2008年“5·12”汶川地震发生后,我国建筑相关规范和标准都做了修订,对既有结构按新规范要求采用适当的抗震性能评估方法,进行全面检测和抗震鉴定,不符合抗震要求的,需进行合理的抗震加固处理(陈婷婷,2012),从而提高现有建筑的使用寿命和安全性能。对混凝土结构常用的加固方法有:粘钢加固、加大截面加固、外包钢加固、钢丝网加固、钢绞线—聚合物砂浆加固和碳纤维加固等(郭健,2004; 夏松,2009; 卫龙武等,1993; 张鑫等,2011),这些加固方法普遍存在施工破损面大、工期长、费用高等问题(徐彤等,2000)。为此,有必要进一步开展结构抗震加固新技术的研究,将隔震和消能减震技术应用于结构加固改造中,使其具有施工破损面小、工厂化制作、现场安装、节省工期、降低费用等优点,同时能有效提高加固结构的抗震性能,从而为加固改造开辟更为有效的新途径。

黏滞流体阻尼器属于速度相关型的阻尼器(李爱群,2007),能够提供较大的阻尼。在小震下也能耗能,此外,黄镇(2007)认为黏滞流体阻尼器一般不提供附加的刚度,不会改变原结构的自振周期致使地震作用增加。因此,黏滞流体阻尼器是一种有效的减震加固技术,可用于既有建筑的加固改造中。

本文采用黏滞流体阻尼器减震加固技术,对新疆某12层既有框架剪力墙结构进行罕遇地震下的时程分析。

新疆某框架剪力墙结构,地上12层(加上出屋面2层,共14层),地下1层,以抗震缝分割为左、右两部分,本文对右侧部分进行分析。本分析模型不含地下室,从嵌固层开始建模,结构布置如图1所示。梁、板柱、墙均采用C30混凝土,埋件和阻尼器附加构件采用Q345B钢材。抗震设防类别乙类,抗震设防烈度Ⅷ度,基本地震加速度0.2 g,设计地震分组第二组,场地类别II类,采用黏滞流体阻尼器对结构进行加固,阻尼器分别布置在第4层至第11层,共24套。

图1 标准层结构平面布置图
Fig.1 Layout of the standard layer structure

非线性黏滞流体阻尼器的阻尼力公式为(周云,2006)

F=Cv^α.(1)

式中,C为阻尼系数,v为活塞运动速度,α为速度指数。本结构中采用A、B两种黏滞流体阻尼器,阻尼系数分别为1.0×10⁶ N·s/m、 1.2×10⁶ N·s/m,指数均为0.3。最大阻尼力均为600 kN,阻尼器具体放置位置如图1所示。模型建立如图2所示,右区建筑的ETABS模型计算的结构总质量为15 030 t,弹塑性动力模型计算的结构总质量为15 817 t。综上,通过对比两个模型各模态周期和质量,可见两个模型的相应数据基本相同,差别很小,故所建立的弹塑性动力模型符合要求。

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)5.1.4条,“计算罕遇地震时,特征周期应增加0.05”,因此实际特征周期为0.45 s。根据此条原则选择天然波1(TH1TG045)、天然波2(TH2TG045)、人工波(RH1TG045),地震波如图3所示。弹塑性动力时程分析计算的时间步长取为0.02 s,计算时间对两条天然波取为20 s,对人工波取为15 s,满足规范要求。

图2 结构分析模型
Fig.2 Structure analysis model

本框架剪力墙结构采用了黏滞流体阻尼器消能减震技术进行加固,并对结构在Ⅷ度(0.2g)罕遇地震荷载作用下减震前和减震后的工作性能分别进行了计算分析,首层剪力减小,且X方向层间位移的平均减震率最小为4.68%,最大为

图5 X向人工波(a)、X向天然波1(b)、X向天然波2(c)、Y向人工波(d)、Y向天然波1(e)以及Y向天然波2(f)作用下层间位移角
Fig.5 The biggest displacement angle between the layers under the artificial wave in X direction(a),the natural wave 1 in X direction(b),the natural wave 2 in X direction(c),the artificial wave in Y direction(d),the natural wave 1 in Y direction(e)and the natural wave 2 in Y direction(f)

12.92%; Y方向层间位移的平均减震率最小为6.47%,最大为 19.8%。采用黏滞流体阻尼器使得该结构的抗震性能得到提升,满足现有抗震规范的要求。通过本工程的加固设计和实施,证实了黏滞流体阻尼器能够用于高烈度区建筑结构的加固改造项目,且效果良好。