滑動支座在結構設計中的應用

張 睿 婧

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

隨著社會經濟的發展和建筑技術的進步，建筑體形、平立面布置日趨復雜，對結構抗震尤為不利，而結構設計選用的結構類型有一定的適用范圍，如超過規范規定的范圍，采取的構造措施因缺乏實踐經驗，會給技術的合理性、可行性帶來一些問題。為有效解決結構設計中遇到的問題，隔震技術已開始應用于實際工程中。本文以某工程為例，簡單介紹滑動支座(隔震裝置的一種)在結構設計中的應用。

1 工程概況

本工程為某研發大樓，地下1層，平時為地下車庫，戰時部分為核6級常6級甲類二等人員掩蔽所；地上6層，局部4層(如圖1所示)為研發中心。建筑總面積48 965 m2，地上建筑面積37 470 m2，地下建筑面積11 495 m2；建筑總高度28.350 m，室內外高差0.45 m。

本工程設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第二組，建筑抗震設防類別為丙類,地基基礎設計等級為乙級。

2 結構方案

本工程結構體系為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，基礎形式為鋼筋混凝土梁板式筏板基礎，地基處理采用水泥土攪拌樁復合地基。

根據JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程3.4.1條規定：在高層建筑的一個獨立結構單元內，結構平面形狀宜簡單、規則，質量、剛度和承載力分布宜均勻。不宜采用嚴重不規則的平面布置。其中3.4.3-4條明確規定：建筑平面不宜采用角部重疊或細腰型平面布置。

根據《山西省超限高層建筑工程抗震設防界定規定》第四條一項不規則界定，具有某一項不規則的高層建筑工程(不論高度是否超限)為超限高層建筑，其中第6項：角部重疊面積A3，6度,7度和8度,9度時分別小于A1和A2中較小圖形的25%和35%，如圖2所示。

本工程角部重疊面積A3，8度時小于未重疊部分A1和A2中較小圖形的35%，應在地上部分設置抗震縫；同時為兼顧建筑立面效果整體美觀，抗震縫設置于A，B段角部重疊處，其中6層部分為A段，4層部分為B段，如圖3所示。

根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范表6.1.2現澆鋼筋混凝土房屋的抗震等級確定，A段剪力墻抗震等級為一級、框架抗震等級為二級；B段剪力墻抗震等級為二級、框架抗震等級為三級。

3 滑動支座設置方案

本工程抗震縫設置于A，B段角部重疊處，其中A段5層、6層局部(三根框架柱)需生根于B段屋頂，所以必須降低上部結構的地震反應，隔離向上部結構傳遞的地震能量，減少整體結構的水平地震作用。由于隔震層可以提供必要的阻尼、豎向承載力和側向剛度，故在A段上部結構與B段下部結構之間設置隔震層。此隔震層的設置，在有效減少地震能量向上部結構輸入的同時延長了上部結構的自振周期，保證了建筑物的安全可靠，滿足了規范規定的抗震設防要求，達到了良好的隔震效果。

隔震裝置按其原理不同可分為滑動支承與彈性支承兩大類。滑動支承類隔震裝置一般內部設有滑動界面，上部結構可在此滑動界面上產生滑動，可以避免地震力大于最大靜摩擦力時，劇烈的下部結構運動向上部結構傳輸，常見的有水平摩擦滑動隔震支座、滾動隔震裝置和摩擦擺隔震支座。彈性支承類隔震裝置一般采用橡膠為柔性材料，地震時柔性材料發生較大水平變形，阻止了攜帶主要能量的高頻地震波向上部結構傳遞，上部結構所受地震作用顯著減小，具有較高的豎向承載能力、較大水平位移能力和復位功能，常見的有鉛芯橡膠隔震支座、夾層橡膠隔震支座和高阻尼橡膠隔震支座等。

本工程采用彈性球型鋼支座，屬于滑動支承類隔震裝置。彈性球型支座是在傳統球型支座基礎上進行改進的一種新型支座，含有可提供一定水平剛度的彈性元件，適用于支座處有水平抗側剛度需求的結構，可以有效減少地震對建筑物的破壞。

其主要特點為：1)支座通過球面傳力，下部結構反力比較均勻，承載力高，傳力可靠，不出現力的縮頸現象；2)支座通過滑板的滑動實現支座的轉動過程，轉動靈活，轉動力矩小，允許位移量大，能夠滿足支座大轉角的需要，且轉動力矩與支座轉角大小無關，只與滑板的摩擦系數及支座球面半徑有關，設計轉角可達0.05 rad以上；3)支座采用MHP高度耐磨滑板，可以有效控制支座尺寸，節省支座和整體結構本身的成本；4)支座不使用橡膠承壓，安裝方便，耐久性好，保證支座性能不受橡膠老化的影響；5)支座可承受水平地震力，固定支座(GD)和單向滑動支座(DX)水平承載力為支座反力的10%，且可根據工程需要進行變更。

彈性球型鋼支座設置范圍如圖4所示，滑動支座連接示意如圖5所示。

設置滑動支座方案可行性分析如下：

1)滑動支座在計算模型中的簡化處理：滑動支座簡化為兩端鉸接的框架柱，只傳遞豎向荷載，不產生水平位移；根據滑動支座廠家提供的資料，由滑動支座引起的水平摩擦力為可承擔上部結構產生最大軸力的10%，在B段支撐A段5層，6層部分的柱子柱端增加豎向軸力及與此摩擦力等量的水平力，以考慮上部結構產生的軸力及剪力對其的影響，其內力計算符合實際情況。

2)根據滑動支座廠家提供的資料，選用的滑動支座位移限值為±300 mm。在罕遇地震作用下，A段X方向最大層間位移角為1/141，Y方向最大層間位移角為1/154，B段X方向最大層間位移角為1/162，Y方向最大層間位移角為1/165，滿足規范要求。A段X方向最大層間位移為134 mm，Y方向最大層間位移為123 mm，B段X方向最大層間位移為117 mm，Y方向最大層間位移為115 mm，A段、B段相對位移均小于300 mm，即小于滑動支座位移限值。

綜上所述，此方案合理可行。本工程采用的彈性球型鋼支座應滿足以下要求：豎向壓力設計值不小于2 800 kN，轉角小于0.02 rad，位移限值為±300 mm。滑動材料所采用的MHP高度耐磨滑板極限抗壓強度不小于200 MPa，設計抗壓強度不小于45 MPa，并以5201-2硅脂潤滑油涂于安裝板表面儲油槽內。外露鋼構件均采用噴漆防銹處理。支座與下部結構之間采用焊接連接，二氧化碳氣體保護焊采用H08Mn2SiA焊條，手工焊采用E43型或E50型焊條。