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“5.12”大地震后首例消能减震技术加固实例 ——采用阻尼器对都江堰市北街小学外国语学校艺术大楼的加固设计和施工

发布时间:2019-03-12 点击次数:598 新闻来源:【本站】

 

“5.12”大地震后首例消能减震技术加固实例

——采用阻尼器对都江堰市北街小学外国语

学校艺术大楼的加固设计和施工


(四川国方建筑机械有限公司    四川成都   610031)

 

摘要   原设计抗震设防烈度为7度。受“5.12”大地震影响,该楼一层大多数柱顶受损,体现出原结构中抗震设防的不足。在抗震加固设计工程中,应国家相关规范和震后文件的要求,须将该楼的抗震设防烈度提高到8度,采用传统加固方法几乎不能达到。都江堰北街小学外国语学校艺术大楼的加固设计和施工过程使我们更进一步认识到,采用阻尼器对需要提高设防烈度的框架建筑进行加固无疑是最好的选择。同时,对现代建筑抗震新技术的推广也具有深远的意义。

 

关键词   抗震加固;消能减震;阻尼器;节点处理

1工程概况

都江堰北街小学外国语学校艺术大楼为五层的钢筋混凝土框架结构,基础埋深约为2. 8m,屋面总高度为18.0m,建筑面积约为3000㎡,建筑用途为教育建筑。历经“5.12” 大地震,一层柱顶受到了一定程度的剪切破坏开裂 (图1);二至三层填充墙轻徽剪切破坏(图2);楼梯局部受损,虽不显著影响整体承载,但已影响使用功能,存在安全隐患,需对其进行加固补强后方可正常使用。根据《建筑抗震设计规范》(GCB - 50011) (2008 年局部修订版)和《建筑工程抗震设防分类标准》(CB – 50223 - 2008) 对都江堰北街小学外国语学校做加固设计时,应满足其原设计使用年限,安全等级为二级,抗震设防烈度为8度,基本地震加速度为0.2g.建筑场地类别为类,设计地震分组为第二组,建筑设计特征周期为0. 40s,抗震设防类别为乙类,建筑抗震等级为一级。

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2提出问题

工程初步设计时,先对该楼建立整体模型进行分析。由于抗震设防烈度的提高,基本地震加速度由原设计取值0.1g提高到0.2g。使得由地震引起的作用于建筑上的水平荷载提高了4倍。导致地震中质量集中地各楼层层间位移明显增大,最大层间角位移达到1/447,不能满足规范要求。

为了满足规范要求,可以通过提高结构整体刚度的方法来减小地震中结构的水平位移,如:增大框架柱截面;结构关键部位增x形斜杆刚性支撑;增设剪力墙等。但是这些常规的加固方法在本工程中存在不可弥补的缺陷:

 (1)这些新增构件,容易使结构刚度在建筑整体中的分部不均匀,由此会导致建筑结构内力的不均匀分布。同时,结构整体刚度的提高会吸收更多的地震能量,这些都是对建筑结构安全的不利因素。

(2)为了使新旧增钢筋混凝土之间有效连接,达到共同工作地目的,必将在旧混凝土上大量穿孔植筋,这本身就是对原有结构的一种认为的破坏,虽然最终能达到整体结构补强的目的,但投人的成本在无形中增大。

(3)钢筋混凝土的施工工艺过程要求的作业空间大的特点,确定了施工过程中必将对原建筑非结构部分(如:填充墙、楼面板、水电管线等)造成严重破坏,再次对这些非结构部分恢复时不仅增加了工程成本费用还使得工程工期显著延长。

几方思星后,从地震对建筑造成损害的本质上找到突破口——建筑受震过程既是地震能量的释放过程(或说是建筑吸收地震能量的过程)。如果单位时间内建筑在地震中吸收的能量在建筑结构的承受能力范围之内,则建筑结构不会出现震害;相反,则建筑结构必将受到地震破坏,超限越多,震害愈严重。由此可见,建筑抗震的根本目的就是将建筑在地震中吸收能量的功率(单位时间吸收能量的大小)控制在建筑结构的承受能力范围之内。由此导出两条建筑抗震思路:

