消能减震技术在养老改造项目中的应用

Application of Energy-Dissipation Technology in Elderly Care Retrofit Project

摘要

原高层框架-剪力墙结构办公楼改造为养老机构，抗震设防类别由标准设防类提高到重点设防类，结构抗震等级提高一级；同时按现行规范进行加固设计时荷载和地震作用均有所增加。通过增设黏滞阻尼器，采用消能减震技术进行加固，采用抗震性能化设计方法，控制罕遇地震下的位移角不大于中等损伤限值，结构整体抗震性能明显提高，从而降低一度采取抗震构造措施，避免大范围的构造性加固；同时黏滞阻尼器提供附加阻尼，降低地震作用，减少主体结构的加固量。对抗震设防要求提高的改造项目有借鉴意义。

Abstract

An old office building with high-rise frame-shear wall structure has been transformed into an elderly care building， and the seismic fortification category has been increased from standard fortification category to key fortification category， and the seismic resistance level of the structure has been increased by one level； Both load and seismic effects have increased in accordance with current regulations. Adopting performance-based seismic design methods， the inter-story displacement ratio under rare earthquakes is controlled to not exceed the moderate damage limit by adding viscous dampers for energy dissipation and seismic reduction technology reinforcement. The seismic performance of the structure is significantly improved， so reducing the need for seismic structural measures and avoiding large-scale structural reinforcement； At the same time， seismic effects and the reinforcement amount of the main structure have been reduced because viscous dampers provide additional damping. The research results of this study provide reference for retrofit projects with increased seismic fortification requirements.

Graphical abstract

关键词

养老改造 / 结构加固 / 抗震性能化设计 / 黏滞阻尼器 / 附加阻尼比

Key words

elderly care retrofit / structural strengthening / performance-based seismic design / viscous damper / additional damping ratio

0 引 言

随着我国人口的老龄化加剧，老年人对养老机构的需求越来越高；除了新建养老机构外，将其他功能的既有建筑改造为养老机构也是一条重要途径。养老机构应当按照不低于重点设防类的要求采取抗震设防措施；一般建筑改造为养老机构，抗震设防标准提高，用传统方法加固范围和加固量都比较大，这是养老建筑改造中的难点。

消能减震技术具有概念简单、减震机理明确、减震效果显著及安全可靠等特点，近年来在加固工程中有所应用^［1-3］，与传统的加固技术相比，具有如下优势：

（1） 在基本保持原建筑外貌不变的前提下，实现提高抗震能力和改善使用功能的协调；

（2） 经过合理设计，减震效果明显，可以根据消能减震规范^［4-5］相关条文，降低抗震措施要求，减少主体结构的加固量；

（3） 施工现场的施工作业明显减少，可以有效缩短工期。

消能减震加固技术应用于养老改造中，消能元件可以有效耗散地震能量，从而提高结构的抗震能力，运用抗震性能化设计方法，在保证结构安全的前提下，可减少主体结构的加固量，具有良好的经济和社会效益。但采用消能减震技术加固养老改造的结构时抗震性能目标如何确定、如何通过各项计算分析和结构加固满足性能目标这些问题还没有充分的工程实践经验。本文通过一个实际工程，对消能减震技术在养老改造项目中的应用进行了探索。

1 工程概况

本工程位于上海市杨浦区，于2017年8月竣工。原建筑功能为办公楼，现改为养老机构。地上部分为13层，地下1层，地下室层高为4.9 m，1层、2层层高为4.5 m，其他层层高为3.9 m，主体结构高度为50.25 m，总面积1.7万m²，其中地上面积1.4万m²。主体结构采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙体系，抗震设防烈度为7度，建筑场地类别为Ⅳ类，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.9 s。基本风压为0.55 kN/m²，地面粗糙度为C类。

