上海市某既有公共建筑减震加固设计

陈泽赳 张晓光

（1.华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002；2.上海同程建设科技工程有限公司，上海 200092）

1 项目概况

房屋位于上海市金山区时代大道888 号，建于2011年，上部结构设缝分成Ⅰ-1区、Ⅱ-1及Ⅱ-2区。其中，Ⅰ-1区为特别不规则多层结构，功能由办公改为护理院，本文重点介绍Ⅰ-1 区的结构消能减震的改造思路。

房屋为三层现浇混凝土框架结构，南北向总长为95.8 m，东西向总长为47.2 m，建筑面积约为5 688 m2。室内外高差为0.450 m，一层层高为4.80 m，二层层高为4.20 m，三层为闷顶，屋脊标高为13.60 m。不设地下室，采用桩基础，桩型为300 mm×300 mm的预制混凝土方桩，桩长27.0 m。桩端进入⑤2层粉质粘土层，单桩竖向承载力特征值930 kN。建筑总平面图及建筑外观如图1、图2所示。

图1 建筑总平面图Fig.1 General building plan

图2 建筑外观Fig.2 Building appearance

柱网尺寸主要为7.2 m×7.2 m，框架柱截面尺寸主要为500 mm×500 mm、φ750 mm；南北向框架梁截面尺寸主要为250 mm×800 mm，东西向框架梁截面尺寸主要为250 mm×800 mm。楼面板为120 mm，屋面板为130 mm。

建筑单体体型复杂，存在以下特征：①凹凸不规则：建筑平面两侧局部突出明显，平面为凹形；②楼板不连续：建筑中庭部位存在楼板大开洞；③扭转不规则：扭转位移比大于1.2 但小于1.4。为特别不规则多层结构。

建筑抗震设防烈度为7 度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.10g，场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.9 s。基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙度为B类。

2 存在的问题及解决思路

2.1 存在的问题

本工程后续使用年限为50 年［1-2］，按C 类钢筋混凝土房屋进行改造加固设计，本次改造主要将原建筑功能由招商中心（办公）改为护理院，抗震设防类别由丙类调整为乙类。相应框架的抗震等级由三级调整为二级，另外根据功能需要新增电梯，楼面新增设备，局部改变分隔墙体等。

根据建筑功能的变化对原结构计算分析并复核结构整体指标及构件配筋，本结构主要存在扭转周期比较大、框架配筋不足、部分构造措施不满足规范要求的问题。主要原因为丙类建筑设防标准提升为乙类建筑，尽管地震作用不提高，但框架结构的抗震等级由三级提高至二级，框架梁柱的内力调整系数增大（表1），抗震等级二级的框架抗震构造上要求角柱全长加密。

表1 框架梁柱内力调整系数Table 1 Internal force adjustment coefficient of frame beam and column

因此，实际工程中需要对承载能力不足、构造不满足规范要求的框架梁柱采用包钢或增大截面的方式加固；同时需要调整外围框架截面，增加框架抗扭刚度。这样改造对建筑的外立面及原有室内的装修破坏很大，也会使工程综合造价提高。

2.2 解决思路

以往类似项目常采用在原结构中增设剪力墙的方式，将框架结构调整为框架剪力墙结构，框架部分的抗震等级仍可按三级设计。但增设墙体后，结构刚度和地震力均会增加，拆除和加固的工程量较大。

参照地方标准［3］和行业规程［4］的相关条文，结构在罕遇地震下的层间位移角较小（1/120），塑性发展水平较低（中度损伤以下），结构的抗震等级和抗震构造措施要求可适当降低，最大降低程度可达1 度。本文拟采用设置黏滞阻尼器（简称VFD）/粘滞阻尼墙（简称VFW）的消能减震设计，通过布置消能器增加结构附加阻尼比，从而提高整体抗震性能，减小结构地震反应。

本工程在不同地震水准下的抗震性能目标为：

（1）多遇地震下通过设置黏滞阻尼器（墙），尽量减小原结构的加固工程量。

（2）设防地震下，适当提高结构的抗震性能，使结构满足性能水准3（抗弯不屈服，抗剪弹性）的要求。

（3）罕遇地震下，适当提高位移角限值至1/120 以降低框架抗震等级及框架柱配箍率要求［3-4］。通过检验结构的塑性发展性能，使整体结构满足罕遇地震不倒的同时，大幅改善结构构件的塑性发展情况。

