鋼管混凝土柱自隔震技術隔震效能初探

張蘭芬， 孟慶利， 趙成林， 喬 劼

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010；2.成都美廈建筑設計有限公司，四川成都 610081)

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鋼管混凝土柱自隔震技術隔震效能初探

張蘭芬1， 孟慶利1， 趙成林2， 喬 劼2

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010；2.成都美廈建筑設計有限公司，四川成都 610081)

近年來地震發生頻繁，災害嚴重，造成大量建(構)筑物破壞，傷亡人員數量大，給人們帶來了嚴重的損失。文章介紹了一種新型的自隔震技術——鋼管混凝土柱自隔震技術，通過減少建筑物底層剛度同時增加一定的阻尼，實現地震作用下建筑物減隔震的目的，并應用于實際工程，通過對此工程進行動力特性測試并計算結構的基本自振周期得出采用此自隔震技術能增大結構自振周期，減小地震作用，并提出了相關的展望。

鋼管混凝土柱； 自隔震技術； 動力特性測試； 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，近年來地震發生頻繁，災害嚴重，造成大量建(構)筑物破壞，傷亡人員數量大，給人們帶來了嚴重的損失[1-4]。

對于地震作用，建筑物的結構設計歷來都是以抗震設計法為主，該設計方法已在現行抗震規范及相關國家技術標準中給出了具體的規定[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入結構設計領域，近年來已有許多實際應用實例。

按抗震設計的建筑物，不能避免地震時的強烈晃動，當遭遇到大地震時，雖然可以保證人身安全，但不能完全保證建筑物及其內部物品的安全。如果采用減隔震技術修建的建筑物可以減小上部結構的地震作用力、樓面的反應加速度和上部結構的層間變形，在大震作用下，上部結構構件不會產生破壞，人員安全和財產安全均可以得到保證。因此與抗震設計相比，減隔震設計必將成為未來結構設計發展的趨勢。

目前應用較多的隔震機構是疊層鋼板橡膠支座，其在對水平方向地震分量有很好的隔震作用，但對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構造價的缺點，使其推廣應用受到限制。

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

1 普通框架結構自振周期降低原因分析

(1)忽視地坪對底層柱的限位作用造成剛度增大，如圖1所示。

(2)基礎埋置太深，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，產生“桁架效應”和“剪力墻效應”造成梯斜板承擔很大的拉壓剪力，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重處都在樓梯間，主要現象為梯板折斷、梯梁扭斷、對支撐柱的短柱效應等。

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

2 鋼管混凝土柱自隔震技術

鋼管混凝土柱自隔震技術是在建筑物的底層或地下室僅采用鋼管混凝土柱作為結構構件，并在鋼管混凝土柱下端設置阻尼約束錐，可以增大柱長減小剛度，同時增加一定的阻尼，從而實現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計算簡圖

圖5 隔震層的隔震柱錯誤布置平面

圖6 隔震層的隔震柱正確布置平面

隔震柱要求高強度、彈性變形區間寬，隔震柱的高徑比是調整隔震層剛度的第一因素，其次是支座條件和柱數。避讓空間、雙向獨立剪力墻(與柱不聯系)、獨立環形柱外柱(與內柱不連，用泡沫隔開)和地下室側壁既是阻擋結構，也是各類阻尼的支座，隔震時首層采用鋼管混凝土柱，具體構造示意如圖7和圖8所示。為了消除樓梯間的“桁架效應”和“剪力墻效應”，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。

圖7 鋼管混凝土柱

圖8 鋼管混凝土柱橫斷面

3 某新建學生公寓動力特性測試

3.1 某新建學生公寓概況

鋼管混凝土柱自隔震技術依據現行抗震規范及相關國家技術標準，形成了較為完善的設計方法及相關的構造細節，并應用于在建的某幢鋼筋混凝土框架宿舍樓。例如：某新建學生公寓項目位于彭州市天彭路，為六層框架結構房屋，基礎形式為柱下獨立基礎，一層～五層層高均為3.6 m，六層層高3.45 m，室內外高差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。該房屋在設計和施工時采用了鋼管混凝土柱自隔震技術，為了了解該房屋的結構動力特性，四川省建筑科學研究院于2015年4月16日對該房屋的動力特性進行了主體結構完工后的第一次測試。

3.2 測點布置

該房屋為3跨內廊式框架結構宿舍樓，平面規則對稱，本次測試在二層～屋蓋的相同位置處各布置有1個測點，每個測點均布置有1個水平向拾振器(圖9)，測試房屋在橫向和縱向兩個方向上的振動，采集的振動數據為在脈動激勵下的速度響應時程。

圖9 結構動力特性測試測點平面布置

3.3 分析結果

經對測試數據進行自功率譜分析，得到該房屋橫向和縱向兩個方向的一階、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果 Hz

3.4 基本自振周期計算

在對某新建學生公寓進行動力特性測試的基礎上，采用頂點位移法計算了其基本自振周期T=0.678 s，如表2所示，與脈動測試所得的周期T=0.571 s及PKPM所計算的周期T=0.686 s接近，說明頂點位移法適用于此結構基本自振周期的計算。其中水平抗推剛度Kj的計算方法如下：

表2 采用鋼管混凝土柱自隔震技術時的自振周期

(1)

(2)

式中:dj、hj分別是柱的直徑和高度；Esc為計算彈性模量；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徑。

采用頂點位移法計算了公寓未采用鋼管混凝土柱自隔震技術，即公寓為普通框架結構時的自振周期T=0.457 s，如表3所示。

根據《某新建學生公寓項目巖土工程勘察報告》知，公寓所處場地抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅱ類，設計特征周期Tg=0.40 s。

根據GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》，地震影響

表3 未采用鋼管混凝土柱自隔震技術時的自振周期

4 結論及展望

鋼管混凝土柱自隔震技術作為一種新型的減隔震技術，通過減少建筑物底層剛度同時增加一定的阻尼，實現地震作用下建筑物減隔震的目的。本文針對某新建學生公寓進行了基本自振周期的計算，將公寓采用及未采用鋼管混凝土柱自隔震技術的地震影響系數進行對比，得出采用鋼管混凝土柱自隔震技術能增大結構自振周期，減小地震作用。其設計方法的合理性以及減隔震效果的有效性，需進一步通過關鍵自隔震技術參數(自隔震柱在不同等級地震作用下剛度，自隔震柱與周圍阻擋結構預留距離，自隔震層阻尼值)試驗和非線性動力時程反應分析進行研究驗證，最終提出基于性能的、完善的、合理的自隔震技術設計理論與方法。

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[5] GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[6] GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

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[8] 龍丹冰,王爾其,潘常旭.基于鋼管混凝土結構的自隔震技術[C]//第七屆全國防震減災工程學術研討會暨紀念汶川地震五周年學術研討會.2013:50-55.

西南科技大學研究生創新基金資助項目(項目編號:15ycx105)

張蘭芬(1989～)，女，碩士，研究方向為結構抗震加固。

TU352.1

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[定稿日期]2016-05-11