某砌体-框架混合结构消能减震加固设计与分析研究

Seismic Strengthen Design and Analysis of A Masonry-RC Frame Composite Structure by Using Energy-Dissipation Technology

摘要

某砌体-框架混合结构建于1982年，原设计为办公室，本次改造为幼儿园后，抗震设防类别由丙类调整为乙类。首先，本文提出“结构体系调整+消能减震”的加固方法。针对该砌体-框架混合结构，将局部砌体结构改为框架结构，再针对改造后的结构设置防屈曲支撑（BRB）与墙式黏滞阻尼器（VFD）进行抗震加固。其次，为了对比改造前后的抗震性能，本文采用SAP2000及PERFORM-3D软件建立改造前后结构计算模型，进行非线性时程分析。计算结果表明，采用本文提出的加固方法进行抗震加固后，结构的抗震性能得到大幅提高，达到《建筑消能减震技术规程》中性能水准4的要求。最后，通过与常规加固方法进行对比可以发现，针对这种混合结构，本文提出的“结构体系调整+消能减震”加固方法具有加固量少、工期短、造价低的特点，且能有效降低施工过程对既有结构构件的二次破坏。

Abstract

A masonry and RC frame mixed structure was built in 1982. The original building was originally designed as an office building and it would be converted to be a kindergarten. The seismic fortification category is adjusted from Category C to Category B. Firstly， the strengthened method of “structural system adjustment and energy dissipation” was presented in this paper. Local masonry structure was changed to be a frame structure. The energy dissipation technologies with buckling-restrained brace（BRB） and viscous fluid damping wall （VFD） were used in this project. Secondly， For the comparision of the seismic performance before and after the retrofit， the nonlinear dynamic time-history analysis was adopted by SAP2000 and PERFORM-3D. Through the analysis of calculation results， the seismic performance of this structure was significantly improved. It meets the requirements of performance level 4 in Technical Specification for Seismic Energy Dissipation of Buildings. Finally， compared to the traditional strengthen method， the energy-dissipation technology presented in this paper can reduce the strengthen quantity， the project cost and the construction period. Meanwhile， secondary damage to existing structural components can be reduced.

Graphical abstract

关键词

混合结构 / 消能减震 / 防屈曲支撑 / 黏滞阻尼墙 / 抗震能力

Key words

composite structure / energy dissipation / buckling-restrained brace / viscous fluid damping wall / seismic capacity

0 引 言

现有结构加固技术可以分为传统抗震加固（增大截面法、粘钢法、粘碳纤维法等）、消能减震加固和隔震加固。消能减震加固是指在结构上安装消能减震装置，当遭遇地震作用时，通过消能装置产生摩擦、变形等来耗散地震输入的能量，从而减少主体结构的地震反应。

20世纪90年代美国Nicos^［1］教授等开始将黏滞阻尼器引入结构工程，进行大量模拟试验和理论研究。1986年日本学者Yasuo^［2］首次提出黏滞阻尼墙的概念，次年Oiles和Sumitomo建筑公司将其研制成功。

国内学者在20世纪90年代中后期开始对黏滞阻尼器进行科学研究和应用试验，并取得了一些成果。1998年，周云等^［3］将国外对于消能减震技术先进的研究成果与国内规范相结合，提出采用黏滞阻尼器的消能减震设计方法。1999年，欧进萍等^［4］提出了黏滞阻尼器的计算模型。2005年，闫峰等^［5］开展了混凝土框架结构中附加黏滞阻尼墙的性能研究，通过分析振动台试验得到的结构指标结果，发现黏滞阻尼墙耗能效果明显，其为原结构提供了接近20%的附加阻尼比。2005年，吴曙光等^［6］针对消能减震的设计参数进行了研究。

针对混凝土框架结构的消能减震加固研究和应用已经很多，赵杰等^［7］通过对一个框架结构采用消能减震分析验证了该方法对框架结构的可行性。张家广等^［8］提出利用各层承载力最弱的柱和塑性铰进行减震加固的思路，同时解决构件承载力设计问题。陈泽赳等^［9］对上海某既有公共建筑采用黏滞阻尼墙进行加固，验证了其有效性和结构抗震安全性。

