上海市某既有公共建筑減震加固設計

陳澤赳 張曉光

（1.華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002；2.上海同程建設科技工程有限公司，上海 200092）

1 項目概況

房屋位于上海市金山區時代大道888 號，建于2011年，上部結構設縫分成Ⅰ-1區、Ⅱ-1及Ⅱ-2區。其中，Ⅰ-1區為特別不規則多層結構，功能由辦公改為護理院，本文重點介紹Ⅰ-1 區的結構消能減震的改造思路。

房屋為三層現澆混凝土框架結構，南北向總長為95.8 m，東西向總長為47.2 m，建筑面積約為5 688 m2。室內外高差為0.450 m，一層層高為4.80 m，二層層高為4.20 m，三層為悶頂，屋脊標高為13.60 m。不設地下室，采用樁基礎，樁型為300 mm×300 mm的預制混凝土方樁，樁長27.0 m。樁端進入⑤2層粉質粘土層，單樁豎向承載力特征值930 kN。建筑總平面圖及建筑外觀如圖1、圖2所示。

圖1 建筑總平面圖Fig.1 General building plan

圖2 建筑外觀Fig.2 Building appearance

柱網尺寸主要為7.2 m×7.2 m，框架柱截面尺寸主要為500 mm×500 mm、φ750 mm；南北向框架梁截面尺寸主要為250 mm×800 mm，東西向框架梁截面尺寸主要為250 mm×800 mm。樓面板為120 mm，屋面板為130 mm。

建筑單體體型復雜，存在以下特征：①凹凸不規則：建筑平面兩側局部突出明顯，平面為凹形；②樓板不連續：建筑中庭部位存在樓板大開洞；③扭轉不規則：扭轉位移比大于1.2 但小于1.4。為特別不規則多層結構。

建筑抗震設防烈度為7 度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.10g，場地類別為Ⅳ類，特征周期為0.9 s?；撅L壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度為B類。

2 存在的問題及解決思路

2.1 存在的問題

本工程后續使用年限為50 年［1-2］，按C 類鋼筋混凝土房屋進行改造加固設計，本次改造主要將原建筑功能由招商中心（辦公）改為護理院，抗震設防類別由丙類調整為乙類。相應框架的抗震等級由三級調整為二級，另外根據功能需要新增電梯，樓面新增設備，局部改變分隔墻體等。

根據建筑功能的變化對原結構計算分析并復核結構整體指標及構件配筋，本結構主要存在扭轉周期比較大、框架配筋不足、部分構造措施不滿足規范要求的問題。主要原因為丙類建筑設防標準提升為乙類建筑，盡管地震作用不提高，但框架結構的抗震等級由三級提高至二級，框架梁柱的內力調整系數增大（表1），抗震等級二級的框架抗震構造上要求角柱全長加密。

表1 框架梁柱內力調整系數Table 1 Internal force adjustment coefficient of frame beam and column

因此，實際工程中需要對承載能力不足、構造不滿足規范要求的框架梁柱采用包鋼或增大截面的方式加固；同時需要調整外圍框架截面，增加框架抗扭剛度。這樣改造對建筑的外立面及原有室內的裝修破壞很大，也會使工程綜合造價提高。

2.2 解決思路

以往類似項目常采用在原結構中增設剪力墻的方式，將框架結構調整為框架剪力墻結構，框架部分的抗震等級仍可按三級設計。但增設墻體后，結構剛度和地震力均會增加，拆除和加固的工程量較大。

參照地方標準［3］和行業規程［4］的相關條文，結構在罕遇地震下的層間位移角較?。?/120），塑性發展水平較低（中度損傷以下），結構的抗震等級和抗震構造措施要求可適當降低，最大降低程度可達1 度。本文擬采用設置黏滯阻尼器（簡稱VFD）/粘滯阻尼墻（簡稱VFW）的消能減震設計，通過布置消能器增加結構附加阻尼比，從而提高整體抗震性能，減小結構地震反應。

本工程在不同地震水準下的抗震性能目標為：

（1）多遇地震下通過設置黏滯阻尼器（墻），盡量減小原結構的加固工程量。

（2）設防地震下，適當提高結構的抗震性能，使結構滿足性能水準3（抗彎不屈服，抗剪彈性）的要求。

（3）罕遇地震下，適當提高位移角限值至1/120 以降低框架抗震等級及框架柱配箍率要求［3-4］。通過檢驗結構的塑性發展性能，使整體結構滿足罕遇地震不倒的同時，大幅改善結構構件的塑性發展情況。

