混凝土结构消能加固中能力谱法的应用研究.pdf

第 3 6 卷第 4期 2 0 1 0年 8月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e l 67 混凝土结构消能加固中能力谱法的应用研究 解文峰 ， 曹炳政 1 ． 四川农业大学都江堰分校， 四川 都江堰6 1 1 8 3 0 ； 2 ． 上海市建筑科学研究院， 上海2 0 0 0 3 2 摘要 简要介绍了建筑物消能减震结构基于能力谱法的分析过程 ， 给出了消能阻尼器的附加阻尼比计算式， 并采用消能减 震技术对某既有办公楼进行了抗震加固分析。结果表明， 消能加固后能显著提高原结构的抗震性能， 从而实现建筑物“ 中震 下使用无害， 大震下保证人身安全” 的性能目标。 关键词 消能加固； 能力谱法； 等效阻尼比； 粘滞阻尼器 中图分类号 T U 5 9 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 0 0 41 6 7 04 Ap p l i e d i n v e s tig a t i o n o f c a p a c i t y s p e c t r u m i n e n e r g y d i s s i pa tio n d e s i g n o f c o nc r e t e s t r uc t ur e XI E We n f e n g ， CAO Bi n g z h e n g 1 ． D u j i a n g y a n C a mp u s ， S i c h u a n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， D u j i a n g y a n 6 1 1 8 3 0 ， C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i R e s e a r c h I n s ti t u t e o f B m l din g S c i e n c e s ， S h ang h a i 2 0 0 0 3 2 ， C n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e b ri e fl y d e s c ri b e s t h e a n a l y s i s o f t h e p r o c e s s b a s e d O N t h e c a p a c i ty s p e c t r u m me t h o d o f t h e e n e r g y d i s s i p a t i o n s t r u c t u r e， a n d g i v e s t h e c alc u l a t i o n e q u a t i o n o f t h e a d d i t i o n al d a mp i n g r a t i o o f t h e e n e r g y d i s s i p a t i o n d am p e r ， a n d a n aly z e s t h e s e i s mi c r e h a b i l i t a t i o n o f the e x i s ti n g o ff i c e b u i l din g wi t h t h e u s e o f t h e e n e r gy d i s s i p a t i o n t e c h n o l o gy ． Th e r e s ult s p r o v e tha t e n e r gy d i s s i p a t i o n u p g r a d e v a i l s i g n i fic an t l y i mp r o v e t h e p e r f o r man c e o f the o ri g i n a l s t r u c t u r e a g a i n s t t h e e a r t h q u a k e ， an d g u a r a n t e e t h e s a f e t y p e rf o rm an c e ai m s o f t h e b u i l di n g w i t h the u s e t o t h e me d i u m- m a g n i t u d e e a r t h quake a n d n 0 d ang e r t o the h i gh- m a g n i t u d e e a a h qua k e ． Ke y wo r d s t h e e n e r gy d i s s i p a t i o n s t r e n g t h e n i n g ； t h e c a p a c i t y s pec t r u m me t h o d； e q u i v ale n t d a mp i n g r a t i o ； v i s c o u s d am per O 引 言 所谓阻尼器是指安置在结构 系统上 的“ 特殊 ” 构件 ， 可以提供运动的阻力 ， 耗散输入结构的地震能 量。