基礎滑移隔震框架結構試推與復位方案的分析研究

熊仲明，張 超，高俊江

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，西安 710055；2.中聯西北工程設計研究院，西安 710082)

基礎滑移隔震技術是一項新型的減震控制技術。近年來，冶金部建筑研究總院和西安建筑科技大學等單位對基礎滑移隔震結構體系進行了較全面和系統的研究[1-4]，并先后在蘭州、銀川、太原、唐山、西安等城市采用聚四氟乙烯為摩擦材料，以U型帶片和圓錐棒為限位裝置建造了滑移隔震試點工程。

由于滑移隔震結構設計與施工技術研究還不完善，在國內尚未形成系統，如何檢驗滑移隔震技術在設計與施工中的可靠性，一直都是束縛滑移隔震技術推廣應用的關鍵問題。目前國內主要通過對滑移隔震結構進行整體試推來檢驗隔震效果，并在一些地區進行了現場試推試驗。例如:對位于西安市東南郊的青龍小區(西區)C組團3號樓住宅進行了現場試推，它是國內首次對整棟滑移隔震結構進行整體試推，現場測得的滑移隔震層摩擦系數與設計值相吻合[5-6]。對位于太原市區的九層隔震砌體房屋也成功進行了整體試推試驗，將上部結構沿橫向整體水平推移了25 mm，最后又反向推回使之復位。試推結果表明：滑移隔震結構的隔震層能夠實現整體一致滑移，從而部分地切斷地震能量向上部結構的傳遞[7]，取得了較好的社會與經濟效益。

但目前國內對基礎滑移隔震結構試推與復位技術分析研究還是不夠深入，沒有形成系統的研究成果。對于一些關鍵性的技術問題，缺乏系統的分析研究。以至于基礎滑移隔震結構試推與復位技術常常出現了方案選擇的盲目性，造成試推的整體失敗。其問題主要表現在：① 試推點布置過于集中，試推點的變形不能相互協調，對隔震層造成了不同程度的破壞，以至于出現裂縫，潛在地對上部結構產生一定的損傷。② 試推點布置過少，試推荷載不能近似模擬地震作用，造成了試推點的局部受力和變形過大等問題。

為了使滑移隔震結構試推與復位技術更好地發展與應用，本文利用SAP2000有限元分析軟件對上述的失敗原因進行分析研究，通過模擬局部荷載作用位置，研究了在不同工況作用下隔震層頂部基礎梁的受力及變形特點，得到了上部結構附加內力和變形最小的試推方案。同時，進行了在不同工況作用及整體荷載作用下結構動力響應分析，得到了局部荷載作用與整體荷載作用下結構的動力響應的對比關系。實際工程算例表明，合理地分散布置試推點的多條軸線多點加載方案基本可以滿足滑移隔震結構試推與復位的要求，可作為一種檢測滑移隔震結構設計與施工效果的有效方法。

1 滑移隔震裝置的組成

本文采用帶有限位裝置的摩擦滑移隔震體系，滑移隔震裝置由滑移支承和限位消能兩種元件組成，裝置構造如圖1所示。其中，滑移支承元件是由上、下剛性支承板及中間用低摩擦系數材料聚四氟乙烯噴涂的不銹鋼板組成，它主要起支承上部結構重量和隔離地震的作用。限位消能元件是由普通A3鋼板冷彎而成的U型鋼片做成。它的作用是吸收地震能量，抑制地震波中長周期成分給摩擦滑移隔震結構帶來的變位，并且對限制結構的扭轉滑移有一定的控制作用。

圖1 滑移隔震系統裝置圖

2 試推與復位系統的設計原理

試推時，以隔震層底部的基礎梁提供反力，千斤頂提供試推力，通過隔震層頂部的梁板結構體系來克服滑移隔震支座的靜摩擦力，從而帶動上部結構沿著滑移隔震支座的摩擦面產生水平滑移，然后再反向推回至原位即復位。在上下基礎梁上各安裝一個工具式鋼牛腿，各試推推力點的千斤頂安裝在上下鋼牛腿之間。通過變換上下鋼牛腿的位置可以成功實現滑移隔震結構的復位[6]。 圖2為牛腿設置和千斤頂安裝示意圖。試推時，要求千斤頂推力合力的作用線與滑移隔震支座最大靜摩擦力或滑動摩擦力的合力作用線保持一致，不能使上部結構產生扭轉，不損傷結構，從而保證無損試推。為了能夠承受水平推力荷載和豎向的墻體荷載，防止上部結構在試推過程中產生過大的附加內力和變形，底部基礎梁和頂部基礎梁需要具備足夠的強度和剛度，且上部基礎梁與樓板現澆成梁板體系。