性能设计的主要参数见表2。

表2 性能设计主要参数Table 2 Main parameters of performance design

2.3 消能减震方案

结合建筑室内平面布置，阻尼器在典型楼层的设置如图3所示，消能构件主要参数详见表3。

表3 消能构件主要参数Table 3 Main parameters of energy dissipation components

图3 标准层消能构件布置Fig.3 Layout of energy dissipation components in standard floor

3 减震弹性分析

3.1 基于复模态的振型分解反应谱法

程采用PKPM6.1版，进行多遇地震下基于复模态振型分解反应谱法的等效弹性迭代计算。PKPM软件中标准层消能构件布置如图4所示。

图4 PKPM软件中标准层消能构件布置Fig.4 Layout of energy dissipation components of standard floor in PKPM

通过迭代计算，得到X方向和Y方向的等效总阻尼比分别为14.3%和9.8%。主要计算结果详见表4。

表4 等效弹性计算结果Table 4 Equivalent elastic calculation results

从计算结果可以看出，减震后结构X和Y方向的基底剪力分别为减震前的0.66 和0.78。X向地震力降低约34%，附加阻尼比为9.3%；Y方向地震力降低约22%，附加阻尼比为4.8%。

3.2 多遇地震弹性时程分析

采用SAUSAGE2021 进行多遇地震下的时程分析，质量及周期校核见表5，两个分析模型质量和周期相差较小。

表5 质量及周期校核Table 5 Comparison of mass and period

时程分析地震波的选取考虑场地类别、频谱特性、加速度有效峰值、持续时间及震源机制等方面，在上海地区Ⅳ类场地、特征周期为0.9～1.1 s的地震波库中选取，经试算选择三条地震波：RH2TG090（人工波），SHW2（天然波1），TH4TG090（天然波2）。3 组波的反应谱与规范谱、各组波的平均谱与规范谱在结构周期T1～T3点的地震影响系数的相对误差不大于20%。

基底剪力、层间位移角的计算结果见表6、表7，从计算结果可以看出设置黏滞阻尼器（墙）后，结构最大层间位移角减小至1/1 030左右。

表6 多遇地震弹性时程分析基底剪力Table 6 Base shear force in elastic time history analysis under frequent earthquakes

表7 多遇地震弹性时程分析层间位移角Table 7 Inter story displacement angle in elastic time history analysis under frequent earthquakes

附加阻尼比的计算结果见表8，图5 为SHW2波X向多遇地震时程分析下的能量图。通过设置黏滞阻尼器（VFD）和黏滞阻尼墙（VFW），可为结构提供4.6%～6.9%的附加阻尼。

表8 附加阻尼比计算结果Table 8 Calculation results of additional damping ratio %

图5 SHW2波X向多遇地震时程分析能量图Fig.5 Energy diagram in X-direction frequent earth-quake time history analysis of SHW2 wave

以SHW2（天然波1）X向时程下黏滞阻尼器的工作状态为例，典型黏滞阻尼器VFD、VFW 的滞回曲线如图6 所示。可见黏滞阻尼器在小震时程分析工况下的工作状态正常，滞回曲线饱满，有效消耗了输入结构的地震能。

图6 SHW2波X向多遇地震下阻尼器滞回曲线Fig.6 Damper hysteresis curve in X-direction frequent earthquake time history analysis of SHW2 wave

对比基于复模态的振型分解反应谱法，可以看出两者的结果不完全一致。等效弹性迭代计算的X方向基底剪力减震系数0.66，小于时程分析法计算的0.80～0.82；附加阻尼9.3%，大于时程分析法的4.6%～5.7%；Y方向基底剪力减震系数0.78，略大于时程分析法计算的0.69～0.75；附加阻尼4.8%，略小于时程分析法的6.4%～6.9%。分析原因可能是实际结构在地震力作用下各楼层阻尼器不能同时达到最大出力和位移，采用等效弹性的迭代计算会过大估计这种附加阻尼作用，采用基于时程分析的方法更接近阻尼器的真实受力状态。

4 减震弹塑性分析

减震设计应分析结构在设防及罕遇地震作用下的反应，满足性能化设计要求。由于本单体第一周期T1＜Tg=0.90 s，本节仍选用前述地震波进行设防和罕遇地震下的弹塑性时程分析。

4.1 设防地震弹塑性时程分析

层间位移角结果见表9，设防地震下，结构楼层最大层间位移角为1/252。

表9 设防地震弹塑性时程分析层间位移角Table 9 Inter story displacement angle in elastoplastic time history analysis under fortification earthquakes

以SHW2（天然波1）X向时程下阻尼器（墙）的工作状态为例，典型VFD、VFW 的滞回曲线如图7所示。

图7 SHW2波X向设防地震下阻尼器滞回曲线Fig.7 Damper hysteresis curve in X-direction seismic fortification elastoplastic time history analysis of SHW2