在小震作用时， 阻尼器能在主体结构进入弹塑 性变形之前进入工作而消能， 产生弹性甚至弹塑性 变形， 表现出较强的非线性； 在大震作用时， 主体结 构处于弹塑性状态 ， 阻尼器也进入非线性状态 。因 此， 减震结构 的分析方法应采用非线性 时程分析法 或静力弹塑性分析法， 而非线性时程分析法 由于受 到结构恢复力模型、 地震波选取 以及非线性求解方 法等影响， 其应用受到一定限制， 所以， 目前使用较 为普遍的是非线性静力弹塑性分析法。其中， 能力 谱法是一种非线性静力 弹塑性分析方法 ， 通常被用 于评价结构在大震作用下的抗倒塌能力， 但对于被 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 1 2 作者简介 解文峰 1 9 7 1 一 ， 男， 重庆云阳人， 讲师， 主要从事建筑科 学教学与研究。 E m a i l x we n f e n g s s c f c ． e d u 动消能减震结构基于能力谱法的研究并不多， 张思 海 剖用被动阻尼器对结构进行 过抗震 加固研究。 本文在此基础上 ， 简要介绍建筑物消能减震 结构基 于能力谱法的分析过程， 并采用消能减震技术对某 既有办公楼进行抗震加固实例分析。 1 消能减震结构性能水平及性能 目 I 一 标 目前 ， 大多数研究 者将性 能水平 分成 5个 水 平H J ， 即使用 良好、 使用无 害、 人 身安全 、 防止倒塌 和倒塌。根据消能减震结构的特点并结合我国的抗 震规范 ， 将消能减震结构 的性能水平划分为 4个水 平， 即使用良好、 使用无害、 人身安全和防止倒塌更 为合理。据有关文献 ， 对于钢筋 混凝土框架结构用 层问位移角作为性能水平的量化指标， 层问位移角 限值可分别取 使用 良好 ， [ 0 ]1 ／ 8 0 0； 使用无 害， [ 0 ] 1 ／ 5 0 0 ； 人身安全， [ 0 ] 1 ／ 2 0 0 ； 防止倒塌， [ 0 ] 1 ／8 0。 性能目标是指在设定的地震地面运动水准下建 筑的预期性能水准 ， 性能 目标 的确定需要设计者协 1 6 8 四川建筑科学研究 第 3 6卷 同业主根据建筑物的重要性、 建筑物所在地 的设防 烈度 、 结构及非结构的性能和造价 、 震后的各种损失 和修复难度等综合确定 。我国现阶段的抗震设 防目 标是“ 小震不坏、 中震可修、 大震不倒” ， 该目标可以 满足各类结构的最低性能要求 。而基于性能的抗震 加固是要结构构件在不同地震风险水平下满足不同 的性能目 标要求， 结合多数学者研究成果， 可将被动 消能减震结构的性能目标分为三类 1 基本性能目 标， 即在小震作用下使用良好、 中震作用下保证人身安全、 大震作用下建筑物不会 倒塌 ； 2 重要性能目 标， 即在中震作用下使用无害、 大震作用下保证人身安全； 3 特别性能 目标 ， 即在中震作用下使用 良好、 大震作用下使用无害。 2 基 于能 力谱 法 的消 能减 震 加 固技 术分析原理 2 ． 1 能力谱法分析过程 对于能力谱法在被动消能减震结构中应用 的特 殊性 ， 分析过程为 1 对设置被 动消能器的结构进行推覆分析 ， 得到基底剪力和顶点位移关系， 即推覆曲线。 2 假设结构的顶点目标位移， 计算结构等效 阻尼比， 建立设计所需谱 曲线。等效阻尼 比按 确定， 和 IV s 分别表示假定顶点位移 下 l l S 循环一周所耗散的能量和结构最大应变能。 3 将推覆 曲线转变为能力谱 曲线， 即谱加速 度一谱位移曲线。谱加速度s 和谱位移 5 按 S T ， ，S 计 算， 其中 V 表示基底剪力； 表示 1 r 1 』1 结构顶点位移； 表示第一振型向量在顶层值 通 常正规化为 1 ； 为第一振型模态重量； F 为第 一 振型参与系数。 4 将第 3步得到的能力谱 曲线与第 2步得到 的需求谱曲线画在 同一坐标系下 ， 得到两曲线交点 S ， 5 。 ， 进而可确定顶点位移 。 5 将第 4步计算的顶点位移同初始假定的顶 点位移相 比较 ， 如果二者相差较大 ， 则重复第 1～4 步， 直到二者差值小于某一限值为止。 6 确定层 问位移 ， 计算构件及消能器 内力反 应， 校核构件截面配筋并进行阻尼器设计。 2 ． 2 推覆曲线及设计需求谱 能力谱法中最重要的两点是需要得到合理的推 覆曲线和需求曲线， 通常消能元件既提供附加刚度 又提供附加阻尼。因此 ， 正确考虑消能元件对推覆 曲线和需求 曲线的影响是被动消能减震结构基于能 力谱法分析的关键。 2 ． 2 ． 1 推覆 曲线 推覆 曲线反映 了建筑结构抵抗水平荷载的能 力， 它是将一种单调增加而特性不变的水平荷载施 加到一简化后的数学模型上得到的。选取不同类型 阻尼器的结构推覆曲线有所不同 图 1 ， 除了粘滞 阻尼器外， 其他类型的阻尼器都将不同程度地增加 结构刚度， 为此， 结构在设置阻尼器前后的推覆曲线 发生改变。 顶点水平位移 a 金属屈服型阻尼器 尴 糊 顶点水平位移 b 摩擦型阻尼器 顶点水平位移 顶点水W - I c 牯弹型阻尼器 d 粘滞型阻尼器 图 1 设置不同阻尼器前后的推覆曲线 F i g ． 