屈曲约束支撑及粘滞阻尼器在抗震加固中的应用陈晓强;李霆;陈焰周【摘要】In this paper, the traditional and new seismic strengthening methods were summarized and compared. Two energy dissipation devices, the buckling-restrained braces and viscidity dampers, were introduced as well as the application of them to seismic strengthening. A new energy dissipation technology for seismic strengthening with the combined use of buckling-restrained braces and viscidity dampers was proposed emphatically. Then, this new technology was used for the seismic strengthening design of an existing building. The seismic analysis results of this building verified the effectiveness and performance of this new seismic strengthening method.%本文简要对比了目前常用的抗震加固方法；介绍了屈曲约束支撑及粘滞阻尼器这两种消能减震元件的特性,以及它们在结构抗震加固中的应用；阐述了采用屈曲约束支撑及粘滞阻尼器进行联合消能减震的抗震加固技术,并结合一栋既有综合楼的抗震加固设计,给出了这种联合消能减震技术的应用方法,计算分析结果表明了这种方法的有效性.【期刊名称】《土木工程与管理学报》【年(卷),期】2011(028)003【总页数】5页(P328-331,335)【关键词】抗震加固;屈曲约束支持;粘滞阻尼器;消能减震【作者】陈晓强;李霆;陈焰周【作者单位】中南建筑设计院股份有限公司,湖北武汉430071;中南建筑设计院股份有限公司,湖北武汉430071;中南建筑设计院股份有限公司,湖北武汉430071【正文语种】中文【中图分类】TU352.1+1地震是人类社会最主要的自然灾害，我国也是遭受地震灾害最严重的国家之一。
在历次地震中，建筑物的破坏和倒塌是造成大量人员伤亡的直接因素。
限于目前还无法准确预测和预报地震，只能通过对建筑物进行抗震设计来减少或避免人员伤亡。
按照相应规范进行了抗震设计的建筑物，能够抵抗相应烈度的地震，这已经在多次地震中得到了验证，这说明目前我国的抗震设计是必要的，也是有效的。
但是，目前我国仍存在大量未进行抗震设计的建筑，还有一些建筑虽进行了抗震设计但不满足现行规范的要求。
为确保这些建筑在遭遇地震时不发生较大破坏，必须对其进行抗震加固。
本文介绍了屈曲约束支撑及粘滞阻尼器这两种消能减震元件的特性，重点阐述了同时采用屈曲约束支撑及粘滞阻尼器进行联合消能减震的抗震加固技术，并结合一栋既有综合楼的抗震加固设计，介绍了该技术的具体加固设计方法及加固效果，证明了该方法的可行性。
1 抗震加固方法简介抗震加固是指对正在使用的既有建筑进行加固、维修、改造，提高其抗震性能，满足抗震鉴定的要求［1，2］。
目前，我国抗震加固工程主要采用直接加固梁柱构件、增设抗震墙等抗侧力构件、增设支撑、设置外部框架等方法。
这些传统方法主要通过提高结构自身的刚度和强度，抵抗地震作用，属于“硬碰硬”的刚性抗震。
它们在提高结构自身抗震能力的同时，也一定程度上加大了地震作用效应，而且施工相对复杂，施工周期长，通常需要中断建筑物的使用。
近年来，一些学者及工程技术人员尝试将消能减震技术应用到既有建筑的抗震加固中来［3～8］，这改变了传统的刚性抗震加固思想，通过增设消能元件消耗输入到结构中的地震能量，减小原有主体结构遭受的地震作用，从而避免主体结构发生严重破坏或倒塌，达到了柔性抗震加固的目的。
这种消能减震的加固技术，仅需要增设一些消能元件，安装简单、施工周期短，对建筑物使用干扰小，并且可更换。
新的《建筑抗震加固技术规程》(JGJ 116-2009)已经吸纳了“消能支撑”这一消能减震加固技术［1］。
由于消能减震技术在建筑工程中还未广泛使用，而且消能元件单价较贵(加固综合费用并不贵)，在结构抗震加固中应用还比较少。
同时采用屈曲约束支撑及粘滞阻尼器进行联合消能减震的抗震加固技术更是鲜有见闻。
2 屈曲约束支撑及粘滞阻尼器特性2.1 屈曲约束支撑屈曲约束支撑属于位移相关型消能元件，其基本工作原理为:支撑结构在地震作用下所承受的轴向力作用全部由支撑中心的芯材承受，该芯材在轴向拉力和压力作用下屈服耗能，而外围钢管和套管内灌注混凝土或砂浆提供给芯材弯曲限制，避免芯材受压时屈曲失稳。
由于没有受压失稳问题，在相同承载力条件下，屈曲约束支撑相比普通钢支撑，截面可以大大减小，使结构在小震弹性状态下的抗侧刚度减小，延长了结构周期，减小了地震作用。
屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力，在中震和大震情况下，率先屈服耗能，有效减小输入到其余主体结构构件中的地震能量，起到结构“保险丝”的作用，保护主体结构构件不发生严重破坏［9］。
