粘滞阻尼器在房屋加固改造设计中的应用研究

粘滞阻尼器在房屋加固改造设计中的应用研究

朱俊

上海市房屋建筑设计院有限公司上海市200062

摘要：随着当今建筑产业发展迅速，社会对房屋结构质量要求越来越高，旧建筑如何满足新时代、新规范对抗震性能的要求就成了需要解决的问题，而阻尼器在加固改造施工中较为方便，在房屋加固改造设计的应用中也越来越广泛，笔者通过对粘滞阻尼器在房屋加固改造设计中的应用进行研究探讨以及对典型房屋加固工程实例进行分析，总结了阻尼器在房屋加固设计方面的方法模型，优化传统的改造设计方法，提出有效的加固方案，加强粘滞阻尼器在房屋加固中的应用，并希望能推动对粘滞阻尼器在建筑结构加固改造设计中的研究力度，提高我国建筑结构的安全性。

关键词：阻尼器；房屋加固；应用

前言

粘滞阻尼器通过阻尼器抗震系统提高房屋抗震能力，为了更好地提高旧建筑的结构抗震性能，通过深入学习阻尼器应用原理对房屋加固进行有效的方案研究，并针对不同的建筑结构采用不同的结构加固方式，增强房屋建筑结构的抗震性，提高我国建筑结构抗震质量水平。

1.阻尼器在房屋结构中的应用原理及现状

1.1国内外应用研究现状

关于建筑结构加固研究已经经历了长期的发展阶段，各国专家已经深入研究分析了结构加固技术，不同形式的加固结构方式已经应用于建筑工程当中。美国是较早研究利用金属粘滞性进行阻尼器结构加固研究的国家，并在早期的高层建筑中运用了这些技术。加拿大在阻尼器抗震技术方面设计了Pall摩擦阻尼器，这项结构在多项工程建筑中得到应用，提高了结构的抗震性。日本是亚洲较早使用阻尼器结构进行防震的国家之一，就其国家地理位置来看，日本房屋加固结构是建造的重要部分，通过对工程混凝土钢筋结构布置阻尼器进行加固后，取得了良好的抗震效果，并且在有关方面提出了许多典型的工程实例。欧洲国家在这方面也有先进的技术系统，在工程实际中广泛应用这项技术。我国在1980年以来对抗震结构体系进行了一系列研究，试验了各项减震技术，阻尼器结构可以有效减少工程设计复杂性，在原有基础上进行高效抗震，这项加固技术具有广泛的应用前景。

1.2阻尼器在加固结构中应用原理

速度相关型阻尼器一般分为粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器等，粘滞阻尼器是一种根据流体通过节流孔时产生粘滞阻力而产生作用，兼具有刚度与速度的阻尼器，粘弹性阻尼器通过粘滞性材料的剪切滞回来吸收震动能量，增加阻尼能力，由二块钢板组成能产生相对运动的结构，T型钢板和矩形钢板之间夹有粘滞材料，在力的作用下发生相对运动，吸收地震产生的能量，应用于建筑、土木、桥梁等工程当中，通过布置粘滞阻尼器，在地震产生大幅度晃动时吸收对建筑结构产生的冲击破坏力，减少地震对结构产生的破坏力。此类结构加固措施在建筑结构中有广泛的应用，取得了显著的加固抗震效果。

1.3加固工程实际应用分析

在从事加固设计的工作中，比较典型的以上海地区一教学楼为例进行分析，此建筑建于二十世纪，为框架结构，因根据现行《建筑抗震设计规范》，结构需达到七度设防的标准，对此结构进行加固设计。我们通过有限元软件进行三维建模选取了四条地震波，并进行弹塑性动力时程分析，时间间隔选取为0.02秒。在耗费了几十个小时的计算时间后，通过阻尼器设置前后的计算结果对比，发现位移角等抗震数据结果明显得到优化，故决定采用增设阻尼器的加固方式，在不改变原建筑结构使用的前提下，通过建筑修饰遮挡支撑，设置阻尼器达到耗能减震的目的，使结构即使在罕遇地震下弹塑性层间位移角仍处于规范限值范围内。阻尼器使建筑产生大幅震荡时，结构之间相互移动协调变形幅度。根据阻尼力的抗震效果，综合上海地区抗震设防烈度进行粘滞阻尼器参数选择，采用人字型支撑方式安装粘滞阻尼器，共设置了32个阻尼器，这样的加固措施在较为简便的基础上提高了结构抗震能力，使结构在地震情况下的位移角与层间位移比得到明显优化，达到了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的结构抗震设计理念。