1 T h e p u s h - o v e r c u r v e s wi t h a n d wi t h o u t d i ffe r e n t da mpe r s 2 ． 2 ． 2 设计需求谱 需求谱一般可用两种方法求得 一种是采用地 面运动加速度时程作为结构 的输人 ， 直接计算该地 面运动对应于一系列阻尼 比的 S 。 一S 谱 曲线； 另一 种是根据现行规范的加速度反应谱， 按一定的关系 转化为 S 谱陆线。 2 ． 3 等效阻尼比计算 消能减震结构 的等效阻尼 比一般 由两部分组 成， 即 ， 其中 为结构本身在振动过程中 提供的阻尼比； 为阻尼器提供的附加阻尼 比。关 于阻尼比 ， 许多研究者进行 了广泛研究 ， 提出了多 种计算方法， 对于消能减震混凝土结构可采用 G t i l k a n和 S o z e n提 出的公式 0 ． 2 11 ／ ， 式中 为弹性阶段原结构粘滞阻尼 比； 为消 能减震结构的位移延性系数。而阻尼器提供的附加 阻尼 比 ” ， 对于位移型阻尼器其阻尼比仅与阻尼器 相对位移有关 ， 与结构振动频率无关 ， 按规范提供的 解文峰 ， 等 混凝土结构消能加固中能力谱法的应用研究 1 6 9 公式计算 ； 对于速度 型阻尼器其阻尼 比不仅与结构 变形有关 ， 也与结构频率 紧密相关。对于安装粘滞 阻尼器后的附加阻尼比可按下式计算 ， 即 1 ,4 w J f W i ＼ ，L 2 1一 午 I g 9 r l 2 ． 4 耗能结构构件的计算 消能减震结构构件的内力 ， 不仅与结构 的最大 变形有关 ， 而且与所安装阻尼器的类型有关 。对于 位移型阻尼器 ， 当位移达到最大时， 阻尼器恢复力也 达到最大； 而对于速度型阻尼器， 当结构位移最大 时， 振动速度为零 、 阻尼力也为零 ； 当振动速度最大 时， 阻尼力最大、 结构位移为零、 各层剪力最小。为 此， 计算该类 型的构件 内力 时， 需考虑结构最 大位 移、 最大速度和最大加速度的不利情况 。 3 消能减震加固算例 3 ． 1 工程概况 某既有 6层办公楼， 各层层高分别为 4 ． 2 m 底 层 、 3 ． 6 m 其余层 ， 典型竖 向构件 截面尺寸及配 筋如图2所示。该办公楼所处场地类别为 Ⅱ类 ， 场 地特征周期 0 ． 4 s ， 抗震设防 8度 ， 设计地震分组 为 第二组， 设计基本地震加速度值为0 ． 2 g 。代表性框 3 0 06 00 3 004 00 3 0 06 0 0 3 0060 0 30 0 x4 0 0 3 0 06 0 0 3O 060 0 30 04 0 0 3 0 06 00 3 0 o6 0 0 3 0 04 0 0 3 0 06 00 30 06 0 0 3 0 04 0 0 3 0 06 00 3 0 0 x6 0 0 3 0 04 00 3 0 06 00 3 00 0 1 8 1 2 8 2 0 1 8 2 2 l 2 O l l 8 2 O i 8 2 0 1 8 2 O 1 8 2 0 2 1 8 同下层梁 2 2 ； 2 4 2 2 2 2 2 0 2 2， 0 2 2 2 2 同下层梁 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 4 2 2 2 4 25 2 2 2 5 2 2 2 5 2 2 25 梁下部配筋 __ 4 2 5 4 图2 典型框架构件截面及配筋 F i g ． 2 Th e C R O S S s e c t i o n a n d t h e r e i n f o r c e m e n t o f t h e t y p i c a l f r a me c o mp o n e n t 架各层等效重力荷载分别 为 7 6 8 ． 0 k N 底层 、 6 9 0 ． 0 k N 其他层 ， 梁柱混凝土采用 C 3 0， 主筋采用 H R B 3 3 5级热轧钢筋。考 虑办 公楼的重要性 ， 即保 证办公楼在震后能够继续使用， 为此应按重要性能 目 标进行评估， 即中震下使用无害， 大震下保证人身 安全。 3 ． 2分析程序 采用 S a p 2 0 0 0程序进行推覆 分析 ， 该 程序 用塑 性铰来模拟梁柱构件材料非线性性能。杆件的塑性 变形集中于两端， 中部为弹性变形， 主要有弯曲铰、 轴力铰、 剪力铰和弯轴耦合铰。框架中梁铰常用弯 曲铰， 柱铰常用弯轴耦合铰。 3 ． 3 原结构抗震性能评价 对结构进行了推覆分析， 按上述原理将顶点位 移、 基底剪力转化为能力谱曲线 图3 。根据等能 量原理将能力谱曲线转化为双折线 图 3 。原结构 顶点屈服位移 5 6 mm， 对应的基底剪力 3 9 9 k N。 图 3 原结构能 力谱 曲线 Fi g ．3 Th e c a p a c i t y s p e c t r u m c u r v e o f t h e o r i g i n a l s t r uc t ur e 3 ． 3 ． 1 中震下原结构抗震性能 假定结构在中震下顶点目标位移为 8 8 m l T l ， 延 性 比 1 ． 5 7， 结构等效阻尼 比0 ． 