隔震支座在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用研究*

許旺旺

(山西二建集團(tuán)有限公司 太原 030000)

高層建筑的快速發(fā)展推動(dòng)了隔震支座技術(shù)在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用,以提高建筑抗震性能。現(xiàn)有文獻(xiàn)已經(jīng)較系統(tǒng)地研究了隔震支座的工作原理及參數(shù)優(yōu)化。然而關(guān)于工程設(shè)計(jì)施工方面的研究還不夠深入。因此,本研究著眼于隔震支座在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用,探討其設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)及效果評(píng)估,以期豐富工程經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)文獻(xiàn)研究和案例分析,考察隔震支座的設(shè)計(jì)流程、施工步驟及實(shí)際效果。最后總結(jié)分析研究意義,并展望未來(lái)發(fā)展方向。筆者首先介紹混凝土框架結(jié)構(gòu)與隔震支座工作原理。

1 混凝土框架結(jié)構(gòu)與隔震支座

1.1 混凝土框架結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

混凝土框架結(jié)構(gòu)由梁、柱、樓板三大組成部分構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 隔震混泥土框架結(jié)構(gòu)

梁作為樓面系統(tǒng)的重要組成部分,起到傳遞水平荷載的作用,將地震力等水平荷載傳遞給柱子。柱子既要承受上部結(jié)構(gòu)的重力荷載,還要承受來(lái)自梁的水平荷載,并將這些荷載最終傳遞到基礎(chǔ)[1]。樓板不僅將重力荷載均勻地傳遞到梁、柱,還發(fā)揮著連接各構(gòu)件、提供整個(gè)結(jié)構(gòu)水平剛度的重要作用。這三大組成部分共同作用,形成一個(gè)整體抗側(cè)剛度強(qiáng)的框架系統(tǒng)。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù),可以有效提高混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗裂性能,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性。同時(shí),選用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的鋼筋混凝土材料,既保證了框架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性,又提高了抗震性能[2]。合理的結(jié)構(gòu)布置也是增強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要手段。此外,混凝土框架結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)便,非常適合機(jī)械化施工,可以縮短建設(shè)周期。因此,這種結(jié)構(gòu)形式廣泛應(yīng)用于多層和高層建筑。混凝土框架結(jié)構(gòu)具有組成合理、抗側(cè)剛度大、抗震性能好、施工方便等特點(diǎn),是一種適用性非常廣泛的結(jié)構(gòu)形式[3]。

1.2 隔震支座的工作原理

隔震支座是設(shè)置在結(jié)構(gòu)底部的一種支承構(gòu)件,其核心工作原理是隔離上部結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)在地震作用下的相對(duì)運(yùn)動(dòng),以達(dá)到減震的目的[4～5]。隔震支座具有水平剛度較小而豎向剛度較大的特點(diǎn),其公式為:

式中:F——地震力;

k——隔震支座的水平剛度。

當(dāng)發(fā)生地震時(shí),隔震支座允許上部結(jié)構(gòu)在水平方向發(fā)生較大的位移和變形,用來(lái)吸收和消耗地震輸入的能量,減少地震力對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響,起到保護(hù)上部結(jié)構(gòu)的作用。隔震支座的減震機(jī)理主要有兩點(diǎn):一是增加結(jié)構(gòu)的周期,使其避開(kāi)地震波的主要頻率,從而減小地震的反力;二是通過(guò)橡膠或其他材料的屈服變形,消耗地震輸入能量,降低地震向上部結(jié)構(gòu)的傳遞,其公式為:

式中:m——上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量;

k——隔震支座的水平剛度。

地震輸入的能量E 消耗表示為:

隔震支座采用橡膠或金屬的屈服組件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一工作機(jī)理,通常設(shè)置復(fù)原機(jī)構(gòu)以便地震后恢復(fù)原位。

1.3 隔震支座在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

表1 隔震支座在應(yīng)用場(chǎng)景中的設(shè)置與效果

隔震支座主要設(shè)置在混凝土框架結(jié)構(gòu)的底部,充當(dāng)框架結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的緩沖聯(lián)結(jié)(見(jiàn)圖1)。它通常設(shè)置于框架梁柱交匯處附近,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的隔震減震。隔震支座主要有以下幾種設(shè)置方式:一是設(shè)置在核心筒之下,使核心筒與其以下基礎(chǔ)隔離,由于核心筒限制了框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移,因此核心筒基礎(chǔ)采用隔震支座可以提供較大的隔震減震效果;二是設(shè)置于樓層梁柱交匯處的框架柱腳下,使框架柱通過(guò)軟聯(lián)結(jié)減少地震反力;三是設(shè)置于整個(gè)樓層框架梁的兩端,實(shí)現(xiàn)整個(gè)樓層的隔震。還可以設(shè)置于樓頂,起到保護(hù)樓頂構(gòu)件的作用。隔震支座的設(shè)置位置和數(shù)量需要根據(jù)具體工程情況確定,但基本原則是能夠有效隔離框架結(jié)構(gòu)的主要承重組件,使其免受地震破壞。混凝土框架結(jié)構(gòu)采用隔震支座,可以發(fā)揮該結(jié)構(gòu)本身的抗側(cè)剛度優(yōu)勢(shì),與隔震支座的減震優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能[6～7]。