对于底框砌体结构减震加固，白亮等^［10］分析了底框结构动力特性，对设置屈曲约束支撑的加固方案进行了分析，验证了屈曲约束支撑可以提高底框抗侧刚度，降低地震响应。

目前对于混合结构（砌体-混凝土框架）采用消能减震加固的工程经验较为缺乏。本文结合一个具体工程案例，针对这类混合结构采用消能减震性能化加固设计，并进行了分析研究。

1 工程概况

某砌体-框架混合结构建造于1982年，原设计为办公楼。根据从城市档案馆调取的相关图纸及现场情况可知：该混合结构整体平面形状为矩形，主体结构东西方向长约12.0 m，南北方向宽约16.0 m。房屋首层层高为3.5 m，二至四层层高均为3.1 m，五层层高3.5 m，室内外高差为0.3 m，房屋高度为13.7 m。基础采用混凝土条形基础，主要宽度为1.6 m、2.2 m、2.5 m等，基础埋深为1.3 m。该房屋结构体系为砌体-混凝土框架的混合结构，砌体部分墙体厚度为240 mm，圈梁主要截面尺寸为240 mm×300 mm、240 mm×430 mm等，构造柱为240 mm×400 mm。采用普通砖及石灰砂浆砌筑，砖块检测强度为MU10，砂浆检测强度为M1.8。楼板为100 mm厚预制空心板。混凝土框架部分，混凝土柱截面尺寸均为400 mm×400 mm，混凝土梁主要截面尺寸为250 mm×500 mm、250 mm×700 mm、250 mm×350 mm等。楼屋面主要采用100 mm厚混凝土现浇板。五层为单跨框架部分，图1为原结构平面示意图。该结构建造时未考虑抗震设防要求，在使用过程中局部墙体洞口布置进行了调整，整体结构未进行过大范围改动。

为了确保建筑功能调整为幼儿园后的结构安全，满足其使用功能，同时满足甲方尽量减少加固量、节省造价的要求，在该项目的设计过程中，首先将既有砌体墙体拆除，整体改造为混凝土框架结构。其次，为了提高结构的抗震性能，减少既有混凝土构件的加固，采用消能减震加固方法进行处理。

2 消能减震加固设计

2.1　基本原理

消能减震加固技术属于“以柔克刚”的一种加固技术，其在既有结构内部设置一定数量的阻尼器，增加结构阻尼，利用结构阻尼与地震作用成反比，控制地震作用下的预期变形，降低结构水平地震作用。

从能量的角度看^［11］，地震作用下结构能量平衡方程见式（1）。

E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}=E_{\mathrm{k}}+E_{\mathrm{D}}+E_{\mathrm{S}}（1）

式中：E_{\mathrm{k}}为系统动能；E_{\mathrm{D}}为系统阻尼耗能；E_{\mathrm{S}}为系统变形能，由弹性变形能E_{\mathrm{e}}、塑性变形能E_{\mathrm{P}}和滞回耗能E_{\mathrm{H}}三部分组成。

地震作用结束后，结构停止运动和变形，此时能量平衡方程见式（2），对于消能减震结构，震后的能量平衡方程见式（3）。

E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}^{\mathrm{\text{'}}}=E_{\mathrm{D}}+E_{\mathrm{P}}+E_{\mathrm{H}}（2）

E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}^{″}=E_{\mathrm{D}}+E_{\mathrm{P}}+E_{\mathrm{H}}+E_{\mathrm{S}}^{\text{'}}（3）

式中：E_{\mathrm{S}}^{\text{'}}为阻尼器耗能。

由式（1）、式（2）和式（3）可知，原结构塑性变形耗能和滞回耗能主要来源于结构自身，增设阻尼器可以分担结构内部能量，减少结构损伤。

消能减震器主要可以分为位移相关型、速度相关型和复合型三种。位移型主要包括支撑型消能器、剪切型消能器、摩擦型消能器和弯曲型消能器。速度型主要包括液体黏滞消能器和黏弹性黏滞消能器。

2.2　原结构抗震性能

原结构建造于1982年，后续使用按40年考虑，建筑功能由办公楼调整为幼儿园，抗震设防类别调整为乙类。根据上海市标准《现有建筑抗震鉴定与加固标准》（DGJ 08-81—2021）^［12］中关于B类（乙类建筑）的鉴定要求对该混合结构进行一级及二级鉴定。参考周彬等^［13］的研究成果，利用SAP2000软件建立混合结构的空间模型，对原结构的抗震性能进行分析。主要鉴定及主要性能指标见表1。根据表1可知该结构改造的难点为：①结构体系混乱。北侧为砌体结构，南侧为框架结构，水平地震作用下，水平作用力传递不清晰。②构件抗震承载力大范围不足。③结构构件抗震措施存在缺陷。④结构整体指标不足，主要是位移比超限、抗剪承载力不足及轴压比超限等。

2.3　加固处理方法

针对该结构常规加固方法为梁柱增大截面加固、梁柱粘钢加固、砌体墙夹板墙加固、局部新增剪力墙等。常规加固方法工程量大，影响建筑使用功能，增加的构件重量会导致基础承载力不足，增加基础加固工程量。根据《建筑消能减震加固技术规程》（T/CECS 547—2018）^［14］中6.3.6条，当罕遇地震下楼层的弹塑性位移角介于2.0~4.0弹性层间位移角限值（1/550）时，B类钢筋混凝土结构构造可以按降低一度且不低于6度采用。

