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金属阻尼器在结构抗震加固中的应用技术研究_李纯.pdf
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金属 阻尼 结构 抗震 加固 中的 应用技术 研究
江苏建筑2022年第6期(总第225期)0引言随着经济的发展和社会城镇化进程的加快,出现了大量的“老龄”建筑,这些建筑有的已经超过设计使用年限,有的已经接近设计使用年限;同时,遇灾受损、年久失修的既有建筑也需要尽快得到修复并恢复使用;近年来因使用功能改变,加层改造、改建扩建或重新装修等原因,需要进行改造、加固的既有建筑也日渐增多。为了满足后续使用要求,此类结构必须进行抗震加固,因此既有建筑抗震加固的市场前景十分广阔。目前,在既有建筑抗震加固设计领域中,主要分为两种加固方式,即传统的抗震加固方式和以消能减震为主的抗震加固方式。随着减震新材料的不断涌现和计算方法的不断完善,消能减震的抗震加固方式逐渐成熟,与传统抗震加固方式相比具有一定优势。1传统抗震加固措施及不足之处传统抗震加固方式往往是遵从“以强制强”的原理,以结构构件的塑性损伤为代价来消耗地震能量,秉持“硬抗”理念,主要方法有增大截面、外包钢、粘贴钢板等多种加固方法。这些方法不仅增加了结构构件的尺寸和整体的配筋量,而且随着截面金属阻尼器在结构抗震加固中的应用技术研究李纯1,刘雨1,戴轶苏1,张响鹏2,徐凡2(1苏州达康建筑科技有限公司,江苏苏州215000;2启迪设计集团股份有限公司,江苏苏州215021)摘要当采用消能减震技术对结构进行抗震加固时,金属阻尼器因其具有耗散能量良好、性能稳定、构造简单、安装方便、成本低廉等优点,得到了广泛的应用。各项分析研究表明,金属阻尼器的合理应用不仅可以有效降低结构震害,还可以在一定程度上对结构抗震性能进行改善和优化。文章主要在此背景下对金属阻尼器在结构抗震加固中的应用技术进行初步探讨,希望给有关结构设计工程师们提供一定参考。关键词消能减震;金属阻尼器;抗震加固;应用技术中图分类号TU352.11文献标志码 B文章编号1005-6270(2022)06-0052-05Research on Application Technology of Metal Damper in Seismic Strengthening ofStructuresLI Chun1LIU Yu1DAI Yi-su1ZHANG Xiang-peng2XU Fan2(1.Suzhou Dakang Construction Technology Co.,Ltd,Suzhou Jiangsu 215000 China;2.Tus-Design Group Co.,Ltd,Suzhou Jiangsu 215021 China)Abstract:When the energy dissipation technology is used in the seismic strengthening of structures,the metaldamper has been widely used because of its good energy dissipation,stable performance,simple structure,convenient installation,low cost and other advantages.The analysis shows that the reasonable application ofmetal dampers can not only effectively reduce the seismic damage of the structure,but also improve andoptimize the seismic performance of the structure to a certain extent.In this paper,the application technologyof metal damper