0 8 9 ， 按上述方法建立 中震下的需求谱。并将之与能力谱绘制于同一坐标 系下 图 4 ， 可得交点 7 5， 0 ． 1 0 5 g 。由转换 系数 J r 1 可得结构顶点位移为 9 0 m m， 与假定顶点 目标位 移非常接近。 图4 原结构能力谱曲线与中震需求谱曲线 F i g ．4 T h e ca p a c i t y s p e c t r u m c u r v e o f th e o r i g i n a l s t r u c t u r e a n d th e d e ma nd s p e c t r u m c u r v e o f t he m e d i um m a g n i t ude e a r t hqu ake ∞ “如 加 m兮 ∞ O O O 0 O O O O 1 7 0 四川建筑科学研究 第 3 6卷 在中震作用下 ， 原结构各楼层层间位移、 层间位 移角见表 1 。 表 1 中震下楼层层间位移及层间位移角 Ta b l e 1 T h e d i s p l a c e me n t a n d d i s p l a ceme n t an g l e b e t we e n t h e fl o o r s i n t h e me d i u m - ma g n i t u d e e a r t hq u a k e 楼层 1 2 3 4 5 6 层 问位移／ m m 5 0 2 3 1 1 7 3 2 层间位移角 1 ／ 8 4 1 ／ 1 5 6 1 ／ 3 2 7 1 ／ 5 1 4 1 ／ 1 2 0 0 1 ／ 1 8 0 0 由表 l 可知， 结构部分楼层已进入弹塑性状态， 不能满足中震下使用无害的性能目 标要求。 3 ． 3 ． 2 大震下原结构抗震性能 经计算表明， 大震作用下其能力谱曲线与需求 谱瞌线无交点 图5 ， 不能满足大震下保证人身安 全的性能 目标。 图5 原结构能力谱曲线与大震需求谱曲线 ．5 T h e c a p a c i t y s p e c t r u m c u r v e o f t h e o g ln a l s t r u c t u r e a n d th e d e man d s pe c t r u m c u r v e o f the h i g h ma g n i tud e ea r t h q u a k e 2 5 弹性 状 态。当结 构 每 层 设 置 阻 尼 系 数 为 2 ． 9 0 5 k N s ／ m m 的粘滞阻尼器后 ， 结构基本能满足 中 震不坏或轻微损坏的目 标。 图 6 消能结构能力谱曲线与中震需求谱曲线 F i g ． 6 Th e c a p a c i t y s p e c t r u m c u r v e o fth e e n e r g y d i s s i p a t i o n s t r u c t u r e a n d th e d e man d s p e c t r u m c u r v e o f th e me dium- ma g n i t u d e e a r t h q u a k e 如图7 所示， 大震作用下， 同样数量阻尼器的结 构也基本能满足人身安全的性能 目标 。 图 7 消能结构能力谱曲线与大震需求谱曲线 F i g ． 7 Th e c a p a c i ty s p e c t r u m c u r v e o f the e n e r g y d i s s i p a t i o n s t r u c t u r e a n d t h e d e ma n d s p e ctr u m c u r v e o f th e h i g h - mag n i t u d e e a r t h q u a k e 4 结 论 本文采用能力谱法， 对某既有办公楼进行粘滞 阻尼器加固后的消能减震分析表明， 消能减震结构 具有较强的耗散地震能量的能力 ， 通过调整阻尼器 数量和参数， 可以实现结构在不同地震风险水平下 的抗震性能 目标。 参 考 文 献 [ 1 ] C B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范[ s ] ． [ 2 ] 张思海， 梁兴文， 等． 被动耗能减震结构基于能力谱法的抗震 设计方法研究[ J ] ． 土木工程学报， 2 0 0 6 ， 3 9 7 2 6 - 3 2 ． [ 3 ] 郑九建． 粘滞阻尼减震结构分析方法及设计理论研究[ D ] ． 北 京 中国建筑科学研究院， 2 0 0 3 ． [ 4 ] B e r t e m V V ． T h e N e e d f o r M u l t i l e v e l S e i s m i c D e s a C ri t e r i a [ C] ／ ／P r o c e e d i n g l 1 Wo r l d C o n f e r e n c e E a r t h q u a k e E n g i n e e r ． Me x i c o． 1 9 9 6．