附加阻尼比的计算结果见表10，图8 为SHW波X向设防地震时程分析下的能量图。粘滞阻尼器（墙）设防地震下可为结构提供2%左右的附加阻尼。主体结构自身的塑性发展水平较低，弹塑性阻尼为0.4%左右。

表10 附加阻尼比计算结果（%）Table 10 Calculation results of additional damping ratio（%）

图8 SHW2波X向设防地震时程分析能量图Fig.8 Energy diagram in X-direction fortification earthquake time history analysis of SHW2 wave

4.2 罕遇地震弹塑性时程分析

对减震模型与非减震模型进行罕遇地震弹塑性时程分析，两个模型的层间位移角结果见表11，罕遇地震下的最大层间位移角由非减震模型的1/56 最低减小到1/122，满足本工程预设的1/120的要求。

表11 罕遇地震弹塑性时程分析最大层间位移角Table 11 Inter story displacement angle in elastoplastic time history analysis under rare earthquakes

以SHW2（天然波1）X向时程下各类型消能构件的工作状态为例，典型VFD、VFW 的滞回曲线如图9 所示。由图可知，在大震时程工况下，耗能型支撑和黏滞阻尼器（墙）滞回曲线饱满，充分发挥了减震装置的耗能作用，有效消耗了地震能量。

图9 SHW2波X向罕遇地震下消能构件滞回曲线Fig.9 Damper hysteresis curve in X-direction rare earthquake elastoplastic time history analysis of SHW2 wave

附加阻尼比的计算结果见表12，图10 为SHW2波X向罕遇地震时程分析下的能量图，黏滞阻尼器（墙）罕遇地震下可为结构提供2%左右的附加阻尼。结构自身的塑性发展水平有所降低，弹塑性阻尼由非减震模型的1.0%降低为0.6%。

图10 SHW2波X向罕遇地震时程分析能量图Fig.10 Energy diagram in X-direction rare earthquake time history analysis of SHW2 wave

图11 为SHW2 波X 向罕遇地震下减震模型与非减震模型的性能指标。从图中可以看出，通过设置VFD 和VFW，梁柱构件损伤情况得到改善，大部分为轻度损坏，中度损坏构件仅为2.7%，未出现重度或严重损坏，与非减震模型的中度与重度损坏构件25%相比，抗震性能得到较大的改善。

图11 SHW2波X向罕遇地震下框架性能指标Fig.11 Performance index of frame in X-direction rare earthquake of SHW2 wave

5 减震实施

对结构采用消能减震前后的受力进行对比分析，发现消能子结构的受力有所增加，并需要适当提高其抗震性能至性能3（中震抗弯不屈服，抗剪弹性）。但其他位置的受力和计算配筋减小，原结构的配筋及承载力基本能满足要求。消能子结构梁柱需要进行加固，但其他位置基本无法加固。

由于结构在罕遇地震下的层间位移角为1/122，塑性发展水平较低，结构的抗震等级和抗震构造措施要求可仍按三级设计，综合考虑建筑外立面及室内装修的较少破坏，建筑的总体造价降低。

图12为典型VFD和VFW的施工照片。

图12 消能减震构件施工照片Fig.12 Construction picture of energy dissipation and shock absorption components

6 结论

本文介绍了消能减震分析在某既有建筑改造设计中的应用，得到如下结论：

（1）通过等效弹性迭代计算和小震时程分析，黏滞阻尼器（墙）工作状态良好，可有效发挥其耗能作用，可为主体结构提供5%左右的附加阻尼比。

（2）由于实际结构在地震力作用下各楼层阻尼器不是同时达到最大出力和位移，采用等效弹性的迭代计算会过大估计这种附加阻尼作用，采用基于时程分析的方法更接近阻尼器的真实受力状态。

（3）通过设置消能构件，罕遇地震下结构自身的塑性发展水平非常低，弹塑性阻尼约为0.6%，最大层间位移角仅为1/122。梁柱构件大部分为轻度损坏，少量为中度损坏，未出现重度或严重损坏，有效保护了主体结构的安全。

（4）设置减震构件后，消能子结构的受力有所增加，但其他位置的受力和计算配筋减小。由于结构在罕遇地震下的层间位移角减小，塑性发展水平较低，结构的抗震等级和抗震构造措施要求可仍按三级设计，综合考虑建筑外立面及室内装修的较少破坏，建筑的总体造价降低。

因此，在既有建筑结构的改造加固设计中，可以在结构的特定部位装设某种装置或机构（如消能器、消能支撑等），利用这些减震装置的耗能来减小结构的动力响应，从而使结构在地震作用下的动力响应（如加速度、速度、位移等）得到合理控制。消能减震可避免大量的构件加固工作，节约工程量，缩短结构工期，并确保结构的安全。