增层隔震技术在既有建筑结构加固中的应用.pdf

第 2 8卷第 3期 2 0 1 1 年 9月 土木工程与管理学报 J o u rna l o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t V o l _ 2 8 No ． 3 Se p ． 2 01 1 增层 隔震技术在 既有建筑结构加 固中的应 用 蔡 振 ， 操静滨 ， 同东东 1 ． 第二炮兵工程设计研究院，北京1 0 0 0 1 1 ； 2 ． 北京市建筑设计研究院， 北京1 0 0 0 8 -5 摘要 对层间隔震技术在既有建筑结构抗震加层加固中的应用进行了探讨。采用在双线性模型模拟隔震支 座， 通过参数化研究得到了隔震支座优化参数。对某工程加层后与未加层的地震响应进行了比较， 结果表明， 不同地震波作用下隔震支座的优化参数基本一致， 增层隔震技术类似于 T MD系统， 但因子结构质量较大， 能够 起到更好的耗能减震效果， 可有效削弱原结构的水平地震响应。 关键词 层间隔震 ； 抗震加固； 双线性 ； 橡胶支座 中图分类号 T U 3 5 2 ． 1 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 - 0 9 8 5 2 0 1 1 0 3 - 0 0 0 1 - 0 4 层间隔震技术是将隔震系统设置在结构某层 柱顶或剪力墙顶 ， 层间隔震 主要适用于以下几种 工程 因海水腐蚀而需要提高隔震支座位置 的近海建筑 ； 已建成房屋采用切断柱子设置隔震 支座的抗震加 固方式等 l 4 ； 将 隔震层放在塔楼 底部的底部框架 、 上部塔楼结构 ； 已建成建筑物进 行加层加固等等。相对于基础隔震技术而言 ， 增 层隔震技术兼具基础隔震体系与被动调谐质量控 制体系的优点 ， 增层隔震加固技术更适用于高层 建筑结构的抗震加 固 。随着 城市核心用 地越 来越 紧张， 在既有 的高层 结构上增加楼层成为节 省用地 、 增强城市功能 的一种简捷 的选择。对于 国内很多城市 ， 由于地基条件相对较好 ， 结构本身 有增层加固的潜力 ， 抗震加 固的同时能增加建筑 面积 ， 又有经济效益 ， 减小抗震加固的财政投资。 对建在地段较好 、 交通方便区域的原有房屋 ， 拆迁 难度很大 ， 改造这些房屋不需要拆迁。在既有 高 层建筑上增加两 ～四层 的技术可行性 、 经济性 以 及实现方法都值得 深入研 究。祁 皑等 对层 间 隔震技术进行 了综述 ， 通过大量的参数化研究得 到了高位层间隔震结构不同阻尼 比和质量比时的 优化频率 比 ， 并对层 间隔震钢框架进行 了试验 研究 。李宏男等对采用 层 间隔震 进行建筑 加 固技术进行 了试验研究 ， 并应用 于沈 阳市北 京 路某 四层建筑加 固， 在原结构和外 部框架之间用 阻尼器连接 ， 并在原结构顶层和增加 的结构底层 设置滑动摩擦层 J 。周福霖等 对层间隔震体 系进行了详细的理论 分析 ， 总结 了隔震层位置高 低对隔震效果的影响规律。 以上基于层间隔震技术 的研究 中， 大部分采 用线性模型模拟隔震橡胶支座 ， 且分析重点在 隔 震后结构的响应 ， 未对隔震 支座本身的力学性能 进行剖析。本文通过大量的参数化分析得到了隔 震支座的优化参数 ， 探讨 了层 间隔震技术的耗能 减震机理 ， 并对减震效果进行了评价 ， 结果表明采 用加层减震技术后 ， 可有效 的削弱原结构 的地震 响应 1 结构计算模型 1 ． 1 结构计算模型及运动方程 本文对结 构计算模 型作 以下假定 1 结构 质量集中在楼层 ， 楼层刚度无穷大； 2 只考虑结 构的水平平动 ， 忽略扭转效应 ， 不考虑竖 向地震作 用。如图 1 所示的层 间隔震加 固结构计算模型 ， 其中原结构层数为 ／2 ， 加层结构层数为 ， 在地 震波激励下， 该结构体系的运动方程可表示为 戤 t c t J Q 一Ml i i t 1 其 中， 与 C分别为结构体系的 凡X／2 nn n 1 维质量与阻尼矩 阵， n 为原结构层数 ， n 为 加层结构层数 ； t 、 t 为 凡维相对位移与加速 度向量 ； Q 为层 问恢复力向量； ， 为荷载指示向 量 ； t 为地面运动加速度 。 