基于位移设计思想的抗震加固简化计算方法.doc

基于位移设计思想的抗震加固简化计算方法 李 军，李宏男 (大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，大连 116024） E-mail: civilli@163.com 摘 要：本文基于位移抗震设计方法和弹性能力曲线与弹性需求曲线的关系，提出了运用位 移相关型阻尼器对以剪切型变形为主的多层框架结构进行抗震加固简化计算和确定阻尼器 工作参数的方法，避免了通过非线性静力分析或非线性时程分析确定阻尼器参数的繁冗过 程。通过运用连续Bouc-Wen 模型表示摩擦阻尼器的本构关系，对一设计示例进行非线性时 程分析的验证结果表明，此种简化计算方法是方便可行的，对工程设计具有一定的参考价值。 关键词：抗震加固; 基于位移的设计; 摩擦阻尼器; Bouc-Wen模型. 引 言（四号，宋体，加粗） 消能减震设计作为结构抗震加固和增层改造的新方法，已得到各国研究人员和设计人员 的重视。近年来，国内采用消能减震设计方法对建筑结构进行抗震加固和加层改造的实际工 程也相继涌现[1-3]，我国的《建筑抗震设计规范》[4]（GB50011-2001，以下简称《规范》） 也明确了消能减震设计的规定，对工程设计起到了初步的指导作用。消能减振设计中常用的 阻尼器可分为位移相关型（摩擦阻尼器、金属屈服型阻尼器等）和速度相关型（粘滞阻尼器、 粘弹性阻尼器等）。在进行消能减震设计时，阻尼器的参数通常需要通过静力非线性静力分 析方法或非线性时程分析方法来确定，设计过程比较烦琐，设计周期较长。90 年代以来， 结构性能设计方法受到了土木工程研究人员的广泛关注，美国联邦紧急事物署率先将性能设 计的思想引入抗震加固设计中[5]。在如何运用结构性能设计方法，指导实际工程设计方面， 也取得了一些卓有成效的研究成果，并体现在一些先进的结构设计指南中，如FEMA-356， ATC-40 等。 本文基于位移抗震设计方法和弹性能力曲线与弹性需求曲线的关系，提出了运用位移相 关型阻尼器对以剪切型变形为主的多层框架结构进行抗震加固简化计算和确定阻尼器工作 参数的方法。非线性时程分析的结果表明，此种简化计算方法方便可行。 分析过程 原结构的抗震验算 原结构的抗震验算可以分为多遇地震作用验算和罕遇地震作用验算。对于以剪切变形为 本课题得到国家计委重点项目资助。 - 1 -  主的多层框架结构可按规范规定的底部剪力法进行抗震验算。 抗震加固计算 抗震加固简化计算可以分为以下几个步骤： （1）据《规范》规定的弹性层间位移角限值，按结构第一振型确定多遇地震作用下各 层的层间目标位移 ? （i =1,2,, N ），根据公式（1）求得等效单自由度结构的目标位 is 移 ? ： s ? = s ? Ns ? Γ N1 1 （1） 式中， ? 为第一振型中与顶层对应的元素的值， N1 Γ 为第一振型的参与系数。再根据原结 1 构的阻尼比和场地土特性，在多遇地震时，由《规范》的标准加速度反应谱和公式（2）得 到拟位移反应谱： S = S ×(T / 2π ) （2） 2 d a 式中， S 为拟位移； d S 为拟加速度；T 为结构自振周期。 a （2）根据步骤（1）中求得的 ? 和拟位移反应谱的对应关系，得多遇地震作用下，等 s 效单自由度结构的周期 T 。由等效的单自由度结构的等效质量 e M 和自振周期T ，求得等效 e e 单自度结构的等效刚度 和 K ，其中 e M 、K 的计算方法如下： e e 2 ? ? N ∑ m ? ? ? j j1 ? ? j=1 M = e N ∑ m ? 2 j j1 j=1 （3） 4π 2 K = M （4） e e 2 T e （3）由公式（5），求得多遇地震作用时，满足《规范》和目标位移要求的结构应当承 受的实际剪力 V ： bs V = K ? （5） bs e s 再按《规范》中底部剪力法的要求，获得各质点的地震作用标准值 F 和各楼层应当承受的 is 剪力 V ，由下式 is K = i V is ? is （6） 求得各层所需的层间侧向刚度 K ，将(K ? K ) 定为各层阻尼器在水平方向初始刚度的总 is is i 和，其中 K 为原结构的层间侧向刚度； i （4）假定结构质量不变，近似认为加固后的结构在弹性状态下的层间侧向刚度为 K ， is - 2 -  由底部剪力法验算加固后结构的弹性变形。若满足，转到步骤（5），若不满足，减小各层 层间目标位移，按步骤（1）-（3）重新计算，直到满足为止； （5）由公式（7），得到罕遇地震作用下结构各层的目标层间位移 ? ： i ? = ? + ? （7） i yi pi 式中， ? 为搂层层间屈服位移；? 为满足《规范》要求的塑性层间