本文针对该结构提出设置防屈曲支撑（BRB）+黏滞阻尼墙（VFD）的消能减震加固方法，通过布置BRB调整小震下的结构位移比及承载力比，通过BRB+VFD提供附加阻尼比，从而减轻结构的地震作用，减少原结构的加固量，同时提高结构的抗震能力，保证整体大震不倒。根据本项目的特点，同时参考《建筑消能减震加固技术规程》（T/CECS 547—2018）^［14］6.5.2与6.5.3条相关性能设计的要求与薛彦涛等^［15］的研究成果中性能水准要求，该结构的性能设计主要指标见表2。

2.4　构件加固及减震器布置

根据建筑功能布局进行减震器的布置，同时针对承载力不足、轴压比不足等强度不足的梁柱构件进行加固处理，主要处理方法为粘钢加固法及增大截面加固法。原有框架梁及框架柱的箍筋直径为6 mm，不满足构造要求，针对构造不满足要求的框架梁和框架柱采用粘贴碳纤维法进行加固处理。标准层加固及阻尼器设置情况如图2所示。本项目采用BRB及VFD阻尼器外观如图3及图4所示，其主要性能参数见表3。

2.5　砌体墙片的等效模拟

砌体墙片的等效模拟，本文参考周彬等^［13］的研究成果，采用连接单元（Link单元）进行模拟，并参考尚守平等^［16］的研究成果确定其参数。连接单元的骨架曲线如图5所示，包括初始开裂、屈服和极限三个重要阶段，分别以下标c、y、u分别表示。骨架曲线屈服荷载及极限荷载的位移角分别取1/500、1/250，开裂荷载的初始位移由屈服荷载和抗侧刚度求得，相应的荷载比则分别取极限荷载的50%、100%和90%。恢复力模型如图6所示。当时，卸载刚度为K_{\mathrm{1}}；当时，卸载刚度为K_{\mathrm{1}}；当时，卸载刚度为K_{\mathrm{12}}；当P>P_{\mathrm{u}}时，卸载刚度为K_{\mathrm{13}}。

3 消能减震效果分析

采用SAP2000软件与PERFORM-3D软件针对加固前后的结构进行多遇地震下的快速非线性分析与设防地震、罕遇地震下的弹塑性时程分析，从而进行结构加固前后的抗震性能对比分析。由于原结构在7度罕遇地震下非线性计算无法收敛，位移极大，本文认为原结构该工况下出现倒塌。计算模型示意图如图7所示。

3.1　地震波选择

结构所在区域的场地类别为Ⅳ类场地，设防地震烈度为7度，地震分组为三组。综合频谱特点、峰值和持续时间的特点，选择以下三条地震记录作为时程分析的地震输入：El Centro地震波、Pasadena地震波、上海人工地震波SHW2。三条地震波反应谱与规范反应谱的对比如图8所示。

3.2　层位移与层间位移角对比分析

根据表4与表5不同地震水准下加固前后结构的层位移及层位移角对比分析可以发现：

（1） 7度多遇地震水准下，原混合结构最大位移为22.0 mm（X方）与19.8 mm（Y方向），加固后结构的最大位移为12.5 mm（X方向）与14.6 mm（Y方向）。X方向位移减少43.2%，Y方向位移减少26.3%。7度设防地震水准下，原混合结构最大位移为66.9 mm（X方）与61.5 mm（Y方向），加固后结构的最大位移为36.2 mm（X方向）与39.8 mm（Y方向），X方向位移减少50.7%，Y方向位移减少37.9%。

（2） 原结构7度多遇地震水准下，X方向、Y方向的最大层间位移角分别为1/621（2层）、1/662（2层）；7度设防地震水准下，X方向、Y方向的最大层间位移角分别为1/227（2层）、1/234（2层）。原结构在7度设防地震水准下底层竖向构件进入塑形，出现破坏。7度罕遇地震水准下原结构倒塌。加固后结构7度多遇地震水准下，X方向、Y方向的最大层间位移角分别为1/1 086（2层）、1/929（2层）；7度设防地震水准下，X方向、Y方向的最大层间位移角分别为1/441（2层）、1/320（2层）；7度罕遇地震水准下，X向、Y向的最大层间位移角分别为1/204（2层）、1/124（1层）。可见不同地震作用下加固后结构最大层间位移角均满足设计设定的性能水准。

