阻尼器在既有建筑抗震加固中的应用

王文星

（南开大学后勤保障处，天津 300071）

0 引 言

随着抗震意识的不断增强，对既有建筑的改造加固也越来越得到重视，以此来达到抗震减灾的目的，保证人身财产的安全。在我国学校建筑中，规范规定在抗震设计时，要求比普通建筑的抗震设防烈度提高一度。在一些高等院校，学校建校时间较长，古建筑或者历史建筑比较多，而过去的抗震设防不够完善，这些建筑往往达不到目前的抗震要求，因此需要对其进行抗震加固［1］。在抗震加固设计前应先进行建筑安全质量鉴定，依据国家现行相关设计规范、施工质量验收规范，从主体结构、构件情况到抗震以及外檐进行鉴定分析，从而使既有建筑在维修加固中达到抗震安全、经济合理的目的［2］。目前抗震加固的方法越来越多，应用最广的修补混凝土结构的方法是粘贴碳纤维［3-4］。

1 工程概况

天津某高校东方艺术大楼建于 20 世纪 80 年代末，为现浇钢筋混凝土框架结构教学楼，建筑平面如图1 所示，由东、西两段建筑组成，两段之间为入口大厅。西段建筑为 3 层，层高：首层 5.6 m（局部设置夹层），2 层为3.2 m，3 层为 3.4 m，室内外高差为 0.15 m，建筑檐口高度为 12.35 m。东侧建筑为 4 层，层高：首层为 5.0 m，2 层为 3.8 m，3 层为 3.4 m，4 层为 3.8 m，室内外高差为0.15 m，建筑檐口高度为 16.15 m。楼盖结构为钢筋混凝土现浇梁、板结构，屋面设计为 200 mm 厚加气混凝土保温、二毡三油防水层平顶屋面。

图1 建筑平面

2 抗震加固方案

通过对东方艺术大楼主体结构及隐蔽部位的检查，发现楼板、梁柱、墙体等存在多道裂缝，为了保证建筑物主体结构的安全性、适用性及耐久性要求，采用了几种抗震加固措施，包括纤维布加固，包钢加固和阻尼器加固等。图2（a）为纤维布加固，图2（b）为包钢加固。本文主要对采用软钢阻尼器和粘滞阻尼器的抗震加固措施进行分析。采取的主要措施是在一楼报告厅和楼梯旁墙体处、2、3 层楼梯旁墙体处及变形较大的房间墙体处设置了 14 个 MYD-S mm 软钢阻尼器和 12 个 VFD-NLX371X mm 粘滞阻尼器。

图2 抗震加固

2.1 阻尼器介绍

结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸能减震技术［5］。耗能减震作为一种被动控制措施是将输入结构的地震能量引向特别设置的机构和元件加以吸收和耗散，从而能够保证主体结构的安全［6］，即：

式中：EK为结构体系的动能；ED为阻尼器耗散的能量；EF为主体结构的非弹性变形滞回耗散的能量；EEQ为地震输入的能量。可通过增大阻尼器耗能能力，即增大ED，达到消能减震的作用。东方艺术大楼的抗震加固采用的耗能减震措施是施加 14 个 MYD-S mm 软钢阻尼器和 12 个 VFD-NLX 371 X mm 粘滞阻尼器。

2.2 软钢阻尼器

软钢阻尼器属于金属屈服阻尼器，利用金属材料在处于临界状态时产生的滞回变形消耗能量，所以也属于位移型消能阻尼器。由于这种阻尼器材质是钢材，需要进行适当的防锈处理。为适应减震层的移动变形，该部分的建筑外墙应设水平缝，但要考虑防水、隔音、防火等，也要注意立面的协调美观。在小震作用时，建筑结构本身就具有足够的刚度，不会发生破坏；在大震作用时，阻尼器首先达到屈服，产生较大的阻尼，达到消耗地震能量的作用［7］。位移型消能阻尼器技术要求很高，纵向水平变形能力≥50 mm，最大抗力应不超过设计值的 ±15 %，延性系数≥10，消能核心构件材质采用软钢。本工程加固中设计的软钢阻尼器材料采用 Q235B 板型钢材，图3 为软钢阻尼器示意图。

