奥体体育场加固改造工程消能减震分析与设计

奥体体育场加固改造工程消能减震分析与设计

李文峰　苗启松　覃　阳　刘立杰

(北京市建筑设计研究院　100045)

[提要]　针对消能技术在奥林匹克体育中心体育场加固改造工程中的应用。讨论了消能减震结构的分析及

设计方法和设计思路、液体粘滞阻尼器的参数选择、布置方式、消能结构构件设计方法等问题。根据不同加固方案的对比分析,在抗震加固工程中采用消能减震装置可明显减小地震力,并减小新加支撑附加给既有结构的地震力。消能减震设计宜根据建筑功能要求、结构变形形式布置消能装置。

[关键词]　抗震加固　消能减震技术　液体粘滞阻尼器

ApplicationofSeismicReductionTechnologyinAseismicStrengtheningforStadiumofOlympicCenterΠLiWenfeng,MiaoQisong,QinYang,LuLijie(BeijingInstituteofArchitecturalDesign,Beijing100045,China)

Abstract:ApplicationofenergydissipationdeviceinStadiumofOlympicCenterisintroduced.Methodofstructuralanalysisanddesignofstructurewithenergydissipationdevice,determinationofdeviceparameters,schemeofinstallation,designmethodofcomponentsarediscussed.Byresultsofcontrastbetweendifferentretrofitschemes,itcanbeconcludedthatapplicationinstructuralretrofitcanreducestructuralseismicresponseandtheinternalseismicforceofcomponentfrombracenewly2addedsignificantly.Inenergydissipationdesignofstructure,thelayoutenergydissipationdeviceshouldbeplannedaccordingtodemandofarchitecturaldemandandstructuraldeformationtype.Keywords:seismicstrengthening;seismicenergydissipationtechnology;viscousdamper

0　引言

奥体中心体育场始建于1989年,结构设计依据74～78规范。自建成使用至今已16年,体育场结构出现了较多的耐久性问题。为满足奥运会新的功能使用要求,拆除原结构东西看台及屋面钢罩篷;增加了层3,4用房;新增楼座看台和钢罩篷。新增上部结构采用钢结构,下部两层为原有混凝土框架,其抗震等级为特一级。在该工程中,采用了消能减震装置以减小结构地震响应。

1　加固方案比较

新增上部结构采用钢结构,下部两层为混凝土框架。为提高结构抗震性能并减小梁柱的加固量,考虑了设置抗侧力构件或消能支撑。设置剪力墙对建筑功能的影响较大;因为下部两层刚度较大,设置抗侧力构件后,框架梁柱在地震作用下内力变化不是很明显。在抗震加固工程中应用消能减震技术与增设剪力墙或钢支撑相比,有如下优点:1)对建筑功能影响小,布置方式灵活。多数消能装置采用消能器+钢支撑的方式安装在结构中,对交通、采光、通风的影响相对较小;2)消能装置在减小结构地震响应的同时,给相连构件和基础的附加力较小;3)与增大梁柱截面的方案相比,采用消能支撑可以改变结构抗侧力体系上的弱点,可以将单重抗侧力体系改变为双重抗侧力体系,同时,可

图1　层1,2消能支撑布置

以减少加固量,从而缩短施工周期,减少加固费用。

工程中,对布置钢框架和消能支撑两种方案进行了对比分析,从分析结果可以得到如下结论:采用消能支撑可以有效地减小结构地震响应、减小地基反力、降低新加构件的附加轴力,并减小原层1,2的加固量。因此在工程中采用消能支撑。

根据建筑功能的要求,布置消能支撑在层1,2。为显示清晰,仅显示首层的消能支撑布置,层2布置与首层相同,如图1所示。共在24个支撑位置处布置48个阻尼器。消能支撑安装方式见图1(c)。

