壁式粘弹性阻尼器在加固改造工程中的应用

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摘要：文章以北京某中学教学楼为例，介绍了通过在框架结构中布置粘弹性阻尼器进行消能减震的方法，提高结构的抗震性能，适当降低主体结构的抗震构造要求，减少了抗震加固的工程量，同时壁式粘弹性阻尼器可布置于建筑隔墙中，对建筑立面以及建筑使用功能几乎无影响。

关键词：壁式粘弹性阻尼器；基底剪力；抗震构造；加固改造工程；建筑隔墙 文献标识码：A

中图分类号：TU352 文章编号：1009-2374（2017）03-0120-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.03.053

1 概述

从2009年6月开始，北京市要求各区县、各有关部门认真做好校舍抗震加固改造和综合防灾能力建设工作，全面改善全市中小学校舍安全状况。随着《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）等新规范的陆续颁布及实施，部分建筑的抗震设防类别已由标准设防类（丙类）提高到重点设防类（乙类），北京市绝大多数幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂的结构设计已不再满足现行规范的要求。

本文中，需要抗震加固的为北京某中学的教学楼，建筑平面呈L型，建筑面积3853m2，建筑高度15.23m，分为两个结构单体，为地上四层的现浇混凝土框架结构。该楼在1989年时按标准设防类（丙类）进行设计，框架的抗震等级为二级。按现行规范，当抗震设防类别提高为重点设防后，框架抗震等级提高为一级，构件的截面内力设计值相应增大，进一步保证了“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的概念设计，主要体现在：（1）框架柱端及底层柱下端的弯矩增大系数由二级的1.5提高为一级的1.7；（2）框架梁端的剪力增大系数由1.2提高为1.3；（3）框架柱的剪力增大系数由1.3提高为1.5等。

同时，框架抗震构造措施要求也相应提高，有些要求甚至是规范中的强制性条文，主要体现在：（1）框架梁端计入受压钢筋的混凝土受压区高度和有效高度之比由不大于0.35降低为0.25；（2）框架梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比值，除按计算确定外，由不小于0.3提高为0.5；（3）框架梁、柱的箍筋最小直径由8mm提高为10mm；（4）框架柱的轴压比限制由0.75降为0.65；（5）框架柱截面纵向钢筋的最小配筋率提高了0.2%等。

参考原设计图纸以及工程质量检测鉴定报告，计算发现几乎所有的结构构件都需要抗震加固，集中体现在框架梁、柱的箍筋不满足最小直径要求，部分框架柱轴压比超限以及纵筋配筋率不满足最小配筋率要求。考虑到该中学的教学任务，加固工程只能在暑假期间进行，工期必须保证在两个月以内，本工程综合比较了多种加固方案，决定采用消能减震的方法。

经过对国内国外的效能减震装置市场的考察，本工程选用日本生产的壁式粘弹性阻尼器TRC500T-10（如图1），阻尼器高度为1360mm，宽度为800mm，厚度仅为240mm。粘弹性材料封装在固定于上下楼层梁间的钢板中间，通过利用框架结构的层间变形，粘弹性材料发生剪切变形，将建筑物的振动能量转换成热能，从而减小或抑制结构的振动。实验表明，该阻尼器力学性能的温度依存性和频率依存性较小，在小位移和大位移下都有稳定的耗能能力，有较高的减衰性能。

TRC500T-10型阻尼器的粘弹性材料体厚度为10mm，允许的最大剪切变形为300%，最大设计位移为30mm，最大设计阻尼力为500kN。环境温度20℃，结构基本频率1Hz时，阻尼器基本性能参数如表1。

工程在教学楼各层中布置TRC500T-10型阻尼器，在满足建筑功能、不破坏建筑外立面的前提下，优先布置在结构层间位移较大的位置，同时考虑结构刚度的协调性。通过反复调整阻尼器的布置方式，最终在首层布置5个阻尼器，二层布置4个阻尼器。

2 利用房屋建筑结构分析与设计软件ETABS进行抗震验算

本工程利用美国CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设计软件ETABS进行抗震验算。结构整体验算时考虑阻尼器在地震作用下的消能减震作用，同时利用软件中的钢筋混凝土框架设计模块，对带有阻尼器的整体结构进行了构件承载力验算，与原设计配筋进行比对。教学楼的结构计算模型如图2、图3所示：

抗震分析计算时，模型依照原设计图纸建立，荷载按照检测鉴定报告施加，粘弹性阻尼器的计算分析模型采用voigt模型，即等效刚度和等效阻尼模型，在上下框架梁之间设置并联的弹簧单元与阻尼单元，并注意阻尼器局部坐标与整体坐标的相互关系。

计算表明，在多遇地震作用下，设置粘弹性阻尼器后的结构周期比、位移比、剪重比、层间位移角等均满足现行规范要求。通过对抗震概念设计的理解以及和该工程外审单位的沟通，认为《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）12.3.8条及条文说明中提到的地震影响系数可以用结构的基底剪力指标来表示，消能减震后X向与Y向的基底剪力小于非消能减震时的50%，结构抗震性能显著提高。

罕遇地震作用薄弱层的弹塑性变形验算模型假定为：采用刚性楼板假定；所有梁单元具有杆端刚域，其刚域长度统一取为梁柱节点区推进100mm计算；柱单元考虑双向弯曲和轴向伸缩非线性变形；X、Y方向分别采用与设计地震力相似的荷载分布对各楼板施加渐增水平静荷载进行推覆分析，顶部最大水平绝对位移300mm。

X向罕遇地震弹塑性分析中，需求谱和能力谱能相交于设防烈度地震性能控制点，该点所对应的结构顶点位移为69.3mm，此时结构基底剪力约为7024kN，最大层间位移角出现在第1层，为1/162；Y向地震作用下，设防烈度地震性能控制点所对应的结构顶点位移为53.62mm，此时结构基底剪力约为6066kN。结构顶点位移为53.62mm时结构各层最大层间位移角出现在第2层，为1/225，均满足现行规范要求。表明该结构在发生8度罕遇地震时，不会发生结构坍塌破坏。

3 结语

经过结构计算分析与设计以及工程实际的检验，壁式粘弹性阻尼器对框架结构提供的等效阻尼和等效刚度能有效的减小地震作用，提高结构的整体抗震性能，并可适当减小结构的抗震构造措施的要求，有利于减小加固工程量，缩短施工工期，与传统的加固方法相比，也具有较好的经济性。

参考文献

[1] 赵刚，潘鹏，钱稼茹，林劲松.粘弹性阻尼器大变形

性能实验研究[A].第十三届高层建筑抗震技术交流会

论文集[C].2011.

[2] 建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）[S].北京：中

国建筑工业出版社，2010.

作者介：章伟（1983-），男，江苏苏州人，北京建院约翰马丁国际建筑设计有限公司结构工作室副主任。