引言

我国建筑业已进入新建与改造并行阶段，因建筑功能改变、抗震设防升级、规范修订等原因，大量既有建筑需采取抗震加固措施。增大截面、外粘型钢等传统加固方法，可在一定程度上使既有结构抗震性能满足要求，取得一定加固效果，但往往工程量大，造价高，施工困难。受现场条件限制，部分抗震措施难以实施。消能减震技术因其机理明确、效果明显、可靠度高，已被广泛应用于新建建筑工程中，近年来逐渐应用在既有建筑改造加固中（贺峰等，2015；陈越等，2020；傅友东，2020）。本文依托某地产公司售楼部改造工程，针对大量梁、柱承载力不足，主控参数超限等问题，提出在原结构中增设一定数量的黏滞阻尼器，以减小地震作用，减少加固梁、柱数量的消能减震方案，分析结构在多遇和罕遇地震作用下的时程反应，研究消能减震效果和结构抗震性能。

1.   工程概况

本工程所在地为甘肃省兰州市，结构形式为框架结构，共3层，层高分别为6.0、5.4、5.4 m，建筑面积7 051.79 m²，建造于2016年，原为售楼部，改造前2层结构平面如图1所示。

图 1  改造前2层结构平面（单位：毫米）

Figure 1.  Second floor plan of structure before reconstruction（Unit: mm）

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由于使用功能改变，将售楼部改为购物中心的一部分，改造要求如下：（1）在⑩～⑪轴与Ⓐ～Ⓕ轴包含范围内原通道处新增结构，将①～⑩轴与Ⓐ～Ⓕ轴、⑪～⑯轴与Ⓐ～Ⓕ轴包含的2个独立单体框架结构连为一体；（2）售楼部⑥～⑩轴跃层中庭部分进行封堵，形成平层；（3）为与购物中心其他部分连通，对①～③轴与Ⓓ～Ⓕ轴、⑯轴与Ⓑ～1/Ⓓ轴包含的部分范围进行扩建；（4）根据新使用功能及消防要求，原有楼梯、电梯洞口均进行封堵，拆除②～③轴与Ⓑ～1/Ⓒ轴、③～④轴与Ⓑ～Ⓒ轴、⑪～⑫轴与Ⓑ～Ⓒ轴包含范围内原楼板，新增3部楼梯；（5）在①～④轴与Ⓐ～Ⓕ轴包含范围内新增局部4层，层高5.4 m，建筑面积为410 m²，在⑤～⑯轴与Ⓑ～Ⓒ轴包含范围内新增高度为5.4 m的屋面造型。改造后2层结构平面如图2所示。

图 2  改造后2层结构平面（单位：毫米）

Figure 2.  Second floor plan of structure after reconstruction（Unit: mm）

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该建筑改造后结构布置发生较大变化，根据改造后的建筑平面，采用YJK软件进行结构设计，并根据计算结果核对原设计配筋。核对后发现原结构存在以下问题：（1）多数梁、柱配筋不满足承载力要求；（2）大量节点核心区超限，截面不满足抗剪要求；（3）首层部分柱轴压比超限；（4）主控参数和层间位移角超限。

2.   加固方案

针对该改造工程存在的问题，若全部采用传统的增大截面、外包型钢、粘贴碳纤维布等加固方法，按原设计建造的结构构件加固工作量大，施工难度大，造价高。本文针对工程特点，提出将消能减震技术与传统加固技术相结合的方案，即在改造后的结构中置入适量的黏滞阻尼器，形成消能减震体系。通过消能减震体系减小地震作用后，可大大减少加固梁、柱数量，提高结构抗震性能，降低加固费用。

本工程改造后仅y向刚度不足，相差20%左右，因此采用黏滞阻尼器为结构提供附加阻尼比，可有效降低成本。经试算，结构总阻尼比达13%（附加阻尼比为8%）时，结构主控参数指标可满足规范要求。

黏滞阻尼器属于速度相关型消能器（刘小萌等，2015），其力学关系曲线及滞回曲线如图3所示，力学公式如下：

图 3  黏滞阻尼器力学关系曲线及滞回曲线

Figure 3.  Mechanical relation curves and hysteretic curves of viscous damper

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式中，$ F $为阻尼力，$ C $为阻尼系数，v为活塞运动速度，$ \alpha $为阻尼速度指数。

为降低结构地震反应，经反复试算对比，优化调整黏滞流体阻尼器数量及位置，分别在1～3层x向布置2、5、4个黏滞流体阻尼器，分别在1～3层y向布置4、4、3个黏滞流体阻尼器，2层阻尼器平面布置如图4所示，⑫轴阻尼器立面布置如图5所示。阻尼器设计阻尼力为450 kN，阻尼系数为650 kN/(mm·s⁻¹)，阻尼指数为0.3，行程为70 mm。

