首層薄弱層框架結構的柱頂隔震性能分析

袁慎欽

中冶南方武漢建筑設計有限公司（430010）

0 前言

基礎的隔震屬于目前比較成熟的一種隔震技術形式。層間隔震體系是一種全新的技術形式，可有效控制結構的減震性能，拓展隔震的技術范圍。目前比較適用這種隔震方式的建筑類型比較多，第一種是位置相對復雜的場地，如臨海建筑、低凹建筑及依山建筑；第二種是豎向剛度或層間抗側移剛度突變的建筑結構，如大底盤上塔樓與剛柔并存的建筑；第三種是對于已經建筑加固的項目。近些年的工程實例都顯示，層間隔震結構大多數是隔震層設置在首層柱頂或多塔樓的大底盤兩種形式。首層柱頂隔震結構的工程國內比較少。因此，探討首層薄弱層框架結構的柱頂隔震性能具備顯著實踐性價值。

1 結構減震方案介紹

文章以某5層建筑為例，該建筑的建筑面積為2 600 m2，建筑的首層架空作為隔震檢修層。混凝土的強度等級為二層柱及以下結構采用C30，其他采用C25。在結構減震方面，5層傳統的抗震框架結構模型應用有限元SATWE進行計算分析，首層柱軸壓比控制在0.85，柱截面的邊長為500 mm，高度為3 800 mm。

在結構減震方案的選擇方面，工程采用基礎隔震體系，可以有效減少水平地震作用對于上部結構的影響，但是在超烈度的地震作用影響下，首層會發生比較大的彈塑性變形甚至是損壞，首層薄弱的情況并沒有得到改善。采用基礎隔震體系會導致上部結構的梁板和基礎的工程量較大。此時設置隔震溝不僅施工不便利，工程造價還會偏多。假設應用首層柱頂隔震技術，會提高上部結構的變形能力，首層薄弱的弊端會得到改善[1]。尤其是混凝土框架結構中，首層柱頂隔震技術不僅不需要設置隔震溝，還可以有效簡化隔震結構的施工工序，達到節省工程造價的目的。

在下部結構體系的選擇方面，根據下部隔振的結構受力構件布置方案的特殊性，可以選擇以下三種結構體系。

1）獨立柱。由于柱子周邊缺乏相應的約束，結構穩定性相對較差，在首層高度比較小的結構中應用。

2）獨立柱結合拉梁的平面框架。受力明確，穩定性強，但拉梁截面凈高必須滿足適用要求，這一種結構應用在首層較高的工程中。

3）框架柱短肢剪力墻。局部柱子結合短肢剪力墻的方式，很容易導致首層結構發生較大的扭轉效應，這一種體系并沒有普遍使用。

2 隔震分析

為了降低隔震支座的型號，通過計算，隔震支座的直徑采用500 mm，面壓10 MPa。隔震支座在建筑周邊進行對稱布置，提升整體結構的抗扭能力。數量設置方面要使隔震層總體水平屈服力明確，這一建筑整體重力為270×105 kN，結構的屈重比為1.38%。隔震的上部結構在高強度作用之下的層間位移角移角最大1/191，結構處于彈塑性變形階段。非隔震的上部結構層間位移角最大為1/58，結構接近倒塌。隔震結構的首層獨立柱的層間位移角最大值為1/686，結構仍然處于彈性變形階段，但是非隔震結構的首層獨立柱的層間位移角最大值為1/249，結構處于彈塑性變形階段。這一結果證明，設計獨立柱本身具備充足的剛度、強度及穩定性，隔震層最大水平位移198 mm，位移限制72%，隔震支座均勻受壓的情況下不產生應拉力，這也證明了隔震層具備較好的安全性與穩定性[2]。

3 結語

首層薄弱層框架結構的柱頂隔震性能較好，隔震結構基礎的周期是非隔震結構的3倍甚至更高，可以借助延長整體結構周期的方式降低結構的地震反應。隔震上部結構層間的剪力減少66%以上，水平減震系數為0.46。在超烈度的地震影響下，隔震上部結構的變形普遍處于彈塑性階段，此時隔震可以滿足安全、穩定要求。首層獨立柱在采取隔震設計措施的情況下可以確保其在高強度地震中不屈服，整個結構穩定性較好。