性能設計的主要參數見表2。

表2 性能設計主要參數Table 2 Main parameters of performance design

2.3 消能減震方案

結合建筑室內平面布置，阻尼器在典型樓層的設置如圖3所示，消能構件主要參數詳見表3。

表3 消能構件主要參數Table 3 Main parameters of energy dissipation components

圖3 標準層消能構件布置Fig.3 Layout of energy dissipation components in standard floor

3 減震彈性分析

3.1 基于復模態的振型分解反應譜法

程采用PKPM6.1版，進行多遇地震下基于復模態振型分解反應譜法的等效彈性迭代計算。PKPM軟件中標準層消能構件布置如圖4所示。

圖4 PKPM軟件中標準層消能構件布置Fig.4 Layout of energy dissipation components of standard floor in PKPM

通過迭代計算，得到X方向和Y方向的等效總阻尼比分別為14.3%和9.8%。主要計算結果詳見表4。

表4 等效彈性計算結果Table 4 Equivalent elastic calculation results

從計算結果可以看出，減震后結構X和Y方向的基底剪力分別為減震前的0.66 和0.78。X向地震力降低約34%，附加阻尼比為9.3%；Y方向地震力降低約22%，附加阻尼比為4.8%。

3.2 多遇地震彈性時程分析

采用SAUSAGE2021 進行多遇地震下的時程分析，質量及周期校核見表5，兩個分析模型質量和周期相差較小。

表5 質量及周期校核Table 5 Comparison of mass and period

時程分析地震波的選取考慮場地類別、頻譜特性、加速度有效峰值、持續時間及震源機制等方面，在上海地區Ⅳ類場地、特征周期為0.9～1.1 s的地震波庫中選取，經試算選擇三條地震波：RH2TG090（人工波），SHW2（天然波1），TH4TG090（天然波2）。3 組波的反應譜與規范譜、各組波的平均譜與規范譜在結構周期T1～T3點的地震影響系數的相對誤差不大于20%。

基底剪力、層間位移角的計算結果見表6、表7，從計算結果可以看出設置黏滯阻尼器（墻）后，結構最大層間位移角減小至1/1 030左右。

表6 多遇地震彈性時程分析基底剪力Table 6 Base shear force in elastic time history analysis under frequent earthquakes

表7 多遇地震彈性時程分析層間位移角Table 7 Inter story displacement angle in elastic time history analysis under frequent earthquakes

附加阻尼比的計算結果見表8，圖5 為SHW2波X向多遇地震時程分析下的能量圖。通過設置黏滯阻尼器（VFD）和黏滯阻尼墻（VFW），可為結構提供4.6%～6.9%的附加阻尼。

表8 附加阻尼比計算結果Table 8 Calculation results of additional damping ratio %

圖5 SHW2波X向多遇地震時程分析能量圖Fig.5 Energy diagram in X-direction frequent earth-quake time history analysis of SHW2 wave

以SHW2（天然波1）X向時程下黏滯阻尼器的工作狀態為例，典型黏滯阻尼器VFD、VFW 的滯回曲線如圖6 所示?？梢婐枘崞髟谛≌饡r程分析工況下的工作狀態正常，滯回曲線飽滿，有效消耗了輸入結構的地震能。

圖6 SHW2波X向多遇地震下阻尼器滯回曲線Fig.6 Damper hysteresis curve in X-direction frequent earthquake time history analysis of SHW2 wave

對比基于復模態的振型分解反應譜法，可以看出兩者的結果不完全一致。等效彈性迭代計算的X方向基底剪力減震系數0.66，小于時程分析法計算的0.80～0.82；附加阻尼9.3%，大于時程分析法的4.6%～5.7%；Y方向基底剪力減震系數0.78，略大于時程分析法計算的0.69～0.75；附加阻尼4.8%，略小于時程分析法的6.4%～6.9%。分析原因可能是實際結構在地震力作用下各樓層阻尼器不能同時達到最大出力和位移，采用等效彈性的迭代計算會過大估計這種附加阻尼作用，采用基于時程分析的方法更接近阻尼器的真實受力狀態。

4 減震彈塑性分析

減震設計應分析結構在設防及罕遇地震作用下的反應，滿足性能化設計要求。由于本單體第一周期T1＜Tg=0.90 s，本節仍選用前述地震波進行設防和罕遇地震下的彈塑性時程分析。

4.1 設防地震彈塑性時程分析

層間位移角結果見表9，設防地震下，結構樓層最大層間位移角為1/252。

表9 設防地震彈塑性時程分析層間位移角Table 9 Inter story displacement angle in elastoplastic time history analysis under fortification earthquakes

以SHW2（天然波1）X向時程下阻尼器（墻）的工作狀態為例，典型VFD、VFW 的滯回曲線如圖7所示。

圖7 SHW2波X向設防地震下阻尼器滯回曲線Fig.7 Damper hysteresis curve in X-direction seismic fortification elastoplastic time history analysis of SHW2

