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阅读 261 次 粘弹性阻尼器抗震加固应用研究

摘要:采用粘弹性阻尼器支撑对印钞厂框架结构进行了抗震加固设计,并利用ETABS程序对该结构进行了小震、中震和大震下弹塑性时程分析,结果表明:采用粘弹性阻尼器支撑进行加固后,对结构的自振周期影响较小,但对原结构的层间侧移角控制作用明显,尤其是交叉型阻尼器支撑,加固后的结构可满足现行规范的抗震设计要求,消能减震效果明显,有效提高了结构抗震能力,并可适当节约加固费用和加固周期。...

 粘弹性阻尼器抗震加固应用研究

石韵    张航

陕西省建筑科学研究院

   《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)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适当降低。然而,在我国实际应用中,其传统的加固思路多为通过提高结构的承载能力,延性及刚度达到现行规范的抗震要求,该方法加固效果可靠,但造成施工复杂,浪费材料等缺陷。在加固工程中适当选用合适的消能减震构件能有降低加固成本,其中阻尼器与钢支撑组合使用,与传统的加固技术相比施工工艺简单,施工周期短,适用于抗震设防烈度未达到规范要求的既有建筑,能有效改善结构的抗侧移能力及抗扭转能力,国内外工程已有不少应用实例。本文结合既有建筑特点,采用传统加固技术和消能减震加固技术相结合,使加固后结构满足现行规范抗震要求,提高结构抗震能力。

    一、工程概况

    某工程厂房建于20世纪80年代,主体结构分为A-D区四部分,总建筑面积32245m2。为钢筋混凝土框架结构。C区地上2层,局部4层,建筑平面尺寸95.4m×21.6m,主要柱网尺寸6m×7.2m,框架柱截面尺寸600mm×600mm,一层层高4.77m,二层层高5.43m,局部三层、四层高度均为3.50m。图1所示为该建筑的C区立体图。为增加其使用年限,考虑从三部分对结构进行加固设计:

 

图1 原结构立体图

    1、对不满足配筋要求的框架柱采用粘钢加固法加固;

    2、对不满足配筋要求的框架梁采用碳纤维加固法加固;

    3、为增大层间刚度,减小楼层侧移角,在结构位移较大区域设置粘弹性阻尼器支撑。

    二、粘弹性阻尼器的设置

    综合考虑经济性和适用性要求,本工程考虑在1层与2层相同位置共设置24组粘弹性阻尼器,与支撑连接,每组支撑设置4个,形成串联体系。粘弹性阻尼器的力学参数为:等效刚度K=6.75×106kN/m,最大阻尼力为3T,等效阻尼系数C=1.68×106N.s/m。

    加工时,阻尼器通过高强螺栓与支撑连接,支撑与原框架采用栓焊连接,原框架节点预设锚筋与节点板,保证节点的刚性连接,并保证在地震作用下支撑不先于阻尼器发生破坏。阻尼器支撑布置平面图选用三种不同形式的布置方案进行比较。方案1为单斜式阻尼器支撑,方案2为交叉式阻尼器支撑,方案3为人字形阻尼器支撑。

    三、采用不同形式支撑的结构分析

    利用ETABS结构分析软件对阻尼器支撑加固的框架结构减震性能进行分析。在大震下,同时考虑钢筋混凝土及粘弹性阻尼器的非线性,与未加支撑的结构一致,忽略次要构件,地震波按照双向地震输入,计算选用2条天然波和一条人工波,其中小震、中震、大震下的地震加速度最大值分别为70gal、140gal、400gal。

    1、结构自振周期

    表1给出了不同形式支撑下结构的前6阶自振周期。通过比较可以得出,增加阻尼器支撑后结构自振周期有所减小,但减小幅度并不大,阻尼器支撑的刚度对结构整体刚度的影响有限。

表1 不同形式支撑下结构自振周期对比

模态

原结构

方案1

方案2

方案3

1

2.14

2.07

2.04

2.11

2

1.96

1.75

1.66

1.76

3

1.62

1.53

1.44

1.64

4

0.66

0.65

0.52

0.58

5

0.49

0.44

0.43

0.44

6

0.29

0.29

0.25

0.27

    2、层间位移角

    地震作用下加固后结构的层间位移角分别如表2所示。因在小震和中震下原结构的层间位移角基本满足要求,这里仅给出大震下加固结构的层间位移角对比。表3反映出经过上述方法加固后结构在大震作用下的层间位移角均明显下降,三种方案加固的结构弹塑性层间位移角均小于1/50,满足《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)对结构层间位移角限值要求。其中方案2采用交叉支撑改善结构层间侧移角尤为明显,结构的层间位移角减小率为53%。结构在整个地震作用过程中,始终保持直立,未发生倒塌。其次为方案3的人字形支撑,结构的层间位移角减小率为50%,考虑原因是因为人字形支撑与竖向夹角过小,从而粘弹性阻尼器无法达到充分利用。单斜式支撑对结构层间位移角减小幅度有限,不建议采用。

表2 大震下加固结构最大弹塑性层间位移角

支撑形式

TR1

TR2

RG

X主方向

Y主方向

X主方向

Y主方向

X主方向

Y主方向

方案1

最大层位移(m)

0.091

0.088

0.075

0.087

0.064

0.066

△up/h

1/59

1/62

1/72

1/62

1/85

1/82

方案2

最大层位移(m)

0.077

0.064

0.055

0.054

0.046

0.042

△up/h

1/71

1/85

1/99

1/101

1/118

1/129

方案3

最大层位移(m)

0.081

0.076

0.061

0.067

0.055

0.051

△up/h

1/67

1/71

1/89

1/81

1/99

1/106

    3、塑性铰的发展

    图3为罕遇地震作用下交叉支撑结构中一榀框架塑性铰的发展情况。

图3 方案3结构塑性铰发展顺序

    图3中看出:

    经过加固后的结构在罕遇地震作用下,结构中、上部楼层连梁首先屈服,随着地震作用的持续,下部楼层连梁也逐渐进入屈服状态,并得以充分发展。由于框架梁的屈服耗能作用,使框架柱得以较好的保护,未达到受压屈服状态。底部少数柱脚在后期出现一定程度的受拉出现塑性绞的情况,但大部分底层框架柱整个地震作用过程中并未屈服,可以认为框架柱仍保持良好的受力状态。同时也表明,通过设置粘弹性交叉支撑并辅助采用传统加固方法对结构进行加固可以有效改善框架柱的受力性能。

    四、结论

    1、对印钞厂主体结构通过设置粘弹性支撑并辅助采用传统加固方法进行加固,并对加固前后的受力情况进行分析表明,采用该方法可有效降低结构的层间侧移角,优化结构的塑性铰发展顺序。从而提高结构整体的抗震性能。

    2、交叉支撑对该结构抗震性能改善尤为明显,其中大震作用下层间位移角减小比率为53%,明显优于单斜杆支撑和人字形支撑;

    3、粘弹性阻尼器支撑的设置对结构整体刚度有一定贡献,但贡献程度不大。

(本文来源:陕西省土木建筑学会   文径网络设计项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑   刘真 文径 审核)

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