2.2 粘滞阻尼器粘滞阻尼器属于速度相关型消能元件，一般是由缸筒、活塞、阻尼孔、粘滞流体材料和导杆等部分组成，利用活塞与缸筒之间相对运动时所产生的压力差，挤压迫使粘滞流体材料从阻尼孔中通过，从而产生阻尼力，通过粘滞耗能耗散能量。
粘滞阻尼器的阻尼力为:式中，C为阻尼系数，V为阻尼器两端相对运动速度，α为阻尼指数。
工程中所用粘滞阻尼器α一般取值为0.2～1，当α=1时阻尼器为线性阻尼器，当α＜1时为非线性阻尼器。
线性阻尼器出力与速度成正比，小震时出力很小，大震时出力很大;非线性阻尼器相比线性阻尼器，小震时就有较大的出力，大震时出力不会非常大。
对于建筑结构消能减震而言，非线性阻尼器通常更适合，它在小震下就可以起到一定的减震作用，而且可以起到抗风作用;大震时，出力又不会非常大，避免了传到相连主体结构构件上的阻尼力过大导致这些构件事先破坏。
3 屈曲约束支撑及粘滞阻尼器在抗震加固中的应用3.1 应用现状作为典型的消能元件，近年来，屈曲约束支撑及粘滞阻尼器在建筑结构消能减震设计中已经得到应用，新的抗震规范已经对消能减震结构设计提出了一些基本设计原则和要求［10］。
借鉴了在结构抗震设计中的应用经验，屈曲约束支撑及粘滞阻尼器在一些重要建筑抗震加固中也开始得到应用，例如:北京火车站加固改造工程［3］，北京饭店抗震加固工程［4］，五台山体育馆加固工程［5］，还有一些多高层建筑抗震加固中也分别选用了这两种消能元件中的一种［6～8］。
3.2 屈曲约束支撑及粘滞阻尼器联合消能减震的抗震加固技术目前，抗震加固中基本是单独采用屈曲约束支撑或粘滞阻尼器。
它们分别是位移相关性和速度相关性阻尼器，具有各自的特性，在工程中只采用其中一种，对整个结构的影响很明确，地震计算分析也相对简单。
因此，同时采用这两种阻尼器联合消能减震的抗震加固工程鲜有见闻。
屈曲约束支撑作为位移相关型阻尼器，在小震作用下处于弹性状态，不能够消能减震，但它给结构增加了一定的侧向刚度，减小了结构小震位移，这点类似普通钢支撑，但相比相同承载力的普通支撑，其对结构侧向刚度的贡献要小很多;中大震下，屈曲约束支撑发生屈服(但不发生屈曲失稳)，起到消能减震作用。
粘滞阻尼器作为速度相关型阻尼器，小震下可以产生较小阻尼力，起到一定的消能减震作用，中大震下则能够消耗更多的地震能量;但粘滞阻尼器不能提供侧向静刚度，如果原结构侧向刚度很弱，小震下位移指标不满足要求，如单纯依赖粘滞阻尼器小震下的动刚度来减小结构位移，往往需要增设大量的粘滞阻尼器，由于粘滞阻尼器价格相对屈曲约束支撑要高，整个工程造价将相当昂贵。
因此，联合运用屈曲约束支撑和粘滞阻尼器进行抗震加固，可以使结构在小震、中震、大震下均能消能减震，容易满足结构小震下的弹性位移要求，使结构同时达到小、大震的抗震设防性能目标。
粘滞阻尼器制作成本相对屈曲约束支撑高很多，其价格也相对贵很多，抗震加固中联合使用时，在实现抗震性能目标的前提下，尽量多使用屈曲约束支撑，少布置粘滞阻尼器，使整个加固工程费用较低。
4 联合消能减震抗震加固工程算例4.1 工程概况本工程为12层钢筋混凝土框架剪力墙结构综合楼，楼顶有一8 m高钢结构造型顶棚。
主体结构呈圆弧形，南北(Y向)宽15～18 m，东西(X向)长57～64 m(外弧线)，南北主要柱距3.00～5.00 m，东西主要柱距7.16～8.00 m;结构层高分别为5.00 m(底层)、4.50 m(2～5层)、2.95 m(6～12层)。
在楼梯、电梯井处设有剪力墙，但剪力墙又薄又少且开了大洞，抗侧刚度并不大，其承担的地震倾覆力矩仅占总地震倾覆力矩的26%。
1～2层为商铺，3～5层为会所，6～12层为住宅。
结构模型如图1所示。
图1 结构模型(含加固消能元件)本综合楼原处于7度设防区，二类场地二组，按照建筑抗震设计规范(2001版)［11］设计施工。
汶川地震后，抗震规范对部分地区的抗震设防烈度进行了调整，该楼所在地区变为8度设防区。
因此，原结构需要根据新抗震设防要求进行抗震鉴定，并进行抗震加固设计。
4.2 原结构设计计算校核利用PKPM软件对原结构进行8度小震弹性阶段的验算表明:原结构在8度小震作用下，其层间位移角计算结果如图2所示(限于篇幅，这里仅图示了结构弱方向X向的计算结果，下同)，部分楼层层间位移角不满足规范要求的1/800［11］;许多梁、柱的原有配筋已不能满足8度小震的设计配筋结果。
剪力墙原有实际配筋基本达到8度小震的计算结果。
整体而言，整个结构的刚度及构件实际承载力均不满足8度抗震设防要求。
图2 8度小震X向层间位移角(X向地震作用)4.3 联合消能减震加固方案若采用传统的加固方法，需要对结构增设剪力墙，还需要对大片的梁柱进行截面加固，一方面影响了结构使用功能，并且造价高、中断建筑使用时间长，而且加固成本高。
因此，可考虑消能减震加固技术。
考虑到原结构刚度及强度(配筋)均不能满足现有的抗震设防要求，根据3.2节所述，采用屈曲约束支撑及粘滞阻尼器联合消能减震的抗震加固技术。
根据4.2节弹性计算结果，首先在主楼四角分别设置X、Y向屈曲约束支撑(图3中BRB)，共计138根;下部5层地震作用下层间剪力较大，而且层高较高，故采用屈服承载力为80 t的支撑，其余楼层则采用60 t的屈曲约束支撑。
