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      鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)隔震效能初探

      2016-11-22 02:41:57張?zhí)m芬孟慶利趙成林
      四川建筑 2016年5期
      關(guān)鍵詞:樓梯間阻尼抗震

      張?zhí)m芬, 孟慶利, 趙成林, 喬 劼

      (1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川綿陽 621010;2.成都美廈建筑設(shè)計(jì)有限公司,四川成都 610081)

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      鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)隔震效能初探

      張?zhí)m芬1, 孟慶利1, 趙成林2, 喬 劼2

      (1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川綿陽 621010;2.成都美廈建筑設(shè)計(jì)有限公司,四川成都 610081)

      近年來地震發(fā)生頻繁,災(zāi)害嚴(yán)重,造成大量建(構(gòu))筑物破壞,傷亡人員數(shù)量大,給人們帶來了嚴(yán)重的損失。文章介紹了一種新型的自隔震技術(shù)——鋼管混凝土柱自隔震技術(shù),通過減少建筑物底層剛度同時(shí)增加一定的阻尼,實(shí)現(xiàn)地震作用下建筑物減隔震的目的,并應(yīng)用于實(shí)際工程,通過對(duì)此工程進(jìn)行動(dòng)力特性測試并計(jì)算結(jié)構(gòu)的基本自振周期得出采用此自隔震技術(shù)能增大結(jié)構(gòu)自振周期,減小地震作用,并提出了相關(guān)的展望。

      鋼管混凝土柱; 自隔震技術(shù); 動(dòng)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(huán)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(qū),近年來地震發(fā)生頻繁,災(zāi)害嚴(yán)重,造成大量建(構(gòu))筑物破壞,傷亡人員數(shù)量大,給人們帶來了嚴(yán)重的損失[1-4]。

      對(duì)于地震作用,建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)歷來都是以抗震設(shè)計(jì)法為主,該設(shè)計(jì)方法已在現(xiàn)行抗震規(guī)范及相關(guān)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中給出了具體的規(guī)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(jìn)入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,近年來已有許多實(shí)際應(yīng)用實(shí)例。

      按抗震設(shè)計(jì)的建筑物,不能避免地震時(shí)的強(qiáng)烈晃動(dòng),當(dāng)遭遇到大地震時(shí),雖然可以保證人身安全,但不能完全保證建筑物及其內(nèi)部物品的安全。如果采用減隔震技術(shù)修建的建筑物可以減小上部結(jié)構(gòu)的地震作用力、樓面的反應(yīng)加速度和上部結(jié)構(gòu)的層間變形,在大震作用下,上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會(huì)產(chǎn)生破壞,人員安全和財(cái)產(chǎn)安全均可以得到保證。因此與抗震設(shè)計(jì)相比,減隔震設(shè)計(jì)必將成為未來結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢。

      目前應(yīng)用較多的隔震機(jī)構(gòu)是疊層鋼板橡膠支座,其在對(duì)水平方向地震分量有很好的隔震作用,但對(duì)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(jié)構(gòu)造價(jià)的缺點(diǎn),使其推廣應(yīng)用受到限制。

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

      1 普通框架結(jié)構(gòu)自振周期降低原因分析

      (1)忽視地坪對(duì)底層柱的限位作用造成剛度增大,如圖1所示。

      (2)基礎(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(tái)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(chǎn)生“桁架效應(yīng)”和“剪力墻效應(yīng)”造成梯斜板承擔(dān)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(yán)重處都在樓梯間,主要現(xiàn)象為梯板折斷、梯梁扭斷、對(duì)支撐柱的短柱效應(yīng)等。

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

      2 鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)

      鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)是在建筑物的底層或地下室僅采用鋼管混凝土柱作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件,并在鋼管混凝土柱下端設(shè)置阻尼約束錐,可以增大柱長減小剛度,同時(shí)增加一定的阻尼,從而實(shí)現(xiàn)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(shù)計(jì)算簡圖

      圖5 隔震層的隔震柱錯(cuò)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(qiáng)度、彈性變形區(qū)間寬,隔震柱的高徑比是調(diào)整隔震層剛度的第一因素,其次是支座條件和柱數(shù)。避讓空間、雙向獨(dú)立剪力墻(與柱不聯(lián)系)、獨(dú)立環(huán)形柱外柱(與內(nèi)柱不連,用泡沫隔開)和地下室側(cè)壁既是阻擋結(jié)構(gòu),也是各類阻尼的支座,隔震時(shí)首層采用鋼管混凝土柱,具體構(gòu)造示意如圖7和圖8所示。為了消除樓梯間的“桁架效應(yīng)”和“剪力墻效應(yīng)”,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(xiàn)。