43

2　消能减震分析和设计211消能分析过程及结果对比

首先进行振型分析,然后采用基于振型分析得到的模态,进行振型叠加的非线性时程分析。振型分析得到的主振型见图2。采用SAP2000V9中文版进行阻尼器性能的分析。

消能能力比较接近。在变形较小时,金属阻尼器提供刚度,在变形较大时,金属阻尼器主要提供阻尼。根据表1的分析结果,金属阻尼器效果不明显。工程中,阻尼器只能安装在层1,2,这两层的侧向刚度较大,地震作用下层间侧移较小,在小震下金属阻尼器提供的消能效果不明显,因此采用粘滞阻尼器。

设置金属和粘滞阻尼器时的减震比率(%)

楼层

12

表1

y

金属阻尼器

x

y

x

粘滞阻尼器

7573

8478

8792

9593

图2　主振型图

如图1所示,在层1,2设置阻尼器。采用三条时

程波进行分析,天然波选用ElCentro和Topanga波,人工波采用兰州波。多遇地震下加速度峰值为70cmΠs2。

计算了安装消能器的结构在8度多遇地震下的各层位移和基底剪力。各时程波计算得到的结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%,三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值也大于振型分解反应谱法计算结果的80%。对加大梁柱截面的结构(结构1)、加大梁柱截面并设置钢支撑的结构(结构2)、加大梁柱截面并设置粘滞阻尼器的结构(结构3)进行分析。由于框架柱弯矩对加固量有直接影响,且水平

图3　三种结构框架柱总剪力(kN)

力作用下框架柱剪力和

弯矩呈正比关系,因此对比了三种结构中框架部分承担的地震剪力,如图3所示。

可以看出,设置粘滞阻尼器后,框架结构地震剪力平均减小了20%～25%,效果要优于设钢支撑的结构。设置粘滞阻尼器时,上部钢结构的地震力也有一定程度的降低,约10%。设置钢支撑时,上部钢结构地震力略有放大。

将设置粘滞阻尼器和金属阻尼器的消能结构与结构1进行了对比。表1中列出了设置金属阻尼器及粘滞阻尼器时框架柱剪力与结构1框架柱剪力的比值。图4所示为层2轴Y2Π128～129阻尼器在x向ElCentro波下的滞回曲线。212阻尼器类型选择

在变形较为明显时,粘滞阻尼器和金属阻尼器的44

图4　粘滞阻尼器小震下滞回曲线

213消能装置布置及参数确定

抗震加固中阻尼器个数与很多因素相关,如结构

刚度、质量、场地类型、抗震设防标准、阻尼器位置、阻尼器参数等。一般采用直接方法进行消能设计,即采用多种布置下非线性时程分析进行消能结构的分析,查看各种阻尼器布置方式和各种阻尼器参数下的结构响应,从而确定最优的阻尼器位置、组数和参数。

阻尼器利用建筑物内部或建筑物与外部结构之间的相对变形实现消能。从原理上而言,阻尼器宜布置在地震作用下建筑物变形较大的位置。设置消能装置之后,该结构下部变为双重抗侧力体系,各消能支撑之间间距不能过大。基于上述思路布置消能装置。

典型的体育场结构下部混凝土部分一般有截面较大的看台斜梁,该斜梁在弹性状态下对结构侧向刚度贡献很大,使结构在y向的体系接近于框架支撑体系,因此多遇地震下y向侧移较小。在小震下,消能装置在y向的作用要明显小于x向,但考虑到中震及大震下混凝土看台斜梁刚度会有明显削弱,性能更接近于框架结构,结构平面中部y向的阻尼器会得到更大程度地发挥。

另外,与布置于层1,2相比,阻尼器布置于层3,4时,对层1,2的地震力削弱作用更为明显;这是由于层3,4为钢框架结构,层间位移较大,消能器工作效率更高。但由于阻尼器布置于层3,4对建筑功能影响较

大,因此将阻尼器布置于层1,2。214阻尼器参数确定

采用速度相关型粘滞阻尼器,需满足阻尼方程:

F=CV

α

后根据阻尼器的变形和出力求得在结构预期位移下往复一周所消耗的总能量,并根据式(2)求得附加等效阻尼比。如果此附加等效阻尼比与预估的等效阻尼比较为接近,则可认为该值即为实际的附加等效阻尼比,如差别较多,可将求得的附加等效阻尼比作为预估等效阻尼比,再次进行上述计算,如此反复迭代得到附加等效阻尼比。对于楼层结构,结构总应变能计算可简化为楼层地震作用和位移的乘积。