结构质量矩阵表示为 收稿 日期 2 0 1 l - 0 5 3 0 作者简介 蔡振 1 9 8 3 - ， 男 ， 河南信阳人 ， 工程师， 硕 士， 研究方 向为结构抗震 E m a i l c a i z h e n l 0 0 0 1 6 3 ． c o m 2 土木工程与管理学报 2 0 1 1年 M ml 0 0 0 0 0 0 0 0 - ，‘ C 一l ， k 。 C j tnb - l 目目 ． 目目‰ m 3 七 | 旬 m 2 如 c 2 m i k C 1 结构层问位移向量表示为 { n I 2 ⋯ ⋯ 6 其 中 n J T x 。 结构层间恢复力向量表示为 Q { g 】 q 2 ⋯q b ⋯q 7 第 i 层的层间恢复力表示为 q k i “ 。 结构计算模型 0 0 ⋯ 0 ⋯ ⋯ ⋯ 0 0 0 ⋯ 0 m6 0 ⋯0 0 m 2⋯0 0 0 ⋯ O 0 0 ⋯m l 2 1 2 式中， m 为第 i 层集中质量系数， m 为隔震层质 量。 结构阻尼矩阵表示为 厂 c 1 c 2一 c 2 0 0 0 ⋯0 I l c ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 0 l 0 ⋯ c 1 C b C b 0 ⋯0 l 0 ⋯ 一 C b C b c n l 2 一 c l 2 ⋯0 l 0 ⋯0 一 c l 2 c l 2 c n l 3 ⋯0 J 0 ⋯0 0 0 ⋯ 一 c l rc2 1 【-0 0 0 0 0 ⋯ c 。 l 3 式中， c 为第 i 层阻尼系数 ， C 为隔震支座阻尼系 数。 矩阵 ． ， 表示为 J 1 1 0 0 1 1 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 O 0 0 ●●● ●●● 一 1 0 1 1 0 1 4 结构相对位移向量表示为 { l 2 ⋯ ⋯ 5 2 隔震支座计算模型 铅芯叠层橡胶支座的水平力学性能一般由橡 胶部分与铅芯部分水平性能叠加而成 ， 橡胶部分 可采用双线性模型， 如图 2所示。 恢复力 七 6 2 厂 ／ 位 移 ． ，j 图 2隔震 支座 刚度双线性模型 其中， k ， 与 。 分别为隔震支座初始刚度和屈服后 刚度 ， 为屈服位移。 对于具有非线性恢复力模型的结构， 其非线 性时程分 析计算 一般采用 N e w t o n - R a h p s o n迭代 法进行求解。叶昆等 采用描述非线性恢复力 模型的 M a s i n g准则确定隔震支座的非线性恢复 力 ， 可不需要迭代求解 ， 大大减小了运算量 ， 本文 亦采用 M a s i n g准则确定双线性隔震 支座的恢复 力。隔震支座的恢复力采用下式表示 q 6 ／ n 6 ． ～ l ， M 6 ． 一 1 ， 6 ． ， U b ． 8 其中， n 一 和 ／2 , 一 分别表示隔震支座第 i 一1步 的剪切变形速度 和位移， n 和 U b分别表示隔震 ,i 支座第 i 步的剪切变形速度和位移 ， 均 可由结构 速度和位移响应表示。 3 结构 动力分析 将结构运动方程 1 采用状态空间法表示为 微分方程组的形式 ， 表达式如下 一 9 方程 9 是一个一 阶微分方程组 ， 可以采用 四阶 R u n g K u t t a 法求解。 图0 ～ 0 O O O 第 3期 蔡振等 增层隔震技术在既有建筑结构加固中的应用 3 4 数值算例 某 7层框架住宅原建于 2 0世纪 7 0年代 ， 层 高均为 3 ． 3 m， 当时未考虑抗震设 防， 现采用外套 结构加固法对原结构进行抗震加 固， 并需要在加 固后 的结构上进行加层。采用外套结构加固后结 构各层集 中质 量为 2 ． 2 91 0 k g ， 层 问 刚度 为 3 ． 6 31 0 N ／ m， 各 层 阻 尼 系 数 为 1 ． 1 01 0 N s ／ m。结构加层层数为 3 ， 加层结构各层质量 为 8 ． 11 0 k g ， 层间剪切刚度为 1 ． 9 6 X 1 0 N ／ m， 各层阻尼系数为 6 ． 4 X 1 0 。 N s ／ m。设 隔震支座 屈服刚度系数 k h 为初始刚度系数 k ． 的0 ． 1 倍 ， 屈 服位移 为 0 ． 0 1 2 m。地震 波选取 了 E 1 C e n t r o波 N S分量 、 K o b e 波 、 T a f t 波 ， 加速度峰值取 0 ． 2 g 。 对隔震支座优化初始刚度系数和阻尼系数进 行了参数化研究 ， 图 3与图 4中分别 给出了结构 总的振动能量和底层层间位移随隔震支座初始刚 度变化曲线 ， 从图中可以看 出， 优化初始刚度系数 约为 1 ． 