改建高层建筑减震分析
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摘要：以某工业建筑改造加固为医疗建筑为例，介绍了采用框架-粘滞阻尼器（VFD）消能减震。采用SATWE进行多遇地震下反应谱分析和配筋设计，根据性能目标使用SAUSAGE进行整体结构的小震、大震下弹性时程、弹塑性时程分析。对比阻尼器设置前后整体结构的动力特性、强度及层间位移的变化，分析该工程采用消能减震设计的有效性。
关键字：框架-粘滞阻尼器；弹塑性时程分析；有效性
既有建筑原使用功能为工业厂房，底部四层为工业厂房，上部以实验与办公为主，框架与核心筒的抗震等级均为二级。现将其改造成医疗建筑，根据规范及地方管理规定三级医院医疗建筑抗震设防类别应划为重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施，故抗震等级应在原有基础上提高一级，为一级。原设计的抗震构造措施已无法满足一级抗震的要求，应采用消能减震技术，将抗震构造措施降低一度，使已有构造措施能满足现行规范要求。消能减震设计是在地震作用下，结构通过消能减震装置产生摩擦、弯曲(或剪切、扭转)弹塑(或黏弹)性滞回变形来吸收或耗散地震对结构的作用，从而减小主体结构吸收的地震力，降低结构变形量，提高结构抗震能力，确保主体结构的安全。
1工程概况
本工程位于合肥地区，建于2014年，由A、B两个框架-核心筒塔楼，中间设置3层裙房，建筑连成一体，结构采用防震缝隔开，形成三个独立的单体。主楼结构形式为框架-核心筒结构，上部结构22层，1~3层高均为5.2m,3层以上层高均为3.6m，地下室层高4.8m，建筑总高度为83.65m。楼盖采用钢筋混凝土梁板结构，基础形式为核心筒采用桩基+筏板基础，外框架采用桩基承台。该楼的结构安全等级为一级，抗震设防烈度为7度（0.10g），第一组，特征周期为0.35s，根据地勘确定场地类别为Ⅱ类，混凝土结构阻尼比为0.05，抗震设防类别为乙类，框架、核心筒抗震等级均为一级。当地《关于进一步加强全市房屋建筑工程抗震管理的通知》规定要求提高一档计算地震作用，故本项目按7度（0.15g）进行地震作用计算。并采用设置消能减震装置的措施降低1度抗震构造措施。结构计算分析采用SATWE进行多遇地震下反应谱分析，使用SAUSAGE进行弹性时程、弹塑性时程分析。两者相互比较，论证，确定结果的合理性及有效性。
2方案选择
根据《建筑抗震设计规范》（以下简称：抗规）规定：现有主体结构抗震构造措施不能满足要求，采用消能减震措施提高其的抗震性能，抗震构造要求可以按规范规定适当降低。如何实现降低一度的目标，根据抗规12.3.8条说明，当采用消能减震措施的结构的地震影响系数不到未采用消能减震结构的50%时，抗震构造可降低一度。给消能减震提出明确的设计目标，针对本工程即将框架与核心筒的抗震等级从一级降至二级。结合本工程特点及建筑可设置的条件，消能减震设计拟采用速度相关型消能器（框架-粘滞阻尼器），其利用黏滞材料运动时产生黏滞阻尼来耗散地震作用的能量。粘滞阻尼器平面主要布置在不影响建筑功能的位置，以周边框架位置为主，立面主要布置在中间层4~17层共14层，共112个，粘滞阻尼器的平面布置图如图1所示。经分析，此布置能起到有效的消能减震作用。粘滞阻尼器力学性能的主要参数：类型为VFD，阻尼系数C为125kN/(mm/s)a,阻尼系数a为0.25，设计阻尼力为470kN，设计速度采用200mm/s，极限阻尼力为492kN，极限速度为240mm/s，计算阻尼力为738kN，行程100mm。
3模型对比分析
本工程使用SATWE进行多遇地震下反应谱分析，使用SAUSAGE进行多遇地震下弹性时程分析和罕遇地震下弹塑性时程分析。为保证结构计算结果的正确性及有效性，需要对SATWE和SAUSAGE两种软件下结构模型的计算结果进行校核，确保两种软件下结构模型的计算结果具有一致性。在SAUSAGE的时程分析模型中，框架-粘滞阻尼器（VFD）采用速度型阻尼器模拟，分别针对其质量和结构周期（前三阶）进行对比分析，对比结果如表1~表2所示。由表1~表2可知，在SATWE和SAUSAGE两种软件下，结构模型计算所得的质量差值为1.77%和结构周期（前三阶）最大差值为2.16%，两者差异都较小，故可以假定两种软件下的结构模型基本一致。
4小震弹性时程分析
结构多遇地震下弹性时程分析采用SAUSAGE软件进行补充计算，与SAT⁃WE的振型分解反应谱法的计算结果进行对比，主要指对底部剪力、楼层剪力和层间位移进行分析比较。根据《抗规》规定，采用时程分析法时，地震峰值加速度采用55cm/s2。4.1地震波的选取按《抗规》5.1.2条要求选取的5条天然波与2条人工波，地震影响系数曲线多组时程波的平均值与振型分解反应谱法相比，结构主要振型的周期点上相差不大于20%，意味其在统计意义上相符。从工程角度分析，这样选取也能保证时程分析的结果满足结构安全度的最低要求。但对计算的结果也有界限要求，不宜太大，根据规定每条地震波输入计算值不大于135%，平均值不大于120%。