2.阻尼器在房屋加固改造设计的优化方案

2.1优化阻尼器分析计算模型

阻尼器的分析计算模型有线性模型、Maxwell模型、Kelvin模型等，相关学者对阻尼器的分析模型展开了大量研究分析，对不同的实际应用采用合理的分析模型。线性模型是仅通过速度决定的线性阻尼器计算模型，抗力由阻尼系数和运动速度决定，利用椭圆关系式判断抗力与位移是否合格，然后建立线性模型及滞回性能示意图。Maxwell模型是针对抗力由不同速度指数的零频率时对应的阻尼系数决定的模型。Kelvin模型适用于粘滞阻尼器由刚度决定时，其阻尼装置抗力与正弦简谐波作用有关，受到阻尼器储存刚度和阻尼常数影响。

2.2增加阻尼器的结构计算方法

常用的增设阻尼器的结构计算方法有反应谱法、时程分析法等，反应谱法是用于耗能结构的线弹性分析方法，不适用于非线性的抗震结构设计。时程分析法是适用于非线性的加固结构设计。在反应谱分析当中，考虑振型阻尼引起的相互之间静态耦合，采用CQC方法和SRSS方法进行振型组合，在上述的工程实例中，根据此教学楼结构特点在多遇地震的工况下可以选择反应谱中的弹性分析，通过等效粘滞阻尼选择合适的阻尼参数，计算出等效阻尼系数。而在大震下教学楼时程分析法采用FNA方法，选择适合时程分析法的地震波，使其与本地的场地特点符合，通过实际地震记录数据和人工模拟建立时程曲线进行时程分析。

2.3完善阻尼器应用参数选择及优化布置

完善阻尼器应用参数选择及优化布置结构，粘滞阻尼器速度指数和阻尼器的结构材料有关，不同的材料组成有不同的速度指数，降低速度指数可以提高阻尼比，有效控制地震产生的位移，提高结构抗震性，速度指数直接影响阻尼器抗震效果，保障结构在剧烈震动中有高效的抗震能力，针对地震产生的位移进行动态协调，维持相对位移在可调节范围内。根据不同的建筑结构材料采用不同的布置方式，如果建筑结构以钢筋混凝土为主时，采用焊缝连接或螺栓连接方式连接支撑结构和预埋结构；如果建筑是由钢结构构成，可以通过焊缝直接连接、连接板间接连接、螺栓连接等进行支持与主体结合。通常的布置方式分为四种，有斜向型安装、人字型安装、剪刀型安装和肘节式安装。斜向型安装优点是结构简单、方便布置、阻尼器相对位移较小；缺点是安装占空间较大、连接节点承受力重、不方便内部装修通行。人字型安装阻尼器可以高效利用建筑吸能功能，有利于侧向稳定结构建造，阻尼器位移正好符合结构层间侧移。剪刀型安装能够很好解决建筑布置与阻尼结构布置之间的矛盾，扩大了结构空间范围，但安装工艺复杂。肘节式安装能够更好地吸收能量，提高阻尼力，在结构造型方面安装较难。

3.结语

为了使旧建筑满足新时代、新规范对建筑结构安全性的要求，提高房屋结构在使用过程中的安全可靠性，通过在结构中增设粘滞阻尼器来提高抗震性能，实现房屋加固改造的目的而对房屋工程实例进行分析，详细探讨了阻尼器分析计算模型及粘滞阻尼器的结构计算方法，完善阻尼器应用参数选择及优化布置，选择合适的参数进行应用，合理安排粘滞阻尼器的布置，有利于粘滞阻尼器在抗震方面发挥更显著的作用。

参考文献：

[1]陈永祁，杜义欣.液体粘滞阻尼器在结构工程中的最新进展[J].工程抗震与加固改造，2006，28（3）：65～72.

[2]北京火车站抗震加固与改造设计项目组.北京火车站抗震鉴定与加固技术[J].工程抗震，2003，3（1）：25～29.