基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)受力性能研究*

萬學(xué)林，王 偉，廖 飛，王利文，李 茂，潘忠堯

(中建三局集團(tuán)(海南)有限公司，海南 ?？?570100)

0 引言

基礎(chǔ)隔震通過在建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)間設(shè)置隔震支座，延長建筑物基本周期，阻斷地震能量向上傳遞，提高建筑物安全性。王嘯楠[1]對混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震試件和非隔震試件進(jìn)行試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬分析，并給出轉(zhuǎn)換梁承載力計算公式；金超[2]對基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動力彈塑性分析；李文祥等[3]以天河機(jī)場交通中心為背景，采用ETABS軟件建立結(jié)構(gòu)模型，研究了地震波及列車激勵作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，通過采用組合隔震技術(shù)，大幅度降低加速度響應(yīng)，減震效果明顯；段先軍等[4]和曹建亞等[5]分別對北京大興國際機(jī)場航站樓層間隔震支座和大直徑隔震支座施工技術(shù)進(jìn)行研究；郭祥程等[6]對減隔震滑動樓梯施工技術(shù)進(jìn)行研究；曹陽等[7]采用ETABS軟件中的反應(yīng)譜法和時程分析法對高層建筑雙塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析，研究結(jié)果表明，采用隔震技術(shù)可有效降低上部結(jié)構(gòu)水平地震作用；王振東等[8]通過對比分析施工期間隔震支座變形監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)溫度作用及收縮作用是隔震支座發(fā)生水平變形的主要原因，隔震支座不均勻沉降及溫度作用是造成其豎向變形差異的原因；崔俊偉等[9]對大底板多塔結(jié)構(gòu)隔震性能進(jìn)行了研究，對比了梁式、桁架式、厚板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，通過設(shè)置桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，達(dá)到理想隔震效果；羅垚等[10]采用ETABS軟件建立了隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了計算分析，根據(jù)計算結(jié)果提出地下室坡道、扶梯、樓梯等穿越隔震層結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施；王勇[11]研究了PPEFF隔震體系，對該體系隔震設(shè)計方法和有限元建模方法進(jìn)行了研究；張曼生等[12]利用基于試驗(yàn)得到的橡膠隔震支座力學(xué)性能參數(shù)，建立數(shù)值模型進(jìn)行分析，并基于分析結(jié)果給出不同隔震目標(biāo)下的隔震層水平剛度與阻尼比取值建議。

綜上所述，已有研究主要對隔震結(jié)構(gòu)整體抗震性能、穿過隔震層結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施、新型隔震體系進(jìn)行研究，對隔震結(jié)構(gòu)局部受力狀態(tài)的研究較少，且與實(shí)際工程結(jié)合較少。為此，本文以中共海南省委黨校新校區(qū)建設(shè)項(xiàng)目隔震層施工為背景，對隔震結(jié)構(gòu)局部受力狀態(tài)進(jìn)行研究，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

1 工程概況

中共海南省委黨校新校區(qū)建設(shè)項(xiàng)目位于海南省?？谑忻捞m區(qū)，包括1～11號樓，其中4，5，11號樓不含地下室。地上建筑面積約118 639m2，地下建筑面積約58 796m2，總建筑面積約177 435m2?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.3g。在1，3號樓首層與地下室之間設(shè)置隔震層，隔震層高1.85m，在1號樓設(shè)置LRB600，LRB700，LRB800，LRB900型鉛芯橡膠支座，在3號樓設(shè)置LRB600，LRB700，LRB800，LRB900型鉛芯橡膠支座和RB600，RB800，RB900型橡膠支座，共設(shè)162個支座。

隔震層施工過程中存在以下問題：①隔震層層高小，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸大，導(dǎo)致內(nèi)模板支撐架搭設(shè)困難，架體拆除及清理難度大；②隔震層內(nèi)布置大量管線，由于轉(zhuǎn)換梁截面尺寸大，導(dǎo)致管線安裝空間小、難度大、效率低。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

選擇1榀混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)王嘯楠[1]研究中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缂芭浣顓?shù)建立有限元模型，如圖1所示，其中混凝土采用C3D8R單元模擬，混凝土強(qiáng)度等級為C40，本構(gòu)模型采用GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[13]附錄C給出的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型；鋼筋采用truss單元模擬，本構(gòu)模型采用彈塑性雙線性模型，材料性能參數(shù)與王嘯楠[1]研究相同。隔震支座采用connector單元模擬，通過設(shè)置參數(shù)模擬支座屈服前剛度、屈服后剛度、屈服強(qiáng)度和拉壓剛度等。將試件底部各方向自由度設(shè)為0，為防止試件面外失穩(wěn)，約束框架梁兩側(cè)y向位移?？蚣苤S壓比取為0.45，剪力墻軸壓比取為0.3，按照王嘯楠[1]研究中的試驗(yàn)加載方式，首先在柱頂施加軸向壓力，然后在框架梁處施加水平荷載。由于隔震層上部結(jié)構(gòu)以平動為主，加載時需保證1，2層框架梁水平位移相等。對于非隔震結(jié)構(gòu)，為模擬實(shí)際受力狀態(tài)，需保證1，2層位移比為1∶2。