2 隔震支座的設(shè)計(jì)與施工

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

隔震支座的設(shè)計(jì)需要充分考慮上部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),選用合理的隔震支座型號(hào)。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的總重量和剛度分配情況,選定配套的隔震支座型號(hào),確定其所需要提供的承載力和剛度[8]。同時(shí),還要針對(duì)不同部位的支座進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì),要根據(jù)隔震建筑所處區(qū)域的設(shè)防烈度及對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)地震加速度,計(jì)算隔震層的位移和支座套管的位移容量,以控制支座的位移在合理范圍內(nèi)。支座的具體布置也很重要,要根據(jù)上部結(jié)構(gòu)形式確定隔震接口的數(shù)量和位置,一般設(shè)置于核心筒基礎(chǔ)及框架梁柱交匯處。設(shè)計(jì)支座的頂座與基座之間的順暢過(guò)渡也是關(guān)鍵,要確保支座能夠相對(duì)上下部發(fā)生平穩(wěn)位移。設(shè)計(jì)合理的聯(lián)結(jié)螺栓和止擋裝置,可以使支座與上下部牢固連接。支座本身的橡膠或金屬核心構(gòu)造設(shè)計(jì)也需要精心實(shí)施。還要設(shè)計(jì)修復(fù)系統(tǒng),以便發(fā)生位移后恢復(fù)原狀[9]。

2.2 施工流程

隔震支座的施工順序首先是準(zhǔn)備工作,需要進(jìn)行隔震層定位,建立控制網(wǎng)絡(luò),將設(shè)計(jì)高度傳遞給隔震層基面。然后在基礎(chǔ)上預(yù)留安裝用的箱體空間和螺栓孔,方便后期安裝。在主體結(jié)構(gòu)施工到約設(shè)計(jì)高度時(shí),開(kāi)始隔震支座的首批安裝,根據(jù)設(shè)計(jì)方案將支座預(yù)埋件安裝到位,并用螺栓固定。隨后繼續(xù)主體結(jié)構(gòu)施工,完成主體結(jié)構(gòu)后再進(jìn)行隔震層的二次性澆注,將預(yù)留空間灌漿,澆筑隔震層頂面。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)封頂后,進(jìn)行隔震支座的二次安裝。將支座吊裝或就地組裝到位,與頂面聯(lián)結(jié),并調(diào)整至設(shè)計(jì)高度。然后進(jìn)行屈服芯體的安裝,連接修復(fù)系統(tǒng)。最后完成管線、裝修后,再進(jìn)行隔震層與基礎(chǔ)的脫空處理,使其進(jìn)入工作狀態(tài)。在整個(gè)施工過(guò)程中,要細(xì)心操作,嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行,同時(shí)做好測(cè)量監(jiān)控,確保隔震支座的位置和高度完全符合設(shè)計(jì)。施工質(zhì)量直接關(guān)系到隔震效果的發(fā)揮[10]。

3 隔震支座工程應(yīng)用現(xiàn)狀與效果評(píng)估

3.1 工程應(yīng)用現(xiàn)狀分析

鑒于消能減震技術(shù)可以有效提高建筑抗震性能,我國(guó)對(duì)該技術(shù)的需求日益增加,隔震支座等隔震設(shè)備得到了較快發(fā)展和應(yīng)用。本項(xiàng)目所在的山西二建集團(tuán)有限公司承接了多類(lèi)型工業(yè)建筑項(xiàng)目,在這些工程中積累了豐富的隔震支座使用經(jīng)驗(yàn)。公司成立了專(zhuān)門(mén)技術(shù)小組,配備先進(jìn)設(shè)備,開(kāi)展隔震技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用,形成了技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隔震支座技術(shù)在高層建筑和公共建筑中的應(yīng)用最為廣泛。近年來(lái),四川、陜西等地震災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū),大量新建高層樓宇采用了這項(xiàng)技術(shù),約占新建項(xiàng)目的80%。一些地標(biāo)建筑如上海中心大廈、北京國(guó)家游泳中心、深圳平安金融中心等也使用了隔震支座。此外,橋梁工程的滑碗支座和鉛芯橡膠支座應(yīng)用也在增加。隨著工程認(rèn)識(shí)的提高,預(yù)計(jì)我國(guó)隔震支座的應(yīng)用范圍還將持續(xù)擴(kuò)大。本市重點(diǎn)工程采用隔震支座,可以進(jìn)一步充實(shí)公司工程經(jīng)驗(yàn),也有利于推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)化應(yīng)用。