      圖7 鋼管混凝土柱

      圖8 鋼管混凝土柱橫斷面

      3 某新建學(xué)生公寓動(dòng)力特性測試

      3.1 某新建學(xué)生公寓概況

      鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)依據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范及相關(guān)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),形成了較為完善的設(shè)計(jì)方法及相關(guān)的構(gòu)造細(xì)節(jié),并應(yīng)用于在建的某幢鋼筋混凝土框架宿舍樓。例如:某新建學(xué)生公寓項(xiàng)目位于彭州市天彭路,為六層框架結(jié)構(gòu)房屋,基礎(chǔ)形式為柱下獨(dú)立基礎(chǔ),一層~五層層高均為3.6 m,六層層高3.45 m,室內(nèi)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(biāo)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(shè)計(jì)和施工時(shí)采用了鋼管混凝土柱自隔震技術(shù),為了了解該房屋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性,四川省建筑科學(xué)研究院于2015年4月16日對(duì)該房屋的動(dòng)力特性進(jìn)行了主體結(jié)構(gòu)完工后的第一次測試。

      3.2 測點(diǎn)布置

      該房屋為3跨內(nèi)廊式框架結(jié)構(gòu)宿舍樓,平面規(guī)則對(duì)稱,本次測試在二層~屋蓋的相同位置處各布置有1個(gè)測點(diǎn),每個(gè)測點(diǎn)均布置有1個(gè)水平向拾振器(圖9),測試房屋在橫向和縱向兩個(gè)方向上的振動(dòng),采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)為在脈動(dòng)激勵(lì)下的速度響應(yīng)時(shí)程。

      圖9 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試測點(diǎn)平面布置

      3.3 分析結(jié)果

      經(jīng)對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行自功率譜分析,得到該房屋橫向和縱向兩個(gè)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(jié)果 Hz

      3.4 基本自振周期計(jì)算

      在對(duì)某新建學(xué)生公寓進(jìn)行動(dòng)力特性測試的基礎(chǔ)上,采用頂點(diǎn)位移法計(jì)算了其基本自振周期T=0.678 s,如表2所示,與脈動(dòng)測試所得的周期T=0.571 s及PKPM所計(jì)算的周期T=0.686 s接近,說明頂點(diǎn)位移法適用于此結(jié)構(gòu)基本自振周期的計(jì)算。其中水平抗推剛度Kj的計(jì)算方法如下:

      表2 采用鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)時(shí)的自振周期

      (1)

      (2)

      式中:dj、hj分別是柱的直徑和高度;Esc為計(jì)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(nèi)徑。

      采用頂點(diǎn)位移法計(jì)算了公寓未采用鋼管混凝土柱自隔震技術(shù),即公寓為普通框架結(jié)構(gòu)時(shí)的自振周期T=0.457 s,如表3所示。

      根據(jù)《某新建學(xué)生公寓項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告》知,公寓所處場地抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)地震分組為第二組,建筑場地類別為Ⅱ類,設(shè)計(jì)特征周期Tg=0.40 s。

      根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,地震影響

      表3 未采用鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)時(shí)的自振周期

      4 結(jié)論及展望

      鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)作為一種新型的減隔震技術(shù),通過減少建筑物底層剛度同時(shí)增加一定的阻尼,實(shí)現(xiàn)地震作用下建筑物減隔震的目的。本文針對(duì)某新建學(xué)生公寓進(jìn)行了基本自振周期的計(jì)算,將公寓采用及未采用鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)的地震影響系數(shù)進(jìn)行對(duì)比,得出采用鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)能增大結(jié)構(gòu)自振周期,減小地震作用。其設(shè)計(jì)方法的合理性以及減隔震效果的有效性,需進(jìn)一步通過關(guān)鍵自隔震技術(shù)參數(shù)(自隔震柱在不同等級(jí)地震作用下剛度,自隔震柱與周圍阻擋結(jié)構(gòu)預(yù)留距離,自隔震層阻尼值)試驗(yàn)和非線性動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)分析進(jìn)行研究驗(yàn)證,最終提出基于性能的、完善的、合理的自隔震技術(shù)設(shè)計(jì)理論與方法。

      [1] 石玉成,馬爾曼,何文貴,等.2003年甘肅民樂—山丹6.1、5.8級(jí)地震震害特點(diǎn)及啟示[J].世界地震工程,2006,22(3):95-101.

      [2] 葛學(xué)禮,朱立新,于文,等.江西九江—瑞昌M5.7級(jí)地震空斗磚墻房屋震害分析[J].工程抗震與加固改造,2006,28(1):10-13.

      [3] 李宏男,肖詩云,霍林生.汶川地震震害調(diào)查與啟示[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008,29(4):10-19.

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      [5] GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

      [6] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

      [7] 陳歡.鋼管混凝土柱自隔震技術(shù)[J].四川建筑,2014,34(6):131-133.

      [8] 龍丹冰,王爾其,潘常旭.基于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的自隔震技術(shù)[C]//第七屆全國防震減災(zāi)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)暨紀(jì)念汶川地震五周年學(xué)術(shù)研討會(huì).2013:50-55.

      西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):15ycx105)

      張?zhí)m芬(1989~),女,碩士,研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗震加固。

      TU352.1

      A

      [定稿日期]2016-05-11

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