图 4  2层阻尼器平面布置（单位：毫米）

Figure 4.  The layout plan of damper in second floor（Unit: mm）

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图 5  ⑫轴阻尼器立面布置

Figure 5.  Elevation plan of damper on the 12th axis

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3.   多遇地震作用下的结构抗震性能

3.1   地震波的选取

依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）第5.1.2条第3款及条文说明要求，从工程角度出发，选取2条天然波、1条人工波时程曲线进行分析。经试算，最终选择人工波ArtWave-RH4TG045 T_g（0.45）、天然波1 Chi-Chi Taiwan-05_NO_2966 T_g（0.49）、天然波2 Irpinia Italy-02_NO_298 T_g（0.49），规范谱与加速度时程曲线对比如图6所示。ETABS弹性时程分析与YJK振型分解反应谱分析的基底剪力如表1所示，其中，时程平均与反应谱基底剪力差值比x方向为13.3%，y方向为2.24%。由图6及表1可知，所选的3条地震波满足规范要求。

表 1  基底剪力

Table 1.  Time history analysis of base shear

项目	x向基底剪力/kN	y向基底剪力/kN
天然波1	4 596	4 677
天然波2	4 581	5 032
人工波	4 900	5 116
时程平均	4 693	4 942
反应谱	5 413	5 055

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图 6  设计地震动和规范设计谱对比

Figure 6.  Comparison of design ground motion spectrum and code design spectrum

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3.2   多遇地震作用下黏滞阻尼器性能分析

x、y向黏滞阻尼器滞回曲线如图7、图8所示。由图可知，多遇地震作用下黏滞阻尼器滞回曲线饱满，可较好地发挥消能减震作用。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第12.3.4条规定，采用时程分析计算得到黏滞阻尼器附加给结构的有效阻尼比，如表2所示。由表2可知，在多遇地震作用下，阻尼器可为结构提供8%的附加阻尼比。

表 2  小震时程结构附加阻尼比

Table 2.  Structure additional damping ratio of small earthquake time-history

地震方向	地震波	初始阻尼比/%	附加阻尼比/%
x向	天然波1	5	8.2
	天然波2	5	8.8
	人工波	5	9.4
y向	天然波1	5	8.9
	天然波2	5	9.7
	人工波	5	9.8

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图 7  x向黏滞阻尼器滞回曲线

Figure 7.  Hysteresis curves of viscous damper of x direction

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图 8  y向黏滞阻尼器滞回曲线

Figure 8.  Hysteresis curves of viscous damper of y direction

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3.3   消能减震效果对比

在保证结构小震弹性层间位移角和柱轴压比限值满足规范要求的前提下，采用纯传统加固方法和消能减震技术与传统加固技术相结合的减震加固方案分别进行计算，对需加固的结构构件数量进行对比，结果如表3所示。由表3可知，采用消能减震方案，需加固框架柱数量为纯传统加固方法的1/3，框架梁加固数量约为纯传统加固方法的2/5。纯传统加固方法（张波，2016）主要为增大截面法，存在大量的植筋，部分原结构构件尺寸无法满足植筋深度要求，需穿透锚固，如果施工工艺不到位，不仅达不到加固效果，而且有可能造成原结构损伤（张雅杰，2018）。加大框架梁、柱截面均对室内净空产生一定影响。本文采用的消能减震方案，可大幅度减小结构地震作用，减少加固构件数量，减少大量植筋施工对原结构产生的损伤，施工较简单，周期短，经济性较好。

表 3  传统加固方案与消能隔震方案加固构件数量表

Table 3.  The components quantity of traditional reinforced and energy dissipation reinforcement scheme

构件名称	加固方案	构件数量/根（占比/%，标高/m）
框架柱	消能减震	11（24.4，−0.050～16.800 ）
	传统加固	33（73.3，−0.050～16.800 ）
框架梁	消能减震	9（7.2，−0.050 ）	9（11.0，5.950 ）	15（12.7，11.350 ）	29（27.4，16.800 ）
	传统加固	44（35.2，−0.050 ）	34（41.5，5.950 ）	30（25.4，11.350 ）	47（44.3，16.800）

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4.   罕遇地震作用下结构时程响应分析

4.1   抗震性能目标

当前国际公认的非线性应力-应变关系（广义）如图9所示。图9中，Q为弯矩，Q_y为屈服弯矩，θ为转角。构件性能水准有3个离散的性能点，即IO（立即使用）、LS（生命安全）及CP（接近倒塌）。IO即地震后不间断运行，稍加修理后可立即使用；LS即地震后间断运行，经适当修理后可继续使用；CP即结构承载力仍下降，但地震时破坏严重，震后无法继续使用。消能减震设防目标除可满足抗震设防三水准外，还能进行结构性能化设计，提出更优化的结构加固方案和满足更高的抗震要求。本工程以《建筑结构抗倒塌设计规范》（CECS 392—2014）（中国工程建设标准化协会，2015）、《建筑工程抗震性态设计通则》（CECS 160—2004）（中国工程建设标准化协会，2004）为基础，参考美国规范ASCE41-06，制订本工程抗震性能目标，如表4所示。