in structural seismic strengthening is discussed,and it is hoped to provide some reference forstructural design engineers.Key words:energy dissipation;metal damper;seismic strengthening;application technology收稿日期2022-09-05作者简介李纯,男(1978-),苏州达康建筑科技有限公司,高级工程师,从事既有建筑结构鉴定、设计、施工工作。52江苏建筑2022年第6期(总第225期)尺寸的增大,刚度越大,地震作用也会越大。由于加固构件过多,加固过程中对既有结构的损伤会比较大,不仅增加了加固成本,而且有时并不能达到令人满意的效果。而采用消能减震方法对既有建筑进行抗震加固时,只需要在既有建筑中的特定位置增设耗能构件,当地震来临时,由少数耗能构件的率先破坏而迅速耗散地震能量,从而保护了大部分主体结构的安全,保证了主体结构“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震三水准目标,真正实现抗震的性能化设计1。2金属阻尼器抗震加固原理目前已开发的抗震耗能构件种类繁多,主要类型有位移相关型的金属阻尼器和摩擦阻尼器、速度相关型的粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器等2-3。金属阻尼器一般是指金属屈服型阻尼器,其工作原理是采用特种金属材料(软钢)或合金制作一种易屈服、高耗能的结构防震装置,利用其屈服强度低、延性好等优点,来耗散地震等外部输入结构中的能量。软钢材料与主体结构材料相比,能够更早进入屈服阶段,在地震荷载作用下,当结构产生层间变形时,金属屈服型阻尼器先于梁柱构件进入塑性阶段,阻尼器耗能构件发生塑性变形来消耗输入结构的能量,保护主体结构免遭破坏4。在小震作用下,结构层间变形较小,阻尼器处于弹性工作阶段,可以给结构提供一定的附加刚度;在大震作用下,结构层间变形较大,阻尼器先于主体结构发生屈服,进入弹塑性工作阶段,利用阻尼器的弹塑性滞回变形来耗散地震输入能量,从而有效地降低主体结构的地震反应。阻尼器在地震作用下发生剪切变形,耗能单元屈服后消耗地震能量,其产品耗能曲线如图1所示5。滞回特性是指材料在受外界干扰产生变形时具有企图恢复原有状态的抗力的特性。软钢金属阻尼器滞回曲线饱满,在滞回变形过程中将大部分能量转变为热能释放,另一部分能量被材质本身吸收。阻尼器进入塑性变形后,消耗了一定的地震能量,主体结构塑性变形耗能则相应减少,从而保护结构主体,达到耗能减震、提高结构抗震能力的目标。3金属阻尼器在结构抗震加固中的应用优势采用金属减震阻尼器时,只需要对设置阻尼器部位的相关构件进行加强,其它部位的构件并不需要特别加固,这样不仅可以减少加固构件的数量,还会显著提高结构的抗震性能,同时金属阻尼器本身的造价并不高,因此采用金属阻尼器进行抗震加固具有明显的经济效益。金属阻尼器作为一种典型的位移相关型消能减震装置,相比摩擦型阻尼器和粘滞阻尼器等,具有材料成本较低、构造简单、性能稳定、维护方便等特点。摩擦阻尼器的组成和连接比较复杂;粘滞阻尼器由活塞和油缸等部件组成,且油缸有渗漏的风险,维护要求比较高。更重要的是金属阻尼器布置比较灵活,位置调整方便,可以根据建筑改造功能的需要选择合适的区域进行布置。金属阻尼器可以做成杆件机构,布置形状多样,可以布置成单斜撑型、人字型、倒八字型、十字交叉型等形状,满足不同的需求。由于金属阻尼器被设计成不承担竖向荷载、仅承受水平荷载的构件,因此该阻尼器不是承重构件,其截面尺寸可以控制在较小的范围。和其它形式的阻尼器相比,金属阻尼器主要有以下几点优势6:(1)拉压承载力基本一致,拥有稳定的滞回耗能能力;(2)作为位移型阻尼器,小震情况下可为结构提供一定的刚度,减轻地震反应;(3)阻尼器的屈服力、屈服位移等参数调节范围大,可满足各种需求;(4)阻尼器延性好,耗能效率高;(5)产品尺寸小,重量轻,安装方便。