工程中,根据上述公式,同时考虑时程分析结果得到的减震比率,确定耗能部件在小震下提供的x方向附加有效阻尼比为612%,在y方向提供的附加有效阻尼比为218%。作为一种工程设计方法,计算下部混凝土结构配筋时,原结构阻尼比取为415%;不考虑结构扭转和双向地震时,振型阻尼比可安全地取为415%+

218%=713%。考虑结构双向地震时,振型阻尼比可

(1)

α

式中F为阻尼力(kN),C为阻尼系数kN(mΠs)-,V为阻尼器活塞相对于阻尼器外壳的运动速度(mΠs),α为阻尼指数。

对各种布置和阻尼器参数进行了大量试算和对比,确定了工程的阻尼器布置方式和参数。阻尼指数选择液体粘滞阻尼器常用的数值0135;阻尼器的组数和出力对阻尼器消能的发挥有着直接影响,阻尼器出力随着阻尼系数的增大而增大。在抗震加固工程中,为了保证阻尼器与原结构的可靠连接,同时为了避免设置阻尼器给原构件带来过大的附加内力,阻尼系数不宜过大。根据现有阻尼器周边构件的加固方式,阻尼系数和阻尼器出力不宜增大时,需要增加阻尼器个数。根据分析结果,确定阻尼系数为850kN(mΠs)-0135。根据分析结果,确定阻尼器最大速度为013mΠs,最大行程为±100mm,最大阻尼器出力为850kN。

根据试算,阻尼器在两个楼层间发挥的作用接近,因此对所有阻尼器采用上面所述的统一参数,以减小阻尼器生产、检测的成本。3　消能结构构件设计311附加等效阻尼比的确定通常需要采用时程分析方法求得设置消能减震装置的结构的地震作用效应。由于目前时程分析方法缺乏统一标准、离散性较大,规范中仍规定时程分析方法只是一种补充验算,对于消能减震结构也是如此。因此,目前的消能减震结构设计的一般过程是先进行时程分析,再求出耗能装置的等效阻尼比,然后根据该等效阻尼比进行反应谱分析求解结构的地震作用效应。并以反应谱分析的结果为准进行构件设计和构造处理,同时宜采用时程分析的结果进行校核。

附加等效阻尼比的确定较为复杂,根据抗震规范,附加等效阻尼比可按下式确定,

ζπWs(2)4a=WcΠ

近似取为415%+(218%+612%)Π2=910%。基于该阻尼比,采用反应谱分析进行多遇地震下的结构抗震计算和构件设计。

312消能结构构件设计设置阻尼器之后,结构在竖向力下内力分布基本不受影响,在侧向力作用下的内力分布规律发生了很大变化。与阻尼器相连的构件内力可能会有所增大,阻尼器下的柱轴力增大最为明显。采用附加等效阻尼比和反应谱法的方式进行构件设计时,会低估与阻尼器相连构件的内力。构件设计时,根据时程分析的结果,确定这些构件地震力增大的幅度,进行单独校核。

对于直接与粘滞阻尼器相连的钢支撑及节点,可按照阻尼器最大出力(或适当放大)进行设计。

4　消能装置安装方式及要求

阻尼器安装方式如图1所示。钢梁下设限位侧板,限制人字支撑顶部的面外变形。

根据分析结果和《建筑抗震设计规范》中关于消能结构设计的规定,对消能装置提出了如下要求:

(1)安装前应对工程中所用的各种类型和规格的

原型部件进行抽样检测,每种类型和每一规格的数量不应少于3个,抽样检测的合格率应为100%。检测应由有资格的单位进行,检测内容应按《建筑抗震设计规范》进行,并提供全面检测报告。

(2)阻尼器在役期间,消能器的主要性能衰减量

式中ζa为消能减震结构的附加有效阻尼比,Wc为所有消能部件在结构预期位移下往复一周所耗能量,Ws为设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能:

Ws=(1Π2)