表 4  抗震性能目标

Table 4.  Anti-seismic performance objectives

项目	地震动水准
	小震	大震
层间位移角	1/550	1/50
总体性能	无损坏	较严重损坏
框架梁	无损坏，OP：θ=0.0%	较严重损坏，CP：θ≤2.0%
框架柱	无损坏，OP：θ=0.0%	中度损坏，LS：θ≤1.0%；部分较严重损坏，LS：θ≤1.5%

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图 9  非线性应力-应变关系曲线和性能水准

Figure 9.  Nonlinear stress-strain relationship and performance level

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4.2   弹塑性分析模型

采用PERFORM-3D软件建立结构分析模型，如图10所示。PERFORM-3D模型与YJK模型周期、质量对比如表5所示，由表可知，PERFORM-3D模型是准确的。

表 5  结构模型质量、周期对比

Table 5.  Comparison of structural model quality and natural periods

项目	YJK	PERFORM-3D	差值/%
质量/t	10 522	10 370	–1.44
第1周期/s	1.092 4	1.100 0	0.70
第2周期/s	1.027 2	1.044 0	1.64
第3周期/s	0.972 1	0.989 1	1.75

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图 10  PERFORM-3D结构分析模型

Figure 10.  Structural analysis model of PERFORM-3D

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采用3.1节所选用的地震波，对结构进行动力弹塑性分析，通过结构、构件变形或以强度为基准的限值状态进行抗震性能评估。计算分析时采用以下假定：①刚性楼板假定；②塑性铰模拟梁、柱弯曲破坏，梁、柱分别采用M铰和PMM铰；③消能子结构梁、柱弯曲分别采用M 强度截面、 PMM 强度截面进行校核，剪切破坏采用 V 强度截面进行校核。

4.3   整体地震反应评估

图11、图12分别为最大位移曲线与最大层间位移角曲线。由图可知，罕遇地震作用下，结构顶部x、y向最大位移分别为0.221、0.225 m，x、y向最大层间位移角分别为1/51、1/54，均小于1/50，满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中弹塑性位移角限值要求。

图 11  最大位移曲线

Figure 11.  Displacement curves of maximum interlayer

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图 12  最大层间位移角曲线

Figure 12.  Displacement angle curves of maximum interstorey

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罕遇地震作用下，因局部结构构件屈服，整体结构承载力和刚度下降，但仍具备抵抗整体结构倒塌的刚度和承载能力，可保证“大震不倒”的抗震性能目标。

4.4   构件性能评估

根据弹塑性计算分析结果，统计梁、柱、子结构及黏滞阻尼器大震作用下的性能状态，在x、y向时程波作用下，顶层6道框架梁在LS性能水准下弯矩与屈服弯矩之比大于1，在CP性能水准下弯矩与屈服弯矩之比均小于1；顶层框架柱在LS性能水准下弯矩与屈服弯矩之比大于1，在CP性能水准下弯矩与屈服弯矩之比均小于1。结果表明，大震作用下，部分梁、柱进入运行控制性能段，少数进入破坏控制性能段，破坏较轻微。最大塑性变形处于有限安全性能段，小于CP性能点。

黏滞阻尼器最大位移均小于其极限位移的1/2，极限阻尼力大于最大阻尼力。罕遇地震作用下，黏滞阻尼器仍正常工作，发挥着耗能作用。x、y向时程波作用下，子结构梁弯曲应力比均小于1，最大剪力小于受剪承载力。子结构柱压弯应力比均小于0.85，最大剪力小于0.8倍受剪承载力，大震作用下极限承载力均满足要求。

5.   其余构件加固设计

根据多遇地震计算结果，对消能减震后尚需进行加固的其他构件采用传统加固法进行处理。具体做法为：（1）采用增大截面法加固轴压比超限的5根框架柱，如图13所示；（2）采用外包型钢法加固配筋不满足要求的6根框架柱，如图14所示；（3）采用外包型钢或粘贴碳纤维布法加固由于建筑功能发生变化导致配筋不满足改造后计算要求的部分梁、板构件；（4）采用增大截面法加固标高为5.950、11.680 m的Ⓑ轴、⑪～⑫轴与黏滞阻尼器相连的子结构框架梁；（5）扩建及加建部分结构构件按新建构件进行设计，新、旧构件采用植筋进行连接。

图 13  增大截面法加固框架柱

Figure 13.  Frame column strengthening with increasing section area

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图 14  外包型钢加固框架柱

Figure 14.  Frame column strengthening with externally wrapped steel section

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6.   结语

本文针对某既有公共建筑复杂改造中黏滞阻尼器的应用，通过计算分析，得出以下结论：

（1）减震结构主体框架满足罕遇地震作用下中度损伤的性能目标，子结构满足大震作用下极限承载力要求。

（2）阻尼器在罕遇地震作用下仍能正常工作，起到主要耗散地震输入能量的作用，明显减少框架梁、柱塑性耗能需求。

（3）减震后，地震作用下框架结构各性能指标均符合规范要求，抗震性能得到明显提升，大大较少加固工作量，取得良好效益。

（4）消能减震加固技术在既有工程改造或抗震加固中的应用越来越广泛，但为保证设计方案安全可靠、经济合理，设计人员需掌握规范要求及消能减震原理，以便合理选择与布置消能器。