yīng)整體結(jié)構(gòu)的剛度，經(jīng)計算：減震結(jié)構(gòu)X方向最大位移角為1/2770，Y方向最大位移角為1/2415。而為確保高層建筑結(jié)構(gòu)具有必要的剛度，規(guī)范規(guī)定框架核心筒結(jié)構(gòu)在多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下層間位移角限值為1/800。故本工程能滿足規(guī)范要求。②樓層剪力：減震與非減震條件下樓層剪力對比圖如圖3所示。③樓層位移：減震與非減震條件下樓層位移對比圖如圖4所示。④附加阻尼比根據(jù)《抗規(guī)》第12.3.4條：計算消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，從而得到的附加阻尼比，經(jīng)計算X和Y方向附加阻尼比分別為16.2%和17.6%，在反應(yīng)譜設(shè)計中取15%的附加阻尼比。5大震彈塑性時程分析SAUSAGE軟件做大震彈性進(jìn)程分析，分析步驟：第一步，施工模擬加載；第二步，地震加載。主要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)總體變形控制和構(gòu)件性能目標(biāo)。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱：高規(guī)）第3.11節(jié)——結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計，將結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)分為四個等級，抗震性能分為五個水準(zhǔn)。五個水準(zhǔn)分別對應(yīng)的宏觀損壞程度為“完好（無損壞）、基本完好（輕微損壞）、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞”。SAUSAGE分析構(gòu)件的損壞以混凝土的受壓、受拉損及鋼材（鋼筋）的塑性應(yīng)變程度作為評定標(biāo)準(zhǔn)，與《高規(guī)》中宏觀的損壞程度存在對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。分析結(jié)果：大震彈塑性時程分析的層間位移角，減震結(jié)構(gòu)X方向最大位移角為1/290，Y方向最大位移角為1/312。規(guī)范規(guī)定框架核心筒結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下層間位移角限值為1/100。故能滿足規(guī)范要求。大震時程分析附加阻尼比計算可知，X和Y方向附加阻尼比分別為3.8%和4.2%，如表4所示。結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷情況：大震下，大部分框架梁、框架柱等關(guān)鍵構(gòu)件出現(xiàn)輕度損壞普通豎向構(gòu)件部分構(gòu)件出現(xiàn)中度損壞，耗能構(gòu)件出現(xiàn)中度損壞、部分比較嚴(yán)重?fù)p壞，結(jié)構(gòu)宏觀損壞未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，經(jīng)過修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用。子結(jié)構(gòu)驗(yàn)算：為確保消能器充分發(fā)揮作用，與消能器直接連接的主體結(jié)構(gòu)單元（框架梁、框架柱）應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計，本次設(shè)計時對消能子結(jié)構(gòu)的配筋率進(jìn)行加強(qiáng)，主要節(jié)點(diǎn)位置采用外包鋼板處理。一二層梁配筋率為1.8%，三四層為1.6%，以上各層為1.3%，一二層柱配筋率為3.5%，三四層為3.0%，以上各層為2.5%；經(jīng)計算分析可知在大震作用下消能子結(jié)構(gòu)（與消能器直接相連接的框架梁、柱）大部分均處于中等損傷，消能器子結(jié)構(gòu)的性能可以滿足大震作用下極限承載力和極限變形的要求。6結(jié)論經(jīng)過上述計算分析得到以下結(jié)論。①小震下，設(shè)置消能減震裝置的結(jié)構(gòu)X向和Y向最大位移角分別為1/2770、1/2415，滿足規(guī)范最大位移角1/800的要求；而大震下，減震結(jié)構(gòu)X向最大位移角為1/290和Y方向?yàn)?/312，滿足規(guī)范1/100的要求。②減震結(jié)構(gòu)的樓層剪力比非減震結(jié)構(gòu)減少50%以上，地震剪力與地震影響系數(shù)為線性關(guān)系，故主體結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造要求可按相應(yīng)規(guī)范規(guī)定降低一度進(jìn)行設(shè)計；經(jīng)計算，本工程粘滯阻尼器在X向附加阻尼比分別為16.2%和Y向附加阻尼比為17.6%。故粘滯阻尼器小震下為結(jié)構(gòu)附加15%的阻尼比，減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)；大震下仍處于耗能狀態(tài)，滯回曲線飽滿，耗散了大量地震作用，可以保護(hù)主體結(jié)構(gòu)安全。③大震下與粘滯阻尼器相連接的框架梁、框架柱受力及變形均小于構(gòu)件極限承載力及極限變形，滿足消能子結(jié)構(gòu)設(shè)計的性能目標(biāo)。經(jīng)過計算結(jié)果對比分析：采用框架-粘滯阻尼器（VFD）消能減震措施能提供較大的阻尼力以減少結(jié)構(gòu)振動，滿足抗震設(shè)防要求，從而達(dá)到改建加固的目的。既有工程采用消能減震技術(shù)也存在一定難度，原有結(jié)構(gòu)的梁柱配筋需要加固的較多，特別是消能子結(jié)構(gòu)設(shè)計時，規(guī)范要求提高一度計算地震作用，并且滿足罕遇地震下極限承載力和極限變形的要求，加固量較大，安全性應(yīng)引起足夠重視。

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作者:王梅芳 單位:安徽南巽建筑規(guī)劃設(shè)計院有限公司