(1)是降低单位时间内传人建筑结构的能品。

(2)提高建筑结构单安时间内对外来能的承受能力。

从第(1)条思路来看,地震作用于建筑的能量大小由地震烈度、震源深度、震中距以及建筑场地的地质构造等因素确定,对于一确定建筑来说,某次地震工程中一定时间段内传人建筑结构的地震能量是一定值,不易改变。

从第 (2)条思路来看,为提高建筑结构对外来冲击能量的承受能力可以从两方面着手:提高结构刚度 (前面以说明了其存在的缺陷,不宜使用)或者在结构中增设某些能够在结构受荷超限吸收多余地震能量的装置。考虑到地震作用属偶然荷载,因此,需要一种受外来冲击荷载被动控制的装置,既能的地震中吸收多余地震能量,又能不影响结构正常使用时结构的内力分布。

3设计构想

随着消能减震技术的发展日趋完善,越来越多的高层建筑、桥梁等受动荷载影响严重的建筑物采用各种类型的阻尼器来满足结构安全和正常使用的要求。然而在灾后重建中阻尼器的应用尚属首例。考虑到结构抗震加固是一项对既有结构的改造工程,结构本身抗震能力就不足,同时抗震加固的目的之一就是减少结构的位移,故阻尼器类型的选择上首先排除位移相关型阻尼器;为了避免阻尼器工作中反作用力Fv与结构位移产生结构内力Fs 在连接节点处形成应力叠加对结构构件造成加大损坏,宜采用阻力峰值与结构内力错开(图3)的速度相关型阻尼器。

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为了达到结构在地震中有效消耗地震能量的目的,在结构位移较大的一、二层布置了20个(一层12个,二层8个)粘滞型阻尼器,安装于框架梁柱之间(图4、图5和表1)。

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阻尼器设计

4.1  模型建立

考虑到本工程是消能减震技术在震后灾区恢复重建中首次应用,同时开创了消能减震技术在受损建筑加固中的先例,意义重大。主要对各楼层层间位移和框架扭转的整体模型进行准确分析。由于结构体型简单,在对本工程进行整体模型分析时,经过简化的理想结构模型的基本力学性能非常接近结构的实际受力状况。是保证后期的结构抗震计算准确性的重要依据。在模型中对阻尼器的设置位置、方向和数量采用精确的模型参数进行描述,以求得理想的阻尼器力学参数。

4.2  阻尼器力学参数的选择

粘滞流体阻尼器的力学性能表达式或阻尼器输出反力和活塞运动速度之间的简化关系表达式:

公式.gif

式中,Cv为阻尼常数(kN/(mm/s));公式1.gif为阻尼器活塞与阻尼器外壳的相对运动速度(mm/s);公式2.gif为根据设计需要可调整的阻尼器特征指数。通常取值范围在0.1- 1.0之间。

如图6所示:在不同公式2.gif取值下,粘滞单元部分的阻尼力与其速度的线性关系。本工程中安装阻尼器是以抵抗大震为主要目的,阻尼器不需在小震中对结构位移产生明显影响,同时在大震来临时要求能及时有效地吸收消耗地震传来的机械震动能量,控制建筑结构在地震作用下的变形满足国际抗震规范要求。地震作用下建筑允许最大位移为17mm,设地震频率为1.0Hz,则地震中建筑的水平运动速度为100mm/s。取公式2.gif=0.15. C= 350,计算出阻尼器的最大阻尼约为700kN。

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4.3  确定阻尼器型号并通过实验测试阻尼器力学性能

根据需要计算出阻尼器力学性能参数和计算模型中初步确定的阻尼器安装类型,阻尼器型号选择:KZ-700S x 100X(14套)和KZ-700S×100F(6套)。

KZ-700S x 100X和KZ-700S×100F阻尼器在力学性能参数上完全一样,仅安装方式不同。本文只列出KZ-700S x 100X中编号为007的部分实验数据(图7、图8和表2)。

