随着消能减震技术在国内的快速发展 ^[1],消能减震项目日益增多,采用该技术进行结构抗震加固的项目也不断涌现 ^[2,3],《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297—2013) ^[4](简称消规)中明确指出,对于既有建筑结构采用消能减震技术进行抗震加固可解决既有建筑结构施工工程的难度、降低加固费用,并有效而可靠地提高结构的抗震性能。

　　 本工程位于海南省海口市,原为劳动车间,设计建造于1993～1995年,为6层框架结构,结构高度26.50m,底层层高5.50m,2～6层层高4.20m,建筑面积为7931.00m²,基础形式为天然独立基础,项目改造前照片见图1。

　　 本工程改造后建筑功能为医院门诊楼,要求后续使用年限为50年,对应《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)中的C类建筑,因此本工程应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[5](简称抗规)的要求进行加固设计,加固前后的设计标准和参数对比如表1所示。

　　 原结构平面呈“C”字形,三维模型示意图及典型的标准层结构平面图如图3所示。

　　 按照原结构的设计图纸采用盈建科建筑结构设计软件进行建模计算,除材料、结构尺寸(主要框架柱尺寸为550×550,550×600,550×750,750×800;主要框架梁尺寸为300×600)外,其余计算参数按照现行规范要求进行,原结构前三阶振型周期及周期比计算结果如表2所示。小震作用下结构X向和Y向最大层间位移角分别为1/370,1/456,结果表明,由于抗震设防烈度的增加,地震作用增大了50%,结构层间位移角指标较抗规限值1/550有较大差距,构件承载力大部分不满足要求。

　　 根据结构抗震鉴定报告、图纸、计算结果判断,本工程具有以下一些特点:1)平面不规则,抗扭刚度小,平扭周期比较大,对结构抗震较为不利;2)由于抗震设防烈度区划调整,本工程的基本地震加速度由0.2g调整为0.3g,地震作用显著增大;3)由于使用功能的变化,抗震设防类别由丙类变为乙类,框架抗震等级由二级变为一级,抗震构造措施不符合现行规范要求的位置较多;4)抗侧刚度弱,小震弹性位移角、大震弹塑性位移角均与现行规范的限值有较大差距;5)本工程的平面属于抗震不利的情况。

　　 根据以上分析,得出如下结论:按现有设计参数,本工程同时有地震作用变大和抗震措施不满足要求的问题。针对这些问题做了三个加固方案的比选,结果表明,常规加固方案加固范围较大,整体加固费用高、工期长,消能减震方案较为合理经济。

　　 加大截面法 ^[6,7]是混凝土结构抗震加固中最常用的手段之一,试算结果表明,框架柱需加大截面至1 300×1 300,框架梁需加高200mm以上,才可控制小震下的层间位移角满足抗规规定限值1/550的要求。

　　 由于本方案所需梁柱截面已经无法满足业主的使用要求,且从加固量和成本考虑亦是不合理的,因此未采用。

　　 为减小加固量,控制加固后结构的梁柱尺寸,采用增设剪力墙法,将结构体系调整为框架-剪力墙结构,控制结构的层间位移角,可使框架部分抗震等级仍然为二级,减小因抗震构造措施不满足要求带来的加固工程量。

　　 调整后典型楼层增设剪力墙平面布置如图4所示。结合改造后的建筑要求,增设了14处剪力墙,计算结果表明,大部分框架柱仍然需要进行加大截面处理,但截面加大幅度均在200mm以内。相比加大截面方案,增设剪力墙方案框架梁的加固范围减小一半左右,框架梁加高100mm即可。整体效果满足规范的规定和业主的使用要求。

　　 基础方面由于增设了剪力墙,且结构的自重增加较多,地震作用也有较大幅度增加,因此独立基础需要进行加固处理的范围较大,约一半的独立基础需要进行加固处理(图5中阴影填充部分),同时部分剪力墙位置的地梁由于顶托剪力墙的原因,也需要进行加固处理。

　　 结合建筑要求在适当位置增设消能器,采用基于消能减震技术的加固改造方案,即消能减震方案,主体结构仍然按照框架结构设计。

　　 由于本工程改造后刚度不足,地震作用较原设计条件增大较多,因此采用位移型消能器是较为理想的选择,既可调节结构刚度,又可设计成在小震下耗能,提供附加阻尼比减小地震作用,从成本角度分析,位移型金属消能器在价格、维护成本上都有明显优势,因此采用了基于位移型金属消能器的消能减震方案。

　　 在位移型金属消能器中,剪切型金属消能器具有屈服位移及刚度可调范围大、小震耗能能力强、体积小、连接方式多样的特点,同时正常使用年限同主体结构均为50年,维护费用低,因此本工程的消能减震方案采用了剪切型金属消能器。

　　 消能器布置位置通过计算确定,并考虑建筑平面要求,尽量布置在结构的外围和角部,最终布置如图6(云线圈出位置)和表3所示。三维计算模型如图7所示。不同抗震加固改造方案的经济技术对比如表4所示。

　　 为尽可能减小地震作用,降低加固量,本工程所有消能器均在小震下屈服耗能,初选消能器参数和位置后,通过计算再进行调整,最终所选消能器型号及参数如表5所示,消能器设计位移根据罕遇地震分析结果确定。

