首層薄弱層框架結(jié)構(gòu)的柱頂隔震性能分析

袁慎欽

中冶南方武漢建筑設(shè)計(jì)有限公司（430010）

0 前言

基礎(chǔ)的隔震屬于目前比較成熟的一種隔震技術(shù)形式。層間隔震體系是一種全新的技術(shù)形式，可有效控制結(jié)構(gòu)的減震性能，拓展隔震的技術(shù)范圍。目前比較適用這種隔震方式的建筑類(lèi)型比較多，第一種是位置相對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)地，如臨海建筑、低凹建筑及依山建筑；第二種是豎向剛度或?qū)娱g抗側(cè)移剛度突變的建筑結(jié)構(gòu)，如大底盤(pán)上塔樓與剛?cè)岵⒋娴慕ㄖ坏谌N是對(duì)于已經(jīng)建筑加固的項(xiàng)目。近些年的工程實(shí)例都顯示，層間隔震結(jié)構(gòu)大多數(shù)是隔震層設(shè)置在首層柱頂或多塔樓的大底盤(pán)兩種形式。首層柱頂隔震結(jié)構(gòu)的工程國(guó)內(nèi)比較少。因此，探討首層薄弱層框架結(jié)構(gòu)的柱頂隔震性能具備顯著實(shí)踐性?xún)r(jià)值。

1 結(jié)構(gòu)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(qiáng)度等級(jí)為二層柱及以下結(jié)構(gòu)采用C30，其他采用C25。在結(jié)構(gòu)減震方面，5層傳統(tǒng)的抗震框架結(jié)構(gòu)模型應(yīng)用有限元SATWE進(jìn)行計(jì)算分析，首層柱軸壓比控制在0.85，柱截面的邊長(zhǎng)為500 mm，高度為3 800 mm。

在結(jié)構(gòu)減震方案的選擇方面，工程采用基礎(chǔ)隔震體系，可以有效減少水平地震作用對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的影響，但是在超烈度的地震作用影響下，首層會(huì)發(fā)生比較大的彈塑性變形甚至是損壞，首層薄弱的情況并沒(méi)有得到改善。采用基礎(chǔ)隔震體系會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的梁板和基礎(chǔ)的工程量較大。此時(shí)設(shè)置隔震溝不僅施工不便利，工程造價(jià)還會(huì)偏多。假設(shè)應(yīng)用首層柱頂隔震技術(shù)，會(huì)提高上部結(jié)構(gòu)的變形能力，首層薄弱的弊端會(huì)得到改善[1]。尤其是混凝土框架結(jié)構(gòu)中，首層柱頂隔震技術(shù)不僅不需要設(shè)置隔震溝，還可以有效簡(jiǎn)化隔震結(jié)構(gòu)的施工工序，達(dá)到節(jié)省工程造價(jià)的目的。

在下部結(jié)構(gòu)體系的選擇方面，根據(jù)下部隔振的結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件布置方案的特殊性，可以選擇以下三種結(jié)構(gòu)體系。

1）獨(dú)立柱。由于柱子周邊缺乏相應(yīng)的約束，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對(duì)較差，在首層高度比較小的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。

2）獨(dú)立柱結(jié)合拉梁的平面框架。受力明確，穩(wěn)定性強(qiáng)，但拉梁截面凈高必須滿(mǎn)足適用要求，這一種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在首層較高的工程中。

3）框架柱短肢剪力墻。局部柱子結(jié)合短肢剪力墻的方式，很容易導(dǎo)致首層結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，這一種體系并沒(méi)有普遍使用。

2 隔震分析

為了降低隔震支座的型號(hào)，通過(guò)計(jì)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(jìn)行對(duì)稱(chēng)布置，提升整體結(jié)構(gòu)的抗扭能力。數(shù)量設(shè)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(jié)構(gòu)的屈重比為1.38%。隔震的上部結(jié)構(gòu)在高強(qiáng)度作用之下的層間位移角移角最大1/191，結(jié)構(gòu)處于彈塑性變形階段。非隔震的上部結(jié)構(gòu)層間位移角最大為1/58，結(jié)構(gòu)接近倒塌。隔震結(jié)構(gòu)的首層獨(dú)立柱的層間位移角最大值為1/686，結(jié)構(gòu)仍然處于彈性變形階段，但是非隔震結(jié)構(gòu)的首層獨(dú)立柱的層間位移角最大值為1/249，結(jié)構(gòu)處于彈塑性變形階段。這一結(jié)果證明，設(shè)計(jì)獨(dú)立柱本身具備充足的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)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(chǎn)生應(yīng)拉力，這也證明了隔震層具備較好的安全性與穩(wěn)定性[2]。

3 結(jié)語(yǔ)

首層薄弱層框架結(jié)構(gòu)的柱頂隔震性能較好，隔震結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的周期是非隔震結(jié)構(gòu)的3倍甚至更高，可以借助延長(zhǎng)整體結(jié)構(gòu)周期的方式降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。隔震上部結(jié)構(gòu)層間的剪力減少66%以上，水平減震系數(shù)為0.46。在超烈度的地震影響下，隔震上部結(jié)構(gòu)的變形普遍處于彈塑性階段，此時(shí)隔震可以滿(mǎn)足安全、穩(wěn)定要求。首層獨(dú)立柱在采取隔震設(shè)計(jì)措施的情況下可以確保其在高強(qiáng)度地震中不屈服，整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。