2.2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件受力分析

非隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件極限狀態(tài)下應(yīng)力云圖如圖2所示，基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件極限狀態(tài)下應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖2，3可知，非隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件1，2層鋼筋應(yīng)力分布接近，1，2層剪力墻鋼筋、端柱鋼筋及柱鋼筋均發(fā)生屈服；非隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件混凝土、鋼筋應(yīng)力均較大；基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件轉(zhuǎn)換梁縱筋、1層剪力墻分布鋼筋、1層端柱縱筋發(fā)生屈服，試件上部鋼筋應(yīng)力較小，基本處于彈性階段。

圖2 非隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖3 基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件應(yīng)力云圖(單位：MPa)

非隔震、基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件荷載-位移曲線如圖4所示。由圖4可知，非隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件承載力較大；加載初期，基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件剛度較??；加載后期，基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件承載力緩慢降低，而非隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件承載力迅速降低；基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件具有較好的延性和變形能力。

圖4 非隔震、基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件荷載-位移曲線

2.3 基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件轉(zhuǎn)換梁翼緣尺寸影響分析

將基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件底部轉(zhuǎn)換梁通過增設(shè)翼緣的方式由矩形變?yōu)門形，由于增加了翼緣，梁剛度增大，使轉(zhuǎn)換梁承載力得到提高，由于轉(zhuǎn)換梁承擔(dān)部分水平荷載，進(jìn)而提高了試件整體承載力。分別建立轉(zhuǎn)換梁翼緣尺寸為50mm×100mm(寬×高)，100mm×100mm(寬×高)，150mm×100mm(寬×高)，50mm×150mm(寬×高)，50mm×200mm(寬×高)模型，計算得到各模型荷載-位移曲線，如圖5所示。由圖5可知，T形轉(zhuǎn)換梁可在一定程度上提高試件最大承載力，但當(dāng)翼緣尺寸增至一定程度后，試件最大承載力提高幅度較小，這是因?yàn)樵嚰饕茐奈恢貌⒉晃挥谵D(zhuǎn)換梁，而是位于1層剪力墻；各試件初期彈性階段荷載-位移曲線基本重合，表明各試件彈性階段受力狀態(tài)基本相同。對于隔震層空間較小的區(qū)域，可通過增設(shè)翼緣的方式將該區(qū)域部分梁變成T形梁，從而在不影響構(gòu)件承載力的情況下，減小梁截面高度，達(dá)到增大施工空間、降低施工難度的目的。

圖5 不同翼緣尺寸基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件荷載-位移曲線

2.4 框架結(jié)構(gòu)試件受力分析

采用與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件相同的建模方法建立非隔震、基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件模型，并進(jìn)行受力計算，結(jié)果如圖6，7所示。由圖6，7可知，基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件混凝土、鋼筋應(yīng)力均較??；非隔震、基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件應(yīng)力分布接近；非隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件柱縱筋、部分梁柱節(jié)點(diǎn)處梁縱筋發(fā)生屈服；基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件柱縱筋、隔震層梁縱筋發(fā)生屈服。

圖6 非隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖7 基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件應(yīng)力云圖(單位：MPa)

非隔震、基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件荷載-位移曲線如圖8所示。由圖8可知，非隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件承載力較大；加載初期，非隔震、基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件荷載-位移曲線基本重合；加載后期，試件出現(xiàn)屈服，非隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件承載力增長速度較大。

圖8 非隔震、基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件荷載-位移曲線

2.5 基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件轉(zhuǎn)換梁翼緣尺寸影響分析

分別建立翼緣尺寸為50mm×100mm(寬×高)，100mm×100mm(寬×高)，50mm×150mm(寬×高)，50mm×200mm(寬×高)的基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件模型，計算得到各試件荷載-位移曲線如圖9所示。由圖9可知，不同翼緣尺寸試件承載力差別較小，這主要是因?yàn)樵嚰饕茐奈恢貌⒉晃挥诟粽饘愚D(zhuǎn)換梁；增設(shè)翼緣可提高轉(zhuǎn)換梁剛度，從而提高轉(zhuǎn)換梁承載力。對于隔震層空間較小的區(qū)域，同樣可通過增設(shè)翼緣的方式將該區(qū)域部分梁變成T形梁，從而在不影響構(gòu)件承載力的情況下，減小梁截面高度，達(dá)到增大施工空間、降低施工難度的目的。

圖9 不同翼緣尺寸基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件荷載-位移曲線

3 結(jié)語

結(jié)合?？谑兄泄埠Ｄ鲜∥h校新校區(qū)建設(shè)項(xiàng)目1，3號樓隔震層結(jié)構(gòu)施工，針對隔震層施工過程中遇到的施工空間小、安裝施工及材料運(yùn)輸困難大等問題，分別對非隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件、基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件、非隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件、基礎(chǔ)隔震混凝土框架結(jié)構(gòu)試件受力性能進(jìn)行研究，并研究轉(zhuǎn)換梁翼緣尺寸對基礎(chǔ)隔震混凝土試件的影響。

1)極限狀態(tài)下，非隔震試件承載力、混凝土應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力均較基礎(chǔ)隔震試件大。

2)加載初期，基礎(chǔ)隔震試件剛度較大；加載后期，基礎(chǔ)隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件承載力降低緩慢，而非隔震混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試件承載力降低迅速。

3)基礎(chǔ)隔震試件具有較好的延性和變形能力。

4)實(shí)際施工過程中，對于隔震層空間較小的區(qū)域，可通過增設(shè)翼緣的方式將該區(qū)域部分梁變成T形梁，從而在不影響構(gòu)件承載力的情況下，減小梁截面高度，達(dá)到增大施工空間、降低施工難度的目的。