鋼管混凝土柱自隔震技術

陳 歡

(成都美廈建筑設計有限公司，四川成都610081)

地震，是地球上所有自然災害中給人類社會造成損失最大的一種地質(zhì)災害。在中國，由于地處在世界兩大地震帶(環(huán)太平洋地震帶與地中海—喜馬拉雅山地震帶)之間，因此歷史上發(fā)生過很多破壞性很大的地震。近年來，2008年四川汶川縣發(fā)生的里氏8.0級地震，2013年四川蘆山發(fā)生的強烈地震，均造成了巨大的生命財產(chǎn)損失，給我們帶來了慘痛的教訓。近年來，中央及四川頒布了多個建設工程抗震及隔震減震新技術條例，包括：

(1)中國地震局文件，中震防發(fā)【2009】49號，《關于學校、醫(yī)院和等人員密集場所建設工程抗震設防要求確定原則的通知》，文件強調(diào)提高半度計算設計；

(2)四川省人民政府令，第266號，《四川省建設工程抗御地震災害管理辦法》2013年3月19日省人民政府第4次常務會議通過，先予公布，自2013年6月1日起施行，文件強調(diào)重要性，鼓勵采用各種新技術；

(3)住房和城鄉(xiāng)建設部頒布了《關于房屋建筑工程推廣應用減隔震技術的若干意見》，建質(zhì)【2014】25號，文件強調(diào)采用減隔震的意義，根據(jù)危險性及后果分三類，優(yōu)先、鼓勵、提倡；參加評優(yōu)、評獎、優(yōu)先。

地震的發(fā)生具有復雜性和不確定性，對地震發(fā)生進行準確預測是很難做到的，然而，做好建筑物的抗震設計，更能減輕地震破壞，避免人員傷亡、減少經(jīng)濟損失。

1 鋼管混凝土的隔減震效應設計

(1)何謂自隔震結構？不要隔震器，調(diào)整結構周期T1以降低水平地影響系數(shù)β，稱為自隔震設計。

(2)何謂自減震結構？不要阻尼器，調(diào)整結構的阻尼比，以降低水平向減震系數(shù)β，稱為自減震設計。

(3)何謂自隔震減震結構設計？對結構的自震周期和結構的阻尼比同時調(diào)整，可以大幅度降低隔震減震系數(shù)，稱自隔減震設計。

(4)何謂超罕遇地震不倒？在遭遇超罕遇地震時，隔減震結構進入彈塑性，水平位移顯著增大，阻尼結構投入工作，用耗能和限位以控制結構不倒。

(6)何謂接力柱？在位移較大時原隔震柱因屈服、回彈力減弱，接力柱就是另外設一些層間柱，在原柱彈性范圍內(nèi)接力柱基本不承擔水平力，在原柱臨屈服后接力柱開始工作承擔水平力，這樣系統(tǒng)永遠都有相當?shù)幕貜椓Γ瑥椥詤^(qū)間進一步增大。

接力柱的設置一方面保證了回彈，另一方面保證了隔震層的抗剪承載力、抗倒塌能力進一步提高。

接力柱不在一般建筑設置，有必要時僅在9度甲乙類建筑設置；接力柱設置僅在隔震層，其它層不設置。

接力柱是阻擋結構的一種形式。

(7)隔震減震層可否合用？抗震結構中，整體減震效果是隔震因子(T0/T)r和阻尼減震因子η2(ζ)之積，兩種合用可收到事半功倍之效果，合用是乘法效應。

(8)自隔震的底層剛度低是否會出現(xiàn)變形集中？自隔震初始剛度低目的是實現(xiàn)抗震對策“讓”，以柔克剛，讓之后因阻擋結構，如地坪型、圓筒型、雙向剪力墻型和接力柱型大大提高層剛度，不會出現(xiàn)塑性，也不會有變型集中。