本工程选取七条波进行弹塑性时程分析，其中T1（TH003TG035）、T2（TH034TG035）、T3（TH041TG035）、T4（TH068TG035）和T5（TH075TG035）为天然波，R1（RH2TG035）、R2（RH4TG035）为人工波，频谱分析图图2所示。振型分解反应谱分析与弹性时程分析结果比较如表3所示，表中比例是指各条时程曲线计算底部剪力与反应谱法计算底部剪力的比值，从表中数值分析可看知，各条时程曲线计算结果与振型分解反应谱法计算结果比值最小值为74.45%，均大于65%，而七条时程曲线计算的结果平均值与反应谱法计算结果相比为89.15%，大于80%，经分析可知：所选取的7条地震波能满足现行规范要求，可以用于计算分析。4.2计算结果①层间位移角直接反应整体结构的刚度，经计算：减震结构X方向最大位移角为1/2770，Y方向最大位移角为1/2415。而为确保高层建筑结构具有必要的刚度，规范规定框架核心筒结构在多遇地震标准值作用下层间位移角限值为1/800。故本工程能满足规范要求。②楼层剪力：减震与非减震条件下楼层剪力对比图如图3所示。③楼层位移：减震与非减震条件下楼层位移对比图如图4所示。④附加阻尼比根据《抗规》第12.3.4条：计算消能部件附加给结构的有效阻尼比，从而得到的附加阻尼比，经计算X和Y方向附加阻尼比分别为16.2%和17.6%，在反应谱设计中取15%的附加阻尼比。
5大震弹塑性时程分析
SAUSAGE软件做大震弹性进程分析，分析步骤：第一步，施工模拟加载；第二步，地震加载。主要实现结构总体变形控制和构件性能目标。《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称：高规）第3.11节——结构抗震性能设计，将结构抗震性能目标分为四个等级，抗震性能分为五个水准。五个水准分别对应的宏观损坏程度为“完好（无损坏）、基本完好（轻微损坏）、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”。SAUSAGE分析构件的损坏以混凝土的受压、受拉损及钢材（钢筋）的塑性应变程度作为评定标准，与《高规》中宏观的损坏程度存在对应关系，如图5所示。分析结果：大震弹塑性时程分析的层间位移角，减震结构X方向最大位移角为1/290，Y方向最大位移角为1/312。规范规定框架核心筒结构在罕遇地震作用下层间位移角限值为1/100。故能满足规范要求。大震时程分析附加阻尼比计算可知，X和Y方向附加阻尼比分别为3.8%和4.2%，如表4所示。结构构件损伤情况：大震下，大部分框架梁、框架柱等关键构件出现轻度损坏普通竖向构件部分构件出现中度损坏，耗能构件出现中度损坏、部分比较严重损坏，结构宏观损坏未出现严重破坏，经过修复或加固后可继续使用。子结构验算：为确保消能器充分发挥作用，与消能器直接连接的主体结构单元（框架梁、框架柱）应进行加强设计，本次设计时对消能子结构的配筋率进行加强，主要节点位置采用外包钢板处理。一二层梁配筋率为1.8%，三四层为1.6%，以上各层为1.3%，一二层柱配筋率为3.5%，三四层为3.0%，以上各层为2.5%；经计算分析可知在大震作用下消能子结构（与消能器直接相连接的框架梁、柱）大部分均处于中等损伤，消能器子结构的性能可以满足大震作用下极限承载力和极限变形的要求。
6结论
经过上述计算分析得到以下结论。①小震下，设置消能减震装置的结构X向和Y向最大位移角分别为1/2770、1/2415，满足规范最大位移角1/800的要求；而大震下，减震结构X向最大位移角为1/290和Y方向为1/312，满足规范1/100的要求。②减震结构的楼层剪力比非减震结构减少50%以上，地震剪力与地震影响系数为线性关系，故主体结构的抗震构造要求可按相应规范规定降低一度进行设计；经计算，本工程粘滞阻尼器在X向附加阻尼比分别为16.2%和Y向附加阻尼比为17.6%。故粘滞阻尼器小震下为结构附加15%的阻尼比，减小结构地震响应；大震下仍处于耗能状态，滞回曲线饱满，耗散了大量地震作用，可以保护主体结构安全。③大震下与粘滞阻尼器相连接的框架梁、框架柱受力及变形均小于构件极限承载力及极限变形，满足消能子结构设计的性能目标。经过计算结果对比分析：采用框架-粘滞阻尼器（VFD）消能减震措施能提供较大的阻尼力以减少结构振动，满足抗震设防要求，从而达到改建加固的目的。既有工程采用消能减震技术也存在一定难度，原有结构的梁柱配筋需要加固的较多，特别是消能子结构设计时，规范要求提高一度计算地震作用，并且满足罕遇地震下极限承载力和极限变形的要求，加固量较大，安全性应引起足够重视。
参考文献
[1]GB50223-2008,建筑工程抗震设防分类标准[S].
[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].[3]JGJ297-2013,建筑消能减震技术规程[S].
[4]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[5]中国建筑设计院有限公司.结构设计统一技术措施[M].北京:中国建筑工业出版社,2018.
[6]T/CECS547-2018,建筑消能减震加固技术规程[S].
作者：王梅芳 单位：安徽南巽建筑规划设计院有限公司