51 0 N ／ m， 加层结构的总质量为 2 ． 4 3 1 0。k g ，上部子结构 的振动频率为 7 ． 8 6 r a d ／ s ， 略 小 于原结构的第 一阶 自振圆频率为8 ． 3 2 r a d ／ s ， 隔震支座初始 刚度k b l ／ N／ m 图3 结构振动总能量和随初始刚度系数变化曲线 g 厘 嗵 啮 涩 隔震支座初始刚度k - ／ N／ m 图 4 底层层间位移随初始刚度系数变化 曲线 昌 渣 星 隧 衄 世 晕 好 隔震 支 座 阻 尼 系数 c d N s ／ m 图5 底层层间位移随初始刚度系数变化曲线 说 明增层隔震技 术原理类似 于 T MD系统。图 4 给出了结构振动能量随隔震支座阻尼系数变化曲 线 ， 从图中可 以看 出， 优化阻 尼系数 约为 1 ． 0 X 1 0 N s ／ m。以上结果说明三条不 同地震波作用 下隔震支座的优化初始刚度系数和阻尼系数分别 具有一致性 ， 利于增层隔震技术的推广应用。 图 6中给 出了 E 1 C e n t r o波作用下结构基底 剪力时程曲线 ， 从 图中可以看出， 增层隔震后结构 基底剪力 比未加层 时结构 的剪力大大减小 。在 E 1 C e n t r o 波 、 K o b e波、 T a f t 波作用下 ， 结构底层 剪 力均方根减 小百 分 比分别 为 5 5 ． 3 ％， 5 2 ． 1 ％ 和 6 5 ． 7 ％。图 7中给出了原结构振动能量时程 比较 曲线， 结果表明增层隔震技术具有较好的耗能减 震性能 时问／ s 图6 E 1 C e n t r o 波作用下基底剪力时程曲线 时间／ s 图7 E L C e n t r o 波原结构振动能量时程曲线 4 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 惫 割 窿 隔震支座位移／ m 图 8 E 1 C e n t r o 波作用下隔震支座恢复力滞回曲线 隔 震 支 座位 移 ／ m 图 9 E 1 C e n t r o 波作用下隔震支座阻尼力滞回曲线 图8与图9分别给出了 E 1 C e n t r o波激励下 ， 隔震支座恢复力和阻尼力滞 回曲线 。从图中可以 看出隔震支座的位移约为 0 ． 0 6 m， 最大恢 复力 为 2 ． 51 0 。 N ／ m。计算在 E 1 C e n t r o波 、 K o b e波 、 瞰波作用下恢复力的滞 回环 面积 ， 耗能分别为 1 ． 1 1 0 。 ， 1 ． 11 0 。和 1 ． 71 0 。 J ， 阻尼力分别耗 能 3 ． 5 1 0 。 ， 4 ． 0 1 0 。 和 5 ． 2 1 0 6 J 。通过 比较可以 发现， 恢复力耗能占隔震支座耗能总量的 1 ／ 4左右。 5 结 论 采用双线性模型模拟隔震支座 ， 对其在增层 隔震技术中的应用进行了研究 。研究结果表明增 层隔震技术类似于 T MD系统 ， 但因子结构质量较 大 ， 能够起到更好的耗能减震效果 ， 且隔震支座为 非线性 ， 具有更好的鲁棒性。隔震支座在不同地 震波作用下的优化参数接近 ， 利于增层隔震技术 的推广。 参考文献 [ 1 ] 祁皑， 林云腾， 郑国琛．层间隔震结构工作机理 研究[ J ] ．地震工程与工程振 动， 2 0 0 6 ，2 6 4 23 9 2 43． [ 2 ] Y a s u h i r o T s u n e k i ， S h i n g o T o r i i ， K a t s u h i d e M u r a k a m i ， e t a 1 ． Mi d d l e s t o r y i s o l a t e d s t r u c t u r a l s y s t e m o f h i s h r i s e b u i l d i n g [ J ] ． J o u r n a l o f D i s a s t e r R e s e a r c h ， 2 0 0 9， 4 3 2 2 9 - 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5 6 5 3 - 6 6 7 ． [ 1 O ]叶昆，李黎， 龙晓鸿．L R B基础隔震结构非线 性动力响应的非迭代时程计算方法[ J ] ．