(9)隔震柱計算簡圖，見圖1～圖3。

圖1 隔震結構

圖2 隔減震結構

(10)估定剛度或阻尼。

要求至少減1度。可降1度的構造，完全按抗震設計計算，采用下述方法估定其周期剛度。當用此方法估定的剛度和阻尼通不過有關驗算時，再調(diào)整到通過為止。

圖3 隔震結構

式中的T01是T1的目標周期T012有下式：

表1 阻尼比ζ與η2、γ之關系

給定阻尼比可定出剛度限，給定剛度限可求出阻尼比限。

表1中：

對層數(shù)較低者，T0≤Tg者，T0為上部被隔震結構估定之周期。

(T0≤Tg時)

層數(shù)較高者，T0>Tg者

(T0>Tg時)

式中：T0為上部被隔震結構估定的周期，按如下公式估定：

T0=0.1n;

(n層數(shù)；框架結構)

T0=0.05n～0.08n;

(n層數(shù)；剪力墻或框—剪)

例：ζ=0.23η2=0.60γ=0.79Tg=0.4n=6層，則：

得目標周期T01=0.6后，可得：

例：

(1)在零附加阻尼比的情況

ζ=0.05η2=1.00γ=0.9Tg=0.4

(2)在小阻尼比情況

ζ=0.15η2=0.69γ=0.82Tg=0.5

(3)在中阻尼情況

ζ=0.23η2=0.60γ=0.79Tg=0.6

如果要求隔減震1.5度則隔減震系數(shù)β=0.375或β=0.38

EscI0=EsIs+dEcIc

(11)阻擋結構

阻擋結構及阻擋曲線的張開大小，阻擋曲線的形狀，對柱的應力、彈性、塑性及整體彈塑性穩(wěn)定均有重大影響。

阻擋曲線一般簡化為單折線(圖4)或雙折線(圖5)，也可按柱的變形曲線(圖6)。

圖4 柱與約束錐一點接觸

圖5 柱與約束錐兩點接觸

圖6 柱與約束錐線接觸

柱插入約束錐的深度h>4d，d為柱直徑。

θ1為臨塑轉角

θ2為臨倒轉角

與抗震設計相比，采用鋼管混凝土柱，通過設置在建筑物底層的鋼管混凝土柱以及安裝在鋼管混凝土柱下端的阻尼約束錐，實現(xiàn)在地震作用下使房屋隔震減震。利用鋼管混凝土柱的高強度、高彈性、高耗能的特性，有效地調(diào)節(jié)房屋的周期，減輕房屋的動力反應，使之達到在大地震中建筑能正常使用、特大地震中安全不倒的目的。

2 鋼管混凝土的隔減震效應的優(yōu)越性

鋼管混凝土柱既作為承重柱又起到水平彈簧的作用，支承著上部重量，沒有增加任何專門隔震減震的構件或設施的投入，這種重要的理念保證了該技術比任何傳統(tǒng)方法更經(jīng)濟適用。鋼管混凝土柱采用常規(guī)建筑材料，主要是建筑鋼管和高強混凝土，施工制作單位就是常規(guī)的鋼結構公司和土建公司，施工過程受環(huán)境因素的影響較小。

2.1 技術優(yōu)勢

鋼管混凝土柱，有很強彈性工作能力；鋼管混凝土柱的剛度、阻尼基本不隨溫度而變；鋼管混凝土柱使用壽命周期長不需要換；鋼管混凝土柱不燃，熱容量大，溫升慢，小斷面情況稍作處理就可耐火達標，大斷面無需處理。

2.2 經(jīng)濟效益

采用鋼管混凝土柱作隔震柱也兼作底層柱或地下室柱；采用鋼管混凝土柱，變傳統(tǒng)設置隔震裝置所需的非使用空間為可使用空間。鋼管混凝土柱支承的上部結構可降低地震作用1度到1.5度(降50%～75%)，上部結構的材料費降低10%左右。