　　 分析结果表明,相对于方案1和方案2,消能减震方案(即方案3)的加固范围显著减小,且主要集中在框架柱部分,框架梁由于原设计的使用活荷载较大,在消能减震方案层间位移角控制较好的情况下,加固量相对较小。剪切型金属消能器的常用连接形式如图8所示。

　　 为减小因为增设消能器而引起的非必要的梁的加固量增加(原项目结构活荷载较大,梁跨中承载力是满足要求的),且避免出现施工难度较大、成本较高的的消能器梁中节点,因此采用了图8(c)中的X形支撑式连接方式,避免了梁中节点的出现。梁柱节点设计时结合了框架柱加大截面情况,将锚固主要集中在框架柱的加大截面部分,从而进一步减小了因为增设消能器引起的加固工程量以及对原结构的损伤。

　　 本工程的所有消能器均在小震下屈服耗能,采用了抗规12.3.3条的等效线性分析方法,消能器与连接支撑在计算软件中等代为一对X形支撑。计算根据消规6.3.3条中的迭代方法进行,迭代收敛后得到最终的附加阻尼比和X形支撑的截面面积,确保计算模型中每一对X形支撑的水平刚度与“消能器水平有效刚度+支撑弹性水平刚度”的串联系统(消能部件)的水平方向的有效刚度相等,最终模型即为进行最终加固施工图设计的计算模型。计算得到的X,Y向附加阻尼比分别为5.53%,5.88%,最终计算模型取5.0%进行施工图设计。

　　 计算结果表明,采用消能减震方案的结构抗扭刚度显著提升,消能减震结构的前三阶周期及平动情况如表6所示,多遇地震下消能减震结构的层间位移角如表7所示,最大层间位移角为1/615,满足规范限值1/550的要求,且有10%左右的余量,基本和原设计控制的层间位移角相近(原设计控制层间位移角为1/601),此种情况下,主体结构的加固量可显著减小。

　　 多遇地震作用下,采用加大截面方案时结构X,Y向基底剪力分别为13 453,13 492kN,而采用消能减震方案时结构X,Y向基底剪力分别为8 385,9 118kN,相对于加大截面方案,采用消能减震方案时结构X,Y向基底剪力分别减小了37.7%,32.5%。且消能减震方案层间位移角较加大截面方案还要小,可见采用消能减震方案的效率要显著高于常规的加大截面方案,很好的避免了“肥梁胖柱”的情况。

　　 采用MIDAS Gen软件 ^[8]对采用消能减震方案后的结构进行了小震和罕遇地震作用下的时程分析。消能器采用直接建模方法,对应于软件中的一般连接单元,模型采用了消规3.3.5条中推荐的双线性模型,消能器参数和连接件参数均按照实际填写,消能器模型及参数见图9。计算选取7条地震波,结果表明7条地震波的楼层剪力平均值均小于对应楼层反应谱的计算结果,同时7条地震波根据消规6.3.4条计算得到的附加阻尼比平均值也大于目标附加阻尼比5.0%,满足设计要求。

　　 罕遇地震时程分析时消能器模型及参数同小震时程分析,主体结构的设置同一般结构,计算得到X,Y向最大层间位移角分别为1/98,1/105,小于抗规5.5.5条1/50的限值要求,且有较大余量,结构出铰顺序和最终出铰情况均符合抗震概念设计的要求,消能器滞回曲线和主体结构出铰图如图10(a),(b)所示,根据罕遇地震计算结果确定消能器的设计位移见表5。

　　 消能子结构即本工程中直接与消能器相连的梁柱,根据消规6.4.2条,按重要构件进行复核,内力取罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应,承载力取构件极限承载力。根据抗规附录M第4条,钢筋强度取屈服强度的1.25倍,混凝土强度取立方强度的0.88倍,加固设计时按照小震计算结果和消能子结构复核的结果进行包络设计。

　　 节点及连接件设计根据消规要求进行大震弹性设计,内力取大震计算内力标准值的1.20倍,材料强度取设计值。典型的梁柱节点如图11所示,锚筋均位于柱两侧的加大截面范围以及梁的加大截面范围内,同时需采取措施确保埋板的平面外刚度。消能器实际施工安装照片见图12。

　　 (1)高烈度区的抗震加固改造项目设计难度

　　 较大,方案的合理性对工程的工期和造价影响很大,设计前应对不同方案进行详细的经济技术分析,选用合理的方案进行后续设计。

　　 (2)在此类项目中,合理应用消能减震技术可以取得比较好的效果。

　　 (3)采用消能减震技术时,消能器的类型、连接形式、节点做法应根据项目情况灵活选取,充分考虑技术合理性、施工难度、经济性的要求。

　　 (4)消能子结构和节点设计应严格按照规程、规范规定方法复核,并与小震反应谱计算结果进行包络设计,不应直接采用小震反应谱计算结果。

　　 本工程目前已经竣工,整个项目的抗震加固施工和消能器的安装施工均十分顺利,加固改造的总体成本控制符合预期,工期较常规方案缩短了1/3以上。