金属消能器在某高层混凝土结构加固改造中的应用

摘 要：金属消能器作为结构耗能减震的有效手段之一，在结构加固改造工程中得到了广泛应用。本文介绍了剪切型金属消能器在某妇幼保健中心工程加固改造中的应用，结果表明：金属消能器在小震作用下即开始屈服，为结构提供耗能能力；通过采用金属消能器，既有效减轻了结构的地震响应，又使设计达到了预期性能目标并满足规范的要求。

关键词：金属消能器；结构加固；改造工程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.125

0 引言

金属消能器于1972年由Kelly[1]率先提出，引起了国内外学者的广泛关注。由于其具备滞回性能优良、施工方便、价格低等诸多优点，近年来在实际工程中得到了广泛应用[2]。尤其在结构的加固改造中，采用金属消能器不仅可以提高结构整体刚度，增强结构的耗能能力，相比于传统加固改造技术，还可以大大缩短工期。

1 工程概况

本工程为山东昌邑某大厦的改造工程，其平面图如图1所示。工程所在地的抗震设防标准为7度（0.15g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，特征周期0.55s。原结构为地下1层、地上22层混凝土框架-剪力墙核心筒结构房屋，建筑面积32743.3平方米，建筑总高度101.4米。该房屋建筑平面为一纺锤形的不规则平面，扭转效应明显。改造前其主要使用功能为办公、会议等。改造后，结构将作为某妇幼保健计划服务中心医技和病房楼使用，使用功能为门诊、手术和病房。改造设计需要对各楼层原建筑平面使用功能做较大调整，房屋局部使用荷载有较大变化，房屋总体使用荷载有一定程度的增加。同时，为保证建筑功能的实现，原有结构中的若干剪力墙肢须做局部的开洞或拆除处理。为满足楼梯交通和疏散要求，原结构楼面结构部分须封闭（洞口封板），部分须重新开洞。

此外，原建筑结构抗震设防类别为标准设防类，改造为病房楼后设防类别提高至重点设防，按《建筑抗震设计规范》[3]和《建筑工程抗震设防分类标准》[4]有关规定，地震作用可按7度（0.15g）考虑，但抗震措施要按高于本地区抗震设防烈度一度的要求进行加强。

2 加固方案

本工程房屋结构具有以下特点：

（1）平面不规则，扭转效应较为明显。在未做改动之前，结构的自振动特性基本可以做到两个方向的平动为主。但结构改动后，房屋的扭转效应更为明显。

（2）结构竖向有规律的收缩断面，水平力作用下的各层层间位移比较均匀。这使得结构在竖向刚度上并无过多的潜力可挖，结构的刚度需要从底层至顶层整体地予以提高。

平面不规则结构、使用荷载的提高、抗震设防要求的提高、改造中对结构的削弱都使该建筑结构的抗震能力受到非常大的影响，通过传统的加固措施难于达到要求，因此转换了以往“增加刚度和强度”的抗震加固思路，采用了金属消能器的消能减震加固方案，一方面提高结构的整体刚度，另一方面增强结构在地震作用下的耗能能力，从而提升结构的抗震性能。

结合工程实际，本工程消能减震加固方案在房屋1层～22层X向和Y向共布置182只阻尼器。其中1～3层每层10个，4～22层每层8个，均为成对布置，布置图如图2、图3所示。所使用金属消能器的力学参数见表1。

3 结构的抗震性能分析

由于功能变更作出开洞等改动、尚未附设金属消能器的结构记为ST0，附设消能器后的结构记为ST1。在ETABS中建立原结构与减震结构的三维结构模型，结构的梁柱单元均采用空间梁柱线单元，剪力墙和楼板采用壳单元，金属消能器采用Wen单元模拟[5]。选取5条天然波和2条人工波在ETABS软件中分别对ST0和ST1进行动力时程分析，得到结构在地震作用下的层间位移角和层间剪力，然后对7条波的计算结果求平均值。

3.1 小震下的层间位移角和层间剪力

由动力时程分析得到的结构在小震作用下的层间位移角和层间剪力分别如表2和图4、图5所示。

由表2可知，ST0在小震作用下X向和Y向的最大层间位移角分别为1/615和1/528，均不满足《建筑抗震设计规范》中钢筋混凝土框架剪力墙结构弹性层间位移角限值小于1/800的要求。采用金属消能器对结构进行加固后的减震结构，X向、Y向最大层间位移角分别减小到1/1206和1/953，可以满足规范要求。同时，由图4、图5可以看出，相比于ST0，ST1在小震作用下的层间剪力也有所减小。可见，采用金属消能器对结构进行減震加固，使得结构在小震作用下的抗震性能大大提升。

3.2 大震作用下的层间位移角验算

对于大震情况下结构的弹塑性分析，采用等效简化计算方法，即近似将柱子和剪力墙刚度折减50%来考虑结构部分进入弹塑性状况。由表3可以发现，相比于ST0，ST1在大震作用下的层间位移角明显降低，其抗震性能得到明显增强。

4 金属消能器的滞回性能

选取五层X方向人字撑型布置的1500kN型阻尼器和Y方向人字撑型布置的1500kN型阻尼器作为代表，来查验阻尼器的耗能情况。如图6～9分别为金属屈服阻尼器在时程8度小震和大震下的滞回曲线。由图示可以看出，阻尼器在小震下已经开始屈服耗能，大震下的滞回曲线较为饱满，耗能性能良好。

5 结论

（1）采用金属消能器对结构进行减震加固，使得原高层混凝土结构的整体刚度有所提升。

（2）与原高层混凝土结构相比，减震结构在小震作用下的层间位移角和层间剪力均得到有效降低；减震结构在大震作用下的层间位移角也得到有效控制。均可以满足规范要求。

（3）金属消能器在小震作用下即开始屈服耗能，大震作用下滞回曲线饱满，耗能性能良好，大大提升了结构在地震作用下的耗能能力。

参考文献：

[1]Kelly J M，Skinner R I，Heine A J.Mechanisms of energy absorption in special devices for use in earthquake resistant structures[J].Bulletin of NZ Society for Earthquake Engineering，1972，5（03）：63-88.

[2]翁大根，杨凯，张超.消能减震结构附加金属消能器的简化设计方法[J].福州大学学报：自然科学版，2013（04）：629-639.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50023-2008建筑工程抗震设防分类标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5]日本免震构造协会[日].蒋通，译.被动减震结构设计·施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

作者简介：张良宽（1967-），男，湖北仙桃人，硕士研究生，工程师，主要研究方向：结构工程。endprint