图3 软钢阻尼器示意

软钢阻尼器安装工艺过程如下：①在混凝土浇筑前需先将预埋件植入混凝土墙体内部。②将阻尼器吊装到位，待位置调整好以后和预埋件焊接。③观察阻尼器整体安装的协调性，无误后阻尼器及预埋件碰撞处补涂油漆，并将阻尼器喷防火涂料。④最终判断阻尼器的安装位置是否符合设计要求及安装后阻尼器整体美观协调性。安装时要注意所有焊接均为围焊，焊缝要求平整均匀，纹理一致，不得出现咬边，夹渣，虚（漏）焊等。同时要求预埋件、阻尼器与墙中心线在同一平面内。软钢阻尼器安装示意及效果图如图4 所示。

2.3 粘滞阻尼器

粘滞阻尼器一般是由缸体、活塞和流体组成，活塞在缸筒内可作往复运动，活塞上有适量油孔，筒内盛满流体，当活塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞上的油孔内通过，对活塞与筒体间的相对运动产生阻尼，从而耗散运动能量，减小结构的反应［8］。粘滞阻尼器结构示意图和实物图如图5 所示。

图4 软钢阻尼器安装

图5 粘滞阻尼器结构

在建筑结构的某些部位设置阻尼器和钢支撑吸收地震能量，以减轻结构所受的地震作用。事先对需要设置阻尼器和钢支撑的结构节点（一般为框架的梁柱节点），采用粘贴钢板或用螺栓包钢板加固，然后安装钢支撑及阻尼器。粘滞阻尼器外壳为不锈钢材料表面抛光处理，其余材料表面热喷锌加封闭油漆处理，阻尼器产品外观应表面平整、无机械损伤、外表采用防腐措施，涂层应均匀、美观，防腐效果应不低于 50 年。

本项目对 JZN1000X±30 粘滞阻尼器进行试验检验，检验设备采用的是 200 t 电液伺服阻尼器试验系统，设计吨位为 1 000 kN，设计行程为 ±45 mm，测试时采用静力加载试验，控制试验机的加载系统使阻尼器匀速缓慢移动，并记录其伸缩运功的极限位移值。测试时采用正弦激励法，按照正弦波规律变化的输入位移 u=usin（wt），对阻尼器施加频率分别为 0.10、0.212、0.424、0.637、0.847 和 1.06 Hz，连续进行 4 个循环，记录最大阻尼力作为实测值，进行了本构关系试验和最大阻尼力试验。表1 为粘滞阻尼器试验结果。

由表1 可以看出阻尼器样品符合拉伸与压缩的极限位移要求；本构关系性能试验满足阻尼力±15 % 范围要求，且阻尼器外观良好，在整个试验过程中，阻尼器运行正常，无漏油现象。

粘滞阻尼器安装工艺过程如下：①将预埋件及连接螺杆固定到位。②将节点板、阻尼器、法兰、销轴、水平支撑型钢等吊装到位。③斜支撑分别吊装固定到位焊接固定，滑动块焊接固定。④阻尼器及连接座碰撞处补涂油漆，并将阻尼器喷防火涂料。⑤最终判断阻尼器的安装位置是否符合设计要求及安装后阻尼器整体美观协调性。安装时要注意阻尼器的耳环孔中心及节点板孔中心应在同一水平线上，并保持与梁平行，与柱垂直，不得出现明显夹角；阻尼器安装应做到绷紧拉实，不得出现松动和摇晃；所有焊接均为围焊，焊缝与母材等高，焊缝要求平整均匀，纹理一致，不得出现咬边，夹渣，虚（漏）焊；阻尼器连接销轴与孔的间隙公差不超过 0.1 mm。粘滞阻尼器的安装分为两种，分别是人字支撑加固和单斜支撑加固，安装示意及效果图如图6 和图7 所示。

表1 粘滞阻尼器试验结果

3 结 论

本文介绍了软钢阻尼器和粘滞阻尼器对既有建筑进行抗震加固的技术在天津某高校东方艺术大楼的加固工程中的应用情况。可以得到以下几个结论。

1）对于软钢阻尼器，在小震作用时，建筑结构本身就具有足够的刚度，不会发生破坏；在大震作用时，阻尼器首先达到屈服，产生较大的阻尼，达到消耗地震能量的作用。

2）通过试验报告可以得出粘滞阻尼器具有良好的塑性性能，滞回曲线饱满，塑性变形较大，具有较高的初始刚度，抗震性能好，可应用于改造加固工程中。

3）由于阻尼器具有构造简单、施工方便、工期短且经济适用的特点，建议在高校的既有建筑抗震加固中得到推广。

图6 人字支撑加固粘滞阻尼器安装

图7 单斜支撑粘滞阻尼器安装