本次改造使用功能发生改变，后续使用年限取为50年，根据文献［6］，属于C类结构，需按现行规范设计，主要结构设计参数变化如下^［7-9］：

（1） 原办公抗震设防类别为标准设防类，现养老机构提高为重点设防类，结构抗震等级提高一级。

（2） 主要楼层原设计为大空间办公，活载按2.0 kN/m²取值，未输入隔墙线荷载；现为养老机构，增加轻质隔墙荷载（等效为楼面均布活荷载1.0 kN/m²），活载为2.0 kN/m²（客房）和2.5 kN/m²（卫生间），荷载有所提高。

（3） 重力荷载代表值分项系数由1.2改为1.3，地震分项系数由1.3改为1.4。

（4） 恒载分项系数由1.2改为1.3，活载分项系数由1.4改为1.5；抗震设计重点设防类的建筑安全等级为一级，结构重要性系数由1.0提高到1.1。

2 结构改造加固方案

2.1　方案比选

原设计结构抗震等级框架为三级、剪力墙为二级，改为养老机构后抗震设防类别提高为重点设防类，应提高一度加强其抗震措施，因此框架和剪力墙的抗震等级需分别提高一级。除抗震措施规定的各项调整系数提高外，抗震构造措施要求均有所提高；另外由于功能改变和规范的更新，恒活载和地震作用效应均加大。采用传统加固方法，加固范围广，且工期长；本项目改造过程中需保持原石材外立面不变，外围框架梁柱加固受到很大限制，传统加固方式难以满足要求。

采用消能减震技术加固，能提高结构的抗震能力，运用抗震性能化设计方法，可通过控制罕遇地震下的楼层弹塑性位移角不大于中等损坏限值（1/200），降低一度采取抗震构造措施^{［4-5，10］}，从而抵消抗震等级提高一级的影响，避免大面积的抗震构造性加固。常用的消能器有屈曲约束支撑（BRB）和黏滞阻尼器（VFD），下面对这两种消能减震方案进行对比。

本项目为框架-剪力墙结构，原始结构刚度较大，多遇地震下的层间位移角满足改造后的要求。增设BRB会提高结构刚度，加大地震作用，主体结构加固量增加，造价较高，且要达到附加阻尼比3%的目标比较困难。VFD属于速度相关型阻尼器，阻尼器耗散的地震能量与阻尼器两端的相对速度有关，在地震往复作用下利用黏滞材料的阻尼特性来耗散能量，黏滞阻尼器提供附加阻尼比，却不增加结构刚度，正适合本工程加固需求，最终选择黏滞阻尼器对本项目进行消能减震技术加固。各种结构加固改造方案比选见表1。

2.2　结构性能目标

根据规范^［11］要求和本工程的实际情况，确定结构各类型构件在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的抗震性能目标，见表2。

根据规范^［4-5］要求，为达到降低1度构造措施的目标，减震后整体抗震性能需明显提高，罕遇地震下的层间位移需小于1/200，基于此确定目标附加阻尼比为3%。

2.3　黏滞阻尼器布置和参数选择

黏滞阻尼器的布置遵循“均匀、分散、对称、高效”的原则，为达到最佳效果，尽量在地震作用下相对速度较大的楼层布置。根据对比优化分析，并结合建筑功能布置，黏滞阻尼器主要布置在第二层和第四层至九层，共76组。典型楼层平面阻尼器布置如图1所示。

黏滞阻尼器满足力学方程：F=C（V）^a，各参数含义和单位见表3。在结构模型中黏滞阻尼器采用Damper单元模拟，考虑其材料非线性。本工程采用的黏滞阻尼器按力学参数可以分为两类（X向和Y向）。根据目标附加阻尼比3%和阻尼器在结构各项作用下的反应，确定阻尼器的各项力学参数，见表3。