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通过对实验数据分析,阻尼器的实际力学性能完全非常接近理论模型参数。表明建筑结构在安装阻尼器后,完全能达到理论模型分析中的抗震设防效果。

5阻尼器安装

5.1阻尼器安装设计

尽管在结构模型分析中阻尼器的抗震效果明显,那毕竟是在理想状态下,在实际应用中,阻尼器发挥做用的大小不仅取决于阻尼器的本身的力学参数,还和阻尼器与原结构的安装连接密切相关,因此阻尼器的安装就显得同样重要。结合阻尼器的工作原理和地震作用下结构构件的受力特性,对阻尼器安装进行设计:

(1)安装位置的选择。应选择在地震作用下结构相邻节点发生相对位移较大的位置,并将该相邻节点通过阻尼器连接起来。这样在地震作用下阻尼器能有效进人工作状态,并吸收地震传入结构的能量。

(2) 阻尼器连接支撑的选择。结构连接支撑应选择刚性支撑,只有在刚性支撑连接下,才能有效地将地震中的结构位移、速度有效地传递给阻尼器,避免了位移、速度传递过程中的位移、速度损失导致阻尼器未能完全发挥其消耗能量的作用。因为速度是决定阻尼力大小的决定性因素,而阻尼力和阻尼器活塞(与阻尼器缸体)相对位移共同决定阻尼器消耗能量的效率。本工程中采用H形钢并在型钢翼沿板之间焊接10mm厚加劲钢板(图10),以增加支撑刚度。

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(3) 阻尼器安装的节点处理。阻尼器与原有结构的连接节点处,由于在阻尼器支撑反力作用下,改变了节点处结构的受力状态,超出节点处原设计受力极限,因此,需要对节点处进行加固处理。本工程中安装节点均处于原结构的梁柱节点处,该处节点本身受力复杂,因此在对该处节点进行处理时比较简单有效地一种方法就是对该处节点进行整体钢围套(图11)的方法处理,使该节点处形成-个刚域。

(4)阻尼器与支撑、节点之间的连接:由于阻尼器只在轴向力和轴向位移作用下就能有效工作,故阻尼器与支撑、节点之间连接的目的就是使结构传递给阻尼器的各种作用以轴向力和轴向位移为主。根据不同的支撑类型,其节点类型可以有所不同:

①在人字形支撑中,阻尼器两端均为球形铰(图12), 分别与支撑和节点连接,同时为了使结构传递给阻尼器的轴向位移最大化,避免出现阻尼器的侧向位移,还应在支撑中部设置限位装置(图10)。

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②在“单杆斜向”支撑中,阻尼器与支撑杆之间为刚性法兰连接,阻尼器与框架节点之间为球形铰自由连接(图13)。

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5.2 阻尼器安装施工

由于阻尼器是建筑应用中相对精密的装置,现场安装误差要求控制在±1.0㎝范围内,所以阻尼器安装中所用的支撑型钢等都需现场精确测定后现场制作。同时,由于是对受损建筑进行加固,现场安装过程中多少会受原建筑结构的限制,可能会需要做适当优化调整。因此,在阻尼器安装施工过程中,结构工程师的跟踪设计尤为重要。

致谢: *5.12”大地震后首个消能减震加固工程由笔者所在的四川国方建筑机械有限公司和同济大学合作完成,从设计到施工,直至竣工投入使用,感谢同济大学吕西林教授、翁大根救授等提供的指导,感谢本公司员工的努力工作和大力配合。

感谢省建设厅、都江堰建设局等单位在项目上给予的的帮助和指导。感谢都江堰市北街小学外国语学校校方及周列剑先生给予的帮助和支持。

其他对本公司完成大地震后首个消能减震加固工程给予帮助和支持的单位和个人,在此一并表示谢忱。