（3） 根据不同地震水准下层间位移角的对比可以发现：7度多遇地震水准下，X方向各层位移角平均减少39.8%，Y方向各层位移角平均减少31.1%。7度设防地震水准下，X方向各层位移角平均减少48.2%，Y方向各层位移角平均减少30.7%。

3.3　竖向构件剪力对比分析

根据表6不同地震水准下加固前后结构的各层竖向构件的剪力对比分析可以发现：7度多遇地震水准下，首层竖向构件的剪力减幅为40.4%（X方向）与37.7%（Y方向），各层竖向构件的剪力减幅均值为40.7%（X方向）与37.5%（Y方向）。7度设防地震水准下，首层竖向构件的剪力减幅为41.8%（X方向）与34.4%（Y方向），各层竖向构件的剪力减幅均值为41.6%（X方向）与37.7%（Y方向）。可以发现设置消能减震器后地震作用大幅度下降，因此上部结构构件的加固量也大幅度减少，大部分竖向构件的纵向钢筋均满足设计要求，不需要进行加固处理。

3.4　消能减震器BRB及VFD的减震效果分析

在SHW2（人工波）时程罕遇地震作用下，针对防屈曲支撑（BRB）与黏滞阻尼墙（VFD）的工作状态进行分析。典型的BRB及VFD阻尼器的滞回曲线如图9及图10所示。可知防屈曲支撑（BRB）与黏滞阻尼墙（VFD）在罕遇地震作用下滞回曲线饱满，充分发挥了减震装置的耗能作用，有效地发挥了耗散地震能量的作用。

3.5　损伤对比分析

根据上海人工波SHW2对原结构与加固后结构的损伤情况进行对比分析，原结构小震与中震下的塑性铰分布如图11所示，加固后结构的塑性铰分布如图12所示。原结构设防地震作用下构件破损比例见表7，加固后结构罕遇地震下构件破损比例见表8。

根据图表的相关数据可以发现：

（1） 原结构在设防地震作用下梁柱构件开始进入CP阶段，一层梁构件比例达到31.7%，一层柱构件达到58.8%。特别是顶层的单跨框架，柱构件进入CP阶段的比例达到35.7%。墙体墙片基本进入CP阶段，一层及二层墙体进入CP阶段的比例高达85%。整体接近倒塌状态，这与前文层位移及层间位移角的分析结果匹配，说明原结构的抗震性能较差。

（2） 在多遇地震作用下，加固后结构的梁柱构件均保持在弹性阶段。设防地震作用下，加固后结构的梁柱构件部分进入塑性。在罕遇地震作用下，加固后结构的一层、二层及屋面梁构件分别有5.1%、6.9%及8.2%进入CP阶段。柱构件没有进入CP阶段，这与设计要求一致。

（3） 对设防地震作用下，通过原结构与加固后结构的塑性铰对比可以发现，结构加固后抗震性能大幅度提高。

4 经济性对比分析

对该结构常规加固方法与消能减震加固方法的工程量、工期等进行对比，结果见表9。

针对该混合结构体系，采用减震加固方法钢筋/钢板及混凝土的用量均大幅减少，梁加固用钢量减少约48.6%，柱加固用钢量减少约46%，总加固用钢量减少约47.2%。梁加固混凝土用量减少约27.4%，柱加固混凝土用量减少约77.8%，总混凝土用量减少约48.6%。工期缩短约40%。可见采用减震加固方法可以大幅度减少加固工程量，缩短工期，节省造价。

5 结 论

综合上述分析可以得到如下结论：

（1） 原房屋结构体系混乱，抗震能力差，7度设防地震水准下接近倒塌，7度罕遇地震水准下出现整体倒塌。采用消能减震方法加固处理后，结构的抗震性能得到提高，达到预设的性能目标4的要求。

（2） 通过设置消能减震构件，加固后的结构罕遇地震下X方向、Y方向的最大层间位移角分别为1/204（2层）、1/124（1层）。与原结构相比，7度设防地震水准下，基底剪力减幅为41.8%（X方向）与34.4%（Y方向），层剪力减幅均值为41.6%（X方向）与37.7%（Y方向）。

（3） 通过结构构件破损情况分析，设置消能减震后结构构件在罕遇地震作用下的破损比例大幅度下降，梁构件少量进入CP阶段，柱构件均在LS阶段。

（4） 防屈曲支撑（BRB）与黏滞阻尼墙（VFD）在罕遇地震作用下滞回曲线饱满，充分发挥了减震装置的耗能作用，有效地发挥了耗散地震能量的作用。

（5） 针对类似的项目，本文提出的消能减震加固方法可以减小结构的动力响应，结构构造可以降低一度，结构加固量减少，工期缩短，同时减少施工过程对既有结构构件的二次破坏。

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