2.4　结构计算模型和计算内容

阻尼器附加给结构的有效阻尼比的计算是消能减震结构体系中一个关键问题。多遇地震下阻尼器响应较小，减震效果失真，采用设防地震下阻尼器提供的附加阻尼比较为合理^［4］，利用等效弹性时程分析计算设防地震下减震结构的附加阻尼比。利用弹塑性时程分析法分析减震结构在设防地震和大震下的层间位移、结构损伤，提取阻尼器的内力、变形、耗能情况，分析是否达到结构抗震性能目标。选择上海规范^［12］附录A编号SHW1~SHW7的7组地震波，用于特征周期为0.9 s的多遇地震和设防地震时程分析；选择上海规范 ^［12］附录A编号SHW8~SHW14的7组地震波，用于特征周期为1.1 s的罕遇地震时程分析；计算结果取7条波的平均值。最后考虑前述得到的附加阻尼比，采用振型分解反应谱法进行多遇地震作用下的结构分析，核对原结构的配筋，对不满足要求的结构构件进行加固设计。主要的计算内容和结构分析软件见表4。

3 消能减震结构时程分析

3.1　多遇地震下弹性时程分析

采用快速非线性分析（FNA）方法进行弹性时程分析，考虑阻尼器的非线性，结构本身假设为线性。多遇地震下减震结构最大层间位移角X向为1/2 000，Y向为1/1 221。可见结构刚度较好，层间位移较小，满足多遇地震的性能目标。提取典型黏滞阻尼器的滞回曲线，如图2所示，可见，黏滞阻尼器的滞回曲线比较饱满，黏滞阻尼器耗散了大量的地震能量，可减小主体结构反应，保护主体结构的安全。

3.2　设防地震下弹塑性时程分析

3.2.1　层间位移角计算结果

采用弹塑性时程分析法进行设防地震作用下的结构分析，考虑阻尼器和主体结构的非线性。设防地震作用下减震结构结构最大层间位移角为X向1/727，Y向1/454，增设黏滞阻尼器后的结构在设防地震作用下层间位移角满足性能目标。

3.2.2　阻尼器性能

提取设防地震作用下的能量累积图和典型黏滞阻尼器的滞回曲线，如图3、图4所示。能量累积图中紫色区域为主体结构阻尼消耗的能量，青色区域为黏滞阻尼器消耗的能量，可见黏滞阻尼器耗散的能量占比较高，很好地起到了保护主体结构的作用。阻尼器的滞回曲线更加饱满，充分发挥了耗能作用。

3.2.3　附加阻尼比计算

根据规范^［4］，主体结构的附加阻尼比宜选取设防地震作用下有效计算值。因为结构各部分的耗能与其自身的阻尼呈线性关系，根据结构固有阻尼比、固有阻尼比对应的耗能和阻尼器耗能，可以推算阻尼器附加给结构的阻尼比^［4，13］，即采用能量曲线对比法。根据时程分析得出各部分的耗能情况，利用能量曲线对比法，计算得出各条波的附加阻尼比，见表5，X和Y方向平均附加阻尼比分别为3.05%和3.56%，表中数据均已考虑附加阻尼比折减系数0.9^［4］。

3.2.4　结构损伤

在设防地震作用下，允许主体结构部分构件进入屈服耗能；为保证黏滞阻尼器的正常工作，子结构需保证“中震不屈服”。结构在X向和Y向设防地震作用下的损伤图片如图5所示。由图可知：主体结构大部分墙柱无损伤，梁和少数墙柱有轻微损伤，局部连梁轻度损伤；子结构轻微损伤或无损伤，处于“不屈服”阶段，满足预定的性能目标。

3.3　罕遇地震下弹塑性时程分析

3.3.1　层间位移角计算结果

利用弹塑性时程分析法进行罕遇地震作用下的结构分析，考虑阻尼器和主体结构的非线性。减震结构X方向最大位移角为1/357，Y方向最大位移角为1/226。结构在罕遇地震作用下的层间位移不大于中等损坏限值（1/200），满足性能目标，达到结构抗震构造措施降低1度的要求。