3.2 工程應(yīng)用典型案例

隔震支座技術(shù)在高層建筑中的應(yīng)用效果突出。上海中心大廈是迄今國(guó)內(nèi)最高的建筑,采用了186組允許100 cm 位移的橡膠隔震支座,充分體現(xiàn)了該技術(shù)在超高層結(jié)構(gòu)中的減震效果。北京國(guó)家游泳中心跨度達(dá)到90 m,為保證運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館結(jié)構(gòu)的安全性,采用大型滑摩支座以允許較大水平位移,有效減輕了地震反力。本公司承建的工業(yè)建筑和公路橋梁項(xiàng)目也采用了隔震支座。某工業(yè)建筑位于江蘇省泗洪縣雙溝鎮(zhèn),屬于8度烈度區(qū),使用隔震支座,減小了地震水平反力,保證了設(shè)備和結(jié)構(gòu)的安全。某公路連續(xù)梁斜拉橋采用鉛芯橡膠支座,不僅滿足大位移需求,還提升了橋梁抗震性能。以上案例表明,隔震支座技術(shù)在超高層建筑、大跨度場(chǎng)館、橋梁、混凝土結(jié)構(gòu)工程等工程中都取得了成功應(yīng)用,值得進(jìn)一步推廣。這也將豐富本項(xiàng)目單位在該技術(shù)應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)。

3.3 工程應(yīng)用效果評(píng)估

隔震支座技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在:隔震支座能夠有效減小地震反力,保護(hù)上部結(jié)構(gòu)。隔震支座通過(guò)發(fā)生一定范圍內(nèi)的較大水平位移,吸收和消耗了大部分地震輸入能量,從而減小上部結(jié)構(gòu)所受的地震反力,避免結(jié)構(gòu)和設(shè)備遭受?chē)?yán)重的地震破壞。隔震支座延長(zhǎng)上部結(jié)構(gòu)的周期,使其躲避地震波的主要頻率范圍,減少地震動(dòng)力反應(yīng)。隔震支座增大結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度和周期,使結(jié)構(gòu)的自振周期脫離地震動(dòng)的主要能量作用區(qū)間,地震反應(yīng)譜值明顯減小,起到隔震減震的作用。隔震支座改善上部結(jié)構(gòu)的延性吸收能力。隔震層合理的位移發(fā)生,避免上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大變形,使上部結(jié)構(gòu)保持彈性工作狀態(tài),具備一定的延性吸收能力。采用橡膠或金屬屈服裝置,可以有效控制隔震層位移在合理設(shè)計(jì)范圍內(nèi),避免對(duì)電梯井、管線等的嚴(yán)重破壞。采用隔震支座后,上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可選擇較小的地震減縮系數(shù),簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),降低成本。隔震支座可減小非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震反應(yīng),提高建筑使用性能。在各類(lèi)工程中,隔震支座技術(shù)均取得了良好效果,展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α８粽鹬ё夹g(shù)在工程實(shí)踐中充分驗(yàn)證了其顯著的隔震減震效果和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),其應(yīng)用范圍和規(guī)模還將持續(xù)擴(kuò)大。但在工程設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中,仍需嚴(yán)格掌控各項(xiàng)關(guān)鍵要素,確保隔震支座發(fā)揮出應(yīng)有的工程效果。

綜上所述,為探究隔震支座在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用,筆者通過(guò)文獻(xiàn)分析與案例研究等方法考察了隔震支座的工作原理、設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)及工程應(yīng)用效果。研究表明,隔震支座可有效減震保護(hù)結(jié)構(gòu),并得到廣泛應(yīng)用。其核心在于控制位移、延長(zhǎng)周期,改善結(jié)構(gòu)延性。該技術(shù)已在高層建筑等多種工程取得良好經(jīng)濟(jì)效益。筆者豐富了隔震支座設(shè)計(jì)施工方面的經(jīng)驗(yàn)。創(chuàng)新之處在于提出設(shè)計(jì)深化和精細(xì)施工的對(duì)策。局限在于研究范圍有限,今后可進(jìn)一步拓展工程應(yīng)用范圍,加強(qiáng)參數(shù)優(yōu)化研究。隔震支座技術(shù)行之有效,值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。