振动与冲 击 ， 2 0 0 8 ， 2 7 1 1 4 6 - 5 0 ． App l i c a t i o n o f M i d dl e S t o r y I s o l a t i o n Te c hn o l o g y i n Add i ng S t o r e y S t r uc t ur e C A [Z h e n ，C A O J i n g b i n ，G E Do n g d o n g 1 ． T h e S e c o n d A r t i l l e r y I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r a l D e s i g n a n d R e s e a r c h ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 1 ，C h i n a ； 2 ． B e r i n g I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r a l D e s i g n a n d R e s e a r c h ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e a pp l i c a t i o n o f s t o ry i s o l a t i o n t e c h no l o g y o n s e i s mi c r e t r o fi t t i n g a n d a d d i ng s t o r y f o r e x i s t i n g bu i l d i n g s i s d i s c u s s e d． Th e r u b b e r b e a tin g i s r e pr e s e n t e d b y b i l i n e a r mo d e l ，a n d t h e o p t i ma l p a r a me t e r s o f rub b e r b e a ri n g a r e a c h i e v e d b y p a r a me t ri c s t u d y ．S e i s mi c r e s p o n s e s o f a c e r t a i n b u i l d i n g i n t h e p r e s e n c e a n d a b s e n c e o f a d d i n g s t o ry a r e c o mp a r e d．Th e o p t i ma l p a r a me t e r s a r e c o ns i s t e n t wi t h e a c h o t h e r wh i l e s t ruc t ur e s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t e a r t h q u a k e r e c o r d s ．T h e b e h a v i o r o f a d d i n g s t o r y i s o l a t i o n s y s t e m i s s i m i l a r t o t h e t u n e d ma s s d a mp e r s y s t e m，b u t t h e ma s s o f t h e f o r me r i s l a r g e r t o o b t a i n b e t t e r e n e r g y d i s s i p a t i o n p e r f o r ma n c e ．T h e s e i s mi c r e s p o n s e o f o r i g i n a l s t ruc t u r e c o u l d b e mi t i g a t e d e f f e c t i v e l y ． Ke y wo r dsmi d d l e s t o ry i s o l a t i o n；s e i s mi c r e t r o fit ；bi l i n e a r mo d e l ；r u b b e r b e a r i n g