附加阻尼比的計算結果見表10，圖8 為SHW波X向設防地震時程分析下的能量圖。粘滯阻尼器（墻）設防地震下可為結構提供2%左右的附加阻尼。主體結構自身的塑性發展水平較低，彈塑性阻尼為0.4%左右。

表10 附加阻尼比計算結果（%）Table 10 Calculation results of additional damping ratio（%）

圖8 SHW2波X向設防地震時程分析能量圖Fig.8 Energy diagram in X-direction fortification earthquake time history analysis of SHW2 wave

4.2 罕遇地震彈塑性時程分析

對減震模型與非減震模型進行罕遇地震彈塑性時程分析，兩個模型的層間位移角結果見表11，罕遇地震下的最大層間位移角由非減震模型的1/56 最低減小到1/122，滿足本工程預設的1/120的要求。

表11 罕遇地震彈塑性時程分析最大層間位移角Table 11 Inter story displacement angle in elastoplastic time history analysis under rare earthquakes

以SHW2（天然波1）X向時程下各類型消能構件的工作狀態為例，典型VFD、VFW 的滯回曲線如圖9 所示。由圖可知，在大震時程工況下，耗能型支撐和黏滯阻尼器（墻）滯回曲線飽滿，充分發揮了減震裝置的耗能作用，有效消耗了地震能量。

圖9 SHW2波X向罕遇地震下消能構件滯回曲線Fig.9 Damper hysteresis curve in X-direction rare earthquake elastoplastic time history analysis of SHW2 wave

附加阻尼比的計算結果見表12，圖10 為SHW2波X向罕遇地震時程分析下的能量圖，黏滯阻尼器（墻）罕遇地震下可為結構提供2%左右的附加阻尼。結構自身的塑性發展水平有所降低，彈塑性阻尼由非減震模型的1.0%降低為0.6%。

圖10 SHW2波X向罕遇地震時程分析能量圖Fig.10 Energy diagram in X-direction rare earthquake time history analysis of SHW2 wave

圖11 為SHW2 波X 向罕遇地震下減震模型與非減震模型的性能指標。從圖中可以看出，通過設置VFD 和VFW，梁柱構件損傷情況得到改善，大部分為輕度損壞，中度損壞構件僅為2.7%，未出現重度或嚴重損壞，與非減震模型的中度與重度損壞構件25%相比，抗震性能得到較大的改善。

圖11 SHW2波X向罕遇地震下框架性能指標Fig.11 Performance index of frame in X-direction rare earthquake of SHW2 wave

5 減震實施

對結構采用消能減震前后的受力進行對比分析，發現消能子結構的受力有所增加，并需要適當提高其抗震性能至性能3（中震抗彎不屈服，抗剪彈性）。但其他位置的受力和計算配筋減小，原結構的配筋及承載力基本能滿足要求。消能子結構梁柱需要進行加固，但其他位置基本無法加固。

由于結構在罕遇地震下的層間位移角為1/122，塑性發展水平較低，結構的抗震等級和抗震構造措施要求可仍按三級設計，綜合考慮建筑外立面及室內裝修的較少破壞，建筑的總體造價降低。

圖12為典型VFD和VFW的施工照片。

圖12 消能減震構件施工照片Fig.12 Construction picture of energy dissipation and shock absorption components

6 結論

本文介紹了消能減震分析在某既有建筑改造設計中的應用，得到如下結論：

（1）通過等效彈性迭代計算和小震時程分析，黏滯阻尼器（墻）工作狀態良好，可有效發揮其耗能作用，可為主體結構提供5%左右的附加阻尼比。

（2）由于實際結構在地震力作用下各樓層阻尼器不是同時達到最大出力和位移，采用等效彈性的迭代計算會過大估計這種附加阻尼作用，采用基于時程分析的方法更接近阻尼器的真實受力狀態。

（3）通過設置消能構件，罕遇地震下結構自身的塑性發展水平非常低，彈塑性阻尼約為0.6%，最大層間位移角僅為1/122。梁柱構件大部分為輕度損壞，少量為中度損壞，未出現重度或嚴重損壞，有效保護了主體結構的安全。

（4）設置減震構件后，消能子結構的受力有所增加，但其他位置的受力和計算配筋減小。由于結構在罕遇地震下的層間位移角減小，塑性發展水平較低，結構的抗震等級和抗震構造措施要求可仍按三級設計，綜合考慮建筑外立面及室內裝修的較少破壞，建筑的總體造價降低。

因此，在既有建筑結構的改造加固設計中，可以在結構的特定部位裝設某種裝置或機構（如消能器、消能支撐等），利用這些減震裝置的耗能來減小結構的動力響應，從而使結構在地震作用下的動力響應（如加速度、速度、位移等）得到合理控制。消能減震可避免大量的構件加固工作，節約工程量，縮短結構工期，并確保結構的安全。