鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)隔震效能初探

張?zhí)m芬， 孟慶利， 趙成林， 喬 劼

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621010；2.成都美廈建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川成都 610081)

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鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)隔震效能初探

張?zhí)m芬1， 孟慶利1， 趙成林2， 喬 劼2

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621010；2.成都美廈建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川成都 610081)

近年來地震發(fā)生頻繁，災(zāi)害嚴(yán)重，造成大量建(構(gòu))筑物破壞，傷亡人員數(shù)量大，給人們帶來了嚴(yán)重的損失。文章介紹了一種新型的自隔震技術(shù)——鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)，通過減少建筑物底層剛度同時(shí)增加一定的阻尼，實(shí)現(xiàn)地震作用下建筑物減隔震的目的，并應(yīng)用于實(shí)際工程，通過對(duì)此工程進(jìn)行動(dòng)力特性測試并計(jì)算結(jié)構(gòu)的基本自振周期得出采用此自隔震技術(shù)能增大結(jié)構(gòu)自振周期，減小地震作用，并提出了相關(guān)的展望。

鋼管混凝土柱； 自隔震技術(shù)； 動(dòng)力特性測試； 自振周期； 地震作用

我國位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。全國國土面積大部分位于地震區(qū)，近年來地震發(fā)生頻繁，災(zāi)害嚴(yán)重，造成大量建(構(gòu))筑物破壞，傷亡人員數(shù)量大，給人們帶來了嚴(yán)重的損失[1-4]。

對(duì)于地震作用，建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)歷來都是以抗震設(shè)計(jì)法為主，該設(shè)計(jì)方法已在現(xiàn)行抗震規(guī)范及相關(guān)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中給出了具體的規(guī)定[5-6]。與此相反，抑制地震作用，不使地震能量傳遞到建筑物的隔震減震方法已進(jìn)入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，近年來已有許多實(shí)際應(yīng)用實(shí)例。

按抗震設(shè)計(jì)的建筑物，不能避免地震時(shí)的強(qiáng)烈晃動(dòng)，當(dāng)遭遇到大地震時(shí)，雖然可以保證人身安全，但不能完全保證建筑物及其內(nèi)部物品的安全。如果采用減隔震技術(shù)修建的建筑物可以減小上部結(jié)構(gòu)的地震作用力、樓面的反應(yīng)加速度和上部結(jié)構(gòu)的層間變形，在大震作用下，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會(huì)產(chǎn)生破壞，人員安全和財(cái)產(chǎn)安全均可以得到保證。因此與抗震設(shè)計(jì)相比，減隔震設(shè)計(jì)必將成為未來結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢。

目前應(yīng)用較多的隔震機(jī)構(gòu)是疊層鋼板橡膠支座，其在對(duì)水平方向地震分量有很好的隔震作用，但對(duì)于垂直地震分量幾乎沒有隔震作用，而且由于其存在增加建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)的缺點(diǎn)，使其推廣應(yīng)用受到限制。

基于以上，成都美廈建筑設(shè)計(jì)有限公司王爾其先生提出鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)，此技術(shù)是在建筑物的底層或地下室僅采用鋼管混凝土柱作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并在鋼管混凝土柱下端設(shè)置阻尼約束錐，可以增大柱長減小剛度，同時(shí)增加一定的阻尼，從而實(shí)現(xiàn)地震作用下建筑物減隔震的目的[7-8]。

1 普通框架結(jié)構(gòu)自振周期降低原因分析

(1)忽視地坪對(duì)底層柱的限位作用造成剛度增大，如圖1所示。

(2)基礎(chǔ)埋置太深，用混凝土墊高，剛度增大無“讓”性，隔震差，如圖2所示。

圖1 地坪限位

圖2 混凝土墊高

(3)基礎(chǔ)埋置太深，在近地坪處加雙向連系梁，柱的各方加連梁，地震時(shí)無“讓”性，隔震差，如圖3所示。

圖3 連系梁不合理布置

(4)樓梯間柱在平臺(tái)處有橫梁相連，造成柱抗推剛度提高。樓梯間的梯斜板與梁柱澆注在一起，產(chǎn)生“桁架效應(yīng)”和“剪力墻效應(yīng)”造成梯斜板承擔(dān)很大的拉壓剪力，使整體抗推剛度升高。5·12汶川地震中，大量未倒框架破壞嚴(yán)重處都在樓梯間，主要現(xiàn)象為梯板折斷、梯梁扭斷、對(duì)支撐柱的短柱效應(yīng)等。

(5)底層填充墻對(duì)柱的約束會(huì)提高整體剛度，降低自振周期。而造成框架結(jié)構(gòu)自振周期降低有幾方面原因：①“有”樓梯間的“桁架效應(yīng)”和“剪力墻效應(yīng)”；②“有”“填充墻效應(yīng)”；③“有”地坪的“約束效應(yīng)”。這三“有”會(huì)大幅度提高結(jié)構(gòu)的整體水平抗側(cè)剛度，降低整體自振周期，增大地震作用。故隔震設(shè)計(jì)，首先是去除三“有”，這樣就有可能達(dá)到或接近“目標(biāo)剛度”和“目標(biāo)周期”。調(diào)整剛度，如調(diào)整底層或地下室層高、采用多種柱或密柱、增加柱數(shù)、調(diào)整支座狀態(tài)、調(diào)整柱的水平抗推剛度，都可以達(dá)到隔震效果，提高結(jié)構(gòu)安全性的目的。

2 鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)

鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)是在建筑物的底層或地下室僅采用鋼管混凝土柱作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并在鋼管混凝土柱下端設(shè)置阻尼約束錐，可以增大柱長減小剛度，同時(shí)增加一定的阻尼，從而實(shí)現(xiàn)地震作用下建筑物減隔震的目的[7-8]。

圖4 鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)計(jì)算簡圖

圖5 隔震層的隔震柱錯(cuò)誤布置平面

圖6 隔震層的隔震柱正確布置平面

隔震柱要求高強(qiáng)度、彈性變形區(qū)間寬，隔震柱的高徑比是調(diào)整隔震層剛度的第一因素，其次是支座條件和柱數(shù)。避讓空間、雙向獨(dú)立剪力墻(與柱不聯(lián)系)、獨(dú)立環(huán)形柱外柱(與內(nèi)柱不連，用泡沫隔開)和地下室側(cè)壁既是阻擋結(jié)構(gòu)，也是各類阻尼的支座，隔震時(shí)首層采用鋼管混凝土柱，具體構(gòu)造示意如圖7和圖8所示。為了消除樓梯間的“桁架效應(yīng)”和“剪力墻效應(yīng)”，樓梯間的梯斜板要作成滑移支座，樓梯間及全部框架柱不能有短柱出現(xiàn)。

圖7 鋼管混凝土柱

圖8 鋼管混凝土柱橫斷面

3 某新建學(xué)生公寓動(dòng)力特性測試

3.1 某新建學(xué)生公寓概況

鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)依據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范及相關(guān)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成了較為完善的設(shè)計(jì)方法及相關(guān)的構(gòu)造細(xì)節(jié)，并應(yīng)用于在建的某幢鋼筋混凝土框架宿舍樓。例如：某新建學(xué)生公寓項(xiàng)目位于彭州市天彭路，為六層框架結(jié)構(gòu)房屋，基礎(chǔ)形式為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，一層～五層層高均為3.6 m，六層層高3.45 m，室內(nèi)外高差0.6 m，房屋總高度為22.05 m(底層室外地坪至主要屋面板標(biāo)高)，建筑面積3 704.59 m2。該房屋于2014年8月28日開工，2015年3月25日竣工。該房屋在設(shè)計(jì)和施工時(shí)采用了鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)，為了了解該房屋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，四川省建筑科學(xué)研究院于2015年4月16日對(duì)該房屋的動(dòng)力特性進(jìn)行了主體結(jié)構(gòu)完工后的第一次測試。

3.2 測點(diǎn)布置

該房屋為3跨內(nèi)廊式框架結(jié)構(gòu)宿舍樓，平面規(guī)則對(duì)稱，本次測試在二層～屋蓋的相同位置處各布置有1個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)均布置有1個(gè)水平向拾振器(圖9)，測試房屋在橫向和縱向兩個(gè)方向上的振動(dòng)，采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)為在脈動(dòng)激勵(lì)下的速度響應(yīng)時(shí)程。

圖9 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試測點(diǎn)平面布置

3.3 分析結(jié)果

經(jīng)對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行自功率譜分析，得到該房屋橫向和縱向兩個(gè)方向的一階、二階和三階自振頻率如表1所示。

表1 自振頻率測試分析結(jié)果 Hz

3.4 基本自振周期計(jì)算

在對(duì)某新建學(xué)生公寓進(jìn)行動(dòng)力特性測試的基礎(chǔ)上，采用頂點(diǎn)位移法計(jì)算了其基本自振周期T=0.678 s，如表2所示，與脈動(dòng)測試所得的周期T=0.571 s及PKPM所計(jì)算的周期T=0.686 s接近，說明頂點(diǎn)位移法適用于此結(jié)構(gòu)基本自振周期的計(jì)算。其中水平抗推剛度Kj的計(jì)算方法如下：

表2 采用鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)時(shí)的自振周期

(1)

(2)

式中:dj、hj分別是柱的直徑和高度；Esc為計(jì)算彈性模量；Kj為柱上下固接的抗推剛度；γj為柱之高徑比；d、dc分別為柱的外徑與內(nèi)徑。

采用頂點(diǎn)位移法計(jì)算了公寓未采用鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)，即公寓為普通框架結(jié)構(gòu)時(shí)的自振周期T=0.457 s，如表3所示。

根據(jù)《某新建學(xué)生公寓項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告》知，公寓所處場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)特征周期Tg=0.40 s。

根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，地震影響

表3 未采用鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)時(shí)的自振周期

4 結(jié)論及展望

鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)作為一種新型的減隔震技術(shù)，通過減少建筑物底層剛度同時(shí)增加一定的阻尼，實(shí)現(xiàn)地震作用下建筑物減隔震的目的。本文針對(duì)某新建學(xué)生公寓進(jìn)行了基本自振周期的計(jì)算，將公寓采用及未采用鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)的地震影響系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出采用鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)能增大結(jié)構(gòu)自振周期，減小地震作用。其設(shè)計(jì)方法的合理性以及減隔震效果的有效性，需進(jìn)一步通過關(guān)鍵自隔震技術(shù)參數(shù)(自隔震柱在不同等級(jí)地震作用下剛度，自隔震柱與周圍阻擋結(jié)構(gòu)預(yù)留距離，自隔震層阻尼值)試驗(yàn)和非線性動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)分析進(jìn)行研究驗(yàn)證，最終提出基于性能的、完善的、合理的自隔震技術(shù)設(shè)計(jì)理論與方法。

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西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):15ycx105)

張?zhí)m芬(1989～)，女，碩士，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗震加固。

TU352.1

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[定稿日期]2016-05-11