2.3 社會效益

采用這種技術不僅不花錢反而省錢又多得使用空間，采用這種技術使大量的標準設防保護的建筑變?yōu)橛兄攸c設防能力，重點保護人群由18%提高為90%，這是我們建設美好家園的重要目的。采用這種隔震減震技術與抗震技術比房屋的安全度大大提高；房屋非結構構件(隔墻、門窗、天棚)倒塌、女兒墻倒塌、設備的損壞會顯著減少；采用該技術與傳統(tǒng)抗震技術比，二次災害如火災、化學、生物和核泄漏會顯著減少，甚至沒有。

2.4 應用廣泛

(1)有地下室情況可使用，無地下室情況也可使用。

(2)在有地下室的情況，無論是單層或多層地下室或半地下室，隔震柱設在地下室滿足其使用要求和剛度，室外地坪處可做阻尼支座及阻擋結構。在柱群剛度偏大的情況可在柱下設約束錐，以降剛度地坪等作阻擋結構，高烈度再加接力柱、剪力墻等。由于樓梯間梯板有桁架效應，平臺有短柱效應，通常其剛度提高幾十倍，在采用該技術時，平臺上設滑移縫，平臺與柱分開，消除其效應。確保樓梯間的剛度與 其他部位一致。

(3)多層單層各類橋墩均可使用。多層建筑以柱作為隔震彈簧，高層建筑若有剪力墻承重。剪力墻在隔震層處設若干小柱代之，阻擋結構可用底層地坪另外剪力墻。

(4)上部被隔震結構可以是磚混結構、混凝土框架結構和剪力結構，各類鋼結構。既可用于大城市建設也可用于中小城鎮(zhèn)建設。

(5)該技術可用于加固補強。常規(guī)加固是用增剛加固法，是假打柱子，加大縱橫配筑，加大填充墻與柱子的連接和整體性，其結果是剛度增加，費用增加。而該技術的思想是“減剛限位法”，既消除墻及地基對柱子的約束。另外，把柱基頂?shù)降孛娴募s束挖去，消除地下柱的側連接，讓構造接近計算簡圖。在原柱表面貼泡沫，在外澆一方形或圓形空心柱，在柱與阻擋結構之間安設阻尼結構，作常遇地震和罕遇地震計算。

(6)該技術可用于防撞防爆結構。

(7)該技術間接能提高溫度區(qū)段的長度。

3 結束語

該項減震技術是由王爾其發(fā)明，且已獲國家專利，專利號：ZL201110030213.5。對此專利技術，中國科學技術戰(zhàn)略發(fā)展研究院認為：鋼管混凝土柱隔震減震裝置的研究開發(fā)是我國建筑領域尤其是防震減災工程的一個重要創(chuàng)新。根據(jù)目前的市場情況，立項開發(fā)本項目既是市場需要同時也是改革創(chuàng)新，亦是貢獻社會的一種責任。本項目進入市場之所以得到認可，是因為該技術具有實事求是的功能、務實創(chuàng)新的設計、行之有效的用途，加之科學合理的管理，由此可見本專利技術轉化，實現(xiàn)分析預期目標及效益是實際可行的。根據(jù)投資價值分析，從技術方面來看，該專利技術實用性強；從市場方面來看，該專利產(chǎn)品市場需求明顯；從產(chǎn)業(yè)化方面看，該專利實施所需原料供應充足；同時該項目的實施符合我國有關法律和相關政策；本專利的實施將有較好的投資回報。

綜合各種外部條件及本技術的現(xiàn)有優(yōu)勢，我們對“鋼管混凝土柱自隔震減震”項目應用充滿信心。現(xiàn)在本技術已經(jīng)應用于彭州中學宿舍等的工程項目中。

[1] GB 50011-2010建筑設計抗震規(guī)范[S]

[2] CECS 28：2012鋼管混凝土結構技術規(guī)程[S]

[3] JGJ 297-2013建筑消能減震技術規(guī)程[S]