3.3.2　结构损伤

在罕遇地震作用下，构件可以进入塑性耗能，结构应具有合理的耗能机制，保证结构“大震不倒”。结构在X向和Y向罕遇地震作用下的最终损伤图片如图6所示。由图可知：在罕遇地震作用下，框架梁柱损伤程度在中度损伤及以下，剪力墙损伤在轻度损伤及以下，连梁损伤在重度损伤及以下；在黏滞阻尼器的保护下，主体结构未出现严重损伤，损伤机制合理，黏滞阻尼器有效地保护了主体结构的安全。罕遇地震作用下阻尼器最大出力为440 kN（VFD-X）、534kN（VFD-Y），小于设计阻尼力，满足抗震性能目标。

为确保消能子结构能充分发挥作用，消能子结构的梁柱按关键构件设计，考虑罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应，保证相关构件的受力小于构件极限承载力。从结构损伤图中可以看出：在罕遇地震作用下，与黏滞阻尼器相连接的框架梁、框架柱均处于轻度及以下损伤状态，表明在罕遇地震作用下与黏滞阻尼器相连接的子结构满足受力小于构件极限承载力，满足其性能目标。

4 主体结构加固设计

根据上述减震结构分析结果，对多遇地震下主体结构利用振型分解反应谱法进行承载力设计。黏滞阻尼器提供的附加阻尼比取设防地震下的计算值3%，总阻尼比取为8%，其他计算参数按现行规范确定，荷载按改造后的建筑功能确定。

复核模型计算结果和原始设计图纸，对不满足安全要求的结构构件分别进行如下加固处理：①对个别墙体抗剪截面不足和柱轴压比超限的，采用加大截面法加固；②连梁抗剪截面不足的，采用交叉粘贴碳纤维布加固（起交叉斜筋作用）；③结构梁配筋不足在40%以内的采用粘贴钢板加固，个别超过40%的采用加大截面法加固。另外对于消能子结构按“中震不屈服”性能目标补充复核，对不满足要求的构件进行加固设计。

本项目如采用传统加固方法，剪力墙和框架梁柱的抗震等级均需提高一级，抗震措施不满足要求，均需进行加固，加固范围和加固量较大。采用消能减震技术加固方法，抗震等级可以降低1度设计，抗震结构构件的加固数量减少约70%，综合造价降低20%以上，且避免了对外围框架梁柱的加固。

5 阻尼器连接方式

阻尼器与主体结构的连接采用两种连接方式：K形支撑和墙式支撑，如图7所示。墙式支撑是新加混凝土墙体支撑在原框架梁上，梁的弯曲变形会影响阻尼器的耗能作用；K形支撑直接连接到梁柱节点，效率更高，且增加重量较小，故优先采用K形支撑。结合建筑功能，在客房之间的隔墙等位置设置K形支撑阻尼器36套，客房和走廊间因为要开门设置墙式支撑阻尼器40套。

考虑改造结构的特殊性，钢支撑或阻尼器与主体结构的连接无法采用预埋件连接方式，如采用后置埋件方式，又因为梁柱节点区域钢筋密集，锚栓施工困难。实际工程中，在节点区域新浇筑混凝土节点，采用植筋与原结构相连，植筋位置根据原结构钢筋位置适当调整，则大大降低了施工难度，钢支撑和阻尼器的预埋件就在新浇筑的混凝土节点中如图8所示。

6 结 论

本文通过原办公楼改造为养老机构的实际工程，介绍了黏滞阻尼器消能减震技术在加固工程中的应用，介绍其分析设计方法，得出以下结论：

（1） 消能减震设计通过阻尼器吸收地震能量，有效地保证了主体结构的安全。对于原始刚度较大的结构，增设黏滞阻尼器加固法不增加结构刚度和地震作用，又能提供附加阻尼，可以降低地震作用反应，具有较好的加固效果。

（2） 通过消能减震设计，可提高结构的抗震性能，罕遇地震下的位移角不大于中等损伤限值，可降低一度采取抗震构造措施，对于抗震设防要求提高的结构改造具有借鉴意义。

（3） 本项目阻尼器提供了3%的附加阻尼比，主体结构的加固量明显减少，避免了大量的加固湿作业对建筑功能及建筑立面的影响，可见消能减震技术加固在造价、工期及适用性方面有明显的优势。

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