∑Fu

i

i

(3)

不应超过10%。并应定期进行检测,保证阻尼器的工作性能。

(3)阻尼器在经历火灾或设计水平之上的地震、大

其中Fi为质点i的水平地震作用标准值,ui为质点i在水平地震作用标准值下的位移。

具体计算中,可以首先预估附加的等效阻尼比,然后计算多遇地震反应谱分析,求得各质点的水平地震作用及相应位移,求得预期位移下的结构总应变能,然

风之后,需要对阻尼器进行检查及性能检测。如阻尼器出现问题,需及时更换。

(下转第120页)

45

拱截面取为D299×8,撑杆截面取为D89×4,拉索截面为<30。结构平面和索拱立面如图4所示。静载为110kNΠm2,活载为015kNΠm2,基本风压为0145kNΠm2。

图4　京粮广场采光顶屋盖索拱结构

典型荷载工况组合下构件截面应力见表4,从表中可看出,拱身以轴向应力为主,弯曲应力较小,应力组成情况比较合理。拉索初拉力取为223kN,此时,索拱在各工况作用下支座水平反力的最大值和最小值大小相等、方向相反,约为160kN,使结构支座的设计最为合理。从表4还可以看出,在向上吸风荷载作用下,拉索的应力有所增加,而不似张弦梁结构的拉索在向上荷载作用时应力会降低。这表明,支座条件良好时,索拱结构的抗风性能良好,不必考虑拉索退出工作。

各工况下构件截面应力(MPa)

工况112DL+114LL019DL+114WL

拱身弯曲应力

12(25%)5(29%)

为412,此结构为稳定控制。经统计,京粮广场冰场上空预应力索拱结构的总用钢量为34kgΠm2,其中拱用钢量为1716kgΠm2,檩条用钢量为1516kgΠm2,拉索用钢量为017kgΠm2。如采用拱结构,则拱身的截面需要达到D600×20,用钢量大大增加。5　结论

新型预应力索拱是有效、合理和经济的结构体系,轻巧美观,建筑效果很好。通过分析可得出以下结论:

(1)索拱中拉索的设置能有效地控制拱的挠曲变形,调节拱身内力构成,从而大大增强了拱体的强度、刚度以及稳定性能,改善了抗风性能,并可以调节拱脚推力,减轻支座负担,相对于拱结构可以节省用钢量,且适用跨度变大。

(2)索拱结构的非线性特性并不明显,在保证拉索不会松弛退出工作的前提下,可以采用线性分析方法简化设计。

(3)影响预应力索拱结构受力性能的主要因素有:拱身曲线形状、高跨比、拱截面特性、拉索截面、布索方案、索的预拉力和拱脚的抗侧刚度等。应当采取措施尽量加大支座的抗侧刚度,采用比较高的拉索高度。相对于拱截面尺寸,拉索截面尺寸对索拱结构受力性能影响更大。

(4)索拱的初拉力选择是一个综合指标,总结出了拉索预拉力的上限、下限和最优值的控制原则。

参

考

文

献

表4

拉索应力

315330

拱身轴向应力

36(75%)12(71%)

取初始缺陷为跨度的1Π300,对索拱进行稳定性能

分析,得到其在半跨活荷载作用下的弹塑性稳定系数　　(上接第45页)

;阻尼指数为

0135;最大行程100mm;最大出力850kN。标定速度(即保持性能的速度)013mΠs。5　结语

(1)体育场结构抗震加固工程中,由于结构体系较

(4)阻尼系数为850kN(mΠs)

-0135

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(4)抗震加固中阻尼器吨位不宜过大,以避免地震

作用下阻尼器引起过大的附加内力。

(6)对消能结构构件设计,建议采用时程分析方法对反应谱法进行校核。

参

考

文

献

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为复杂、空间受限,采用消能支撑有其一定优点。

(2)采用消能支撑,可有效降低结构地震响应,对相连构件附加的地震力也较小。

(3)确定附加等效阻尼比之后,为考虑与阻尼器相连构件的内力放大,可设置特定刚度的支撑来代替阻尼器。120

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