综上所述,布置金属屈服阻尼器后,小震作用下可调节结构刚度,中、大震作用下可屈服耗能,提供附加阻尼比以减小地震作用。从成本角度分析,位移型金属阻尼器在价格、维护成本上都有明显优势,其具有屈服位移及刚度可调范围大、耗能能力强、体积小、连接方式多样的特点。正是因为金属减震阻尼器具有这些优势,因此在抗震加固工程中得到了广泛的应用。图1金属阻尼器的基本构造和滞回曲线53江苏建筑2022年第6期(总第225期)4金属阻尼器的选用及安装原则研究表明,金属阻尼器的合理应用不仅可以有效降低结构震害,还可以在一定程度上对结构抗震体系进行改善与优化,提升结构抗震性能。抗震加固设计时,需要根据结构类型、结构力学性能、阻尼器安装环境、建筑装修效果等多种因素,合理选择金属阻尼器的规格及类型7。金属阻尼器的安装位置不能随意布置,也不是安装数量越多越好。为了达到有效的耗能功效,同时避免对结构动力特性产生不利影响,阻尼器的布置原则主要有以下几条:(1)阻尼器的平面布置宜使结构在两个主轴方向的动力特性相近;(2)阻尼器的竖向布置宜使结构沿高度刚度均匀;(3)阻尼器宜布置在层间相对位移或相对速度较大的楼层;(4)阻尼器的布置不宜使结构出现薄弱构件或薄弱层;(5)对于框架结构,阻尼器可布置在下部楼层。为了控制结构的扭转,宜将阻尼器布置在结构周边;(6)阻尼器的设置应便于检查、维护和替换。以上布置原则中,比较重要的两条原则为结构层间位移控制原则和结构的扭转效应控制原则。(1)结构层间位移控制原则根据分析调查可知,在结构不同位置安装金属阻尼器将对地震作用下结构位移变化带来较为显著的影响。因此,设计人员必须将层间位移作为金属阻尼器的安装指标,不能随意布置。首先,应在层间位移较大的楼层区域内安装金属阻尼器,有效降低所在层的层间位移。其次,若建筑内部各个楼层的层间位移基本相等,则应在较低的楼层中安装金属阻尼器,因为将金属阻尼器安装在低层区域可以对上层位移进行良好控制。最后,金属阻尼器的安装应尽可能保持竖向均匀布置,或者最大程度保障各个楼层的屈服强度系数相近,避免结构部分楼层中出现薄弱层或软弱层。(2)结构的扭转效应控制原则布置金属阻尼器后,通过阻尼器的刚度调节作用,应使结构的质量中心与刚度中心尽量重合,或尽可能缩小二者的差距。若结构刚心与质心不重合,偏离越大,在水平地震作用下,结构越容易出现扭转效应,导致距离刚心较远的构件产生很大的侧移,从而发生局部破坏,严重者还会导致整体建筑坍塌。因此金属阻尼器在布置时应在平面上尽可能遵从对称、规则的布置原则,确保结构质量与刚度中心之间差异较小,避免建筑结构出现扭转效应。若建筑结构本身具有偏心现象,则金属阻尼器可以在距离刚心较远的一侧多布置一些,从而最大程度降低结构的扭转效应,保证建筑安全。5金属阻尼器应用案例本次应用的建筑为8层,总高度为33 m,其中首层与2层高度为4.8 m,其余层高为3.9 m,长宽分别为68 m与23 m,建筑平面布置图如图2所示。该建筑原设计抗震设防烈度为7度0.1g,随着抗震区划图的调整,该建筑现在需要的抗震设防标准为7度0.15g,混凝土强度C30,钢筋材质为HRB335。在案例之中应用ETABS有限元分析软件建立模型,分别模拟原结构以及布置金属阻尼器之后结构产生的地震反应,并对结果进行分析。本次案例主要应用时程分析法对结构在地震作用下的反应进行分析,分别选用3条地震波,具体为1条人工波和2条天然波。人工波持续时长20 s,峰值为123.61 cm/s2,2条天然波的持续时长分别为79.94 s及58.06 s,峰值分别为130.02 cm/s2及264.17 cm/s2,分别取2条天然波的前20 s进行时程分析。3条地震波加速度时程曲线如图3所示,反应谱与规范谱曲线如图4所示。对既有建筑开展7度0.1g及0.15g的多遇地震反应分析,未加固时在小震作用下,得到图5所示的层间位移角示意图。由图5可以看出,当地震设防烈度提高以后,结构的层间位移角无法满足限值要求,因此需要进行抗震加固。在不影响建筑功能设计及布局的前提图2建筑平面布置图54江苏建筑2022年第6期(总第225

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