圖2 牛腿設置和千斤頂安裝示意圖

3 試推與復位過程的荷載確定及應注意的問題

3.1 試推與復位過程的荷載確定

3.1.1 豎直荷載

填充墻及樓板的自重，按均布荷載施加到框架梁上。

框架結構活荷載標準值：樓面：2 kN/m2；不上人屋面：0.5 kN/m2

3,1,2 水平動力荷載

水平動力荷載是沿試推方向施加的與試推方案和摩擦力大小有關的動力荷載。圖3表示一個試推過程中水平動力荷載和摩擦反力與時間之間的關系圖。其中，曲線1表示水平動力荷載與時間的關系；曲線3表示摩擦力與時間的關系；曲線2表示水平動力荷載與摩擦力的差值與時間的關系。通過理論分析，滑移隔震結構試推過程中受到的實際的動力荷載的大小就是水平動力荷載與摩擦力的差值[8]。

圖3 一個試推過程中水平動力荷載、摩擦反力隨時間的變化情況

3.1.3 振動

振動荷載主要包括地脈動荷載、滑移隔震結構附近環境引起的振動荷載(打夯和車輛)和試推過程中的動力荷載的加載、卸載及千斤頂頂推失效對結構的振動。目前，這些荷載的大小主要根據現場動態實時檢測結果取值。

3.2 試推與復位過程應注意的問題

(1) 力的合力軸線應盡可能與建筑物重心一致，試推推力點要盡可能地均勻分布，試推是用推力來模擬地震力，只有當推力點很多時才能近似于地震作用。試推時底層起到傳遞推力，調整推力的作用，此時不能將樓板視為平面內剛度無限大的板，而應當計算其在傳遞推力時受的變形。

(2) 推力傳遞的可靠性十分重要，在推力傳遞路線上各傳力部件局部集中，每個集中點處都設置推力點，推力點的設置要做到既不增加樓板費用，又能把推力分布開的最佳方案[5]。

4 試推與復位的工程模擬及有限元分析

4.1 工程概況

本文采用的計算模型為一棟5層鋼筋混凝土框架結構，層高均為3 m，總高度15 m。X方向為5跨，軸間距4 m；Y方向為2跨，軸間距為5 m；場地屬Ⅱ類場地中的第二組，抗震設防烈度為7°，場地特征周期為0.4 s；取上部結構的阻尼比為0.05；所有構件采用C30混凝土?？v軸方向梁的截面尺寸為300 mm×500 mm，橫軸方向梁的截面尺寸為300 mm×600 mm，基礎梁截面尺寸為300 mm×600 mm，柱截面尺寸為600 mm×600 mm，板厚取100 mm。樓板面層荷載為3 kN/m2，梁上線荷載6 kN/m。

選取本文中所述的滑移支撐元件和限位消能元件，滑移支撐元件布置在每個底層框架柱下部與基礎頂部之間，限位消能元件沿著結構的X向和Y向布置在上下基礎梁之間。X軸方向沿著基礎梁下端每邊布置2個軟鋼U型帶片，Y軸方向沿著基礎梁下每邊布置3個軟鋼U型帶片，結構平面布置及隔震元件布置圖如圖4所示。

圖4 結構平面及隔震元件布置圖

4.2 試推方案的比較

本文提出了多條軸線上多點加載的方案并且分析了三種工況下的滑移隔震結構的工作性能。試推時，如果只考慮在滑移隔震結構移動方向的后端施加水平動力荷載，摩擦阻力的累計增加將會使頂部基礎梁產生很大的拉力或者壓力，從而導致頂部基礎梁受力不均勻，增加隔震層頂部基礎梁的軸向力和累計變形值，最終使上部結構產生附加內力和變形。各工況下的加載點布置見圖5，加載力的大小見表1。

圖5 理論加載情況下加載力及加載點布置

4.3 試推推力的設計及分級加載機制

在對滑移隔震結構進行試推時，試推力必須要大于等于最大靜摩擦力，上部結構方可移動。在已知摩擦系數的情況下，試推過程的推力設計值可按照式(1)和(2)進行計算。

(1)

(2)

本文利用PKPM軟件對模型進行了計算，得出了滑移隔震結構底層各根柱子的軸力，根據式(1)和(2)計算出沿試推方向每條軸線上的加載力的大小及總加載力的大小，見表1。

表1 理論加載情況下各工況加載力(kN)

在滑移隔震結構試推過程中，試推需遵循分級加載機制[9]。第一級加載到設計荷載的50%，后面便每級加載10%直至達到設計荷載的80%，當超過設計荷載的80%后，應該每級加載5%，直至建筑物開始滑動。

這樣便可以更加準確的預測出實際試推荷載的大小從而確定滑移隔震結構的摩擦系數。采用分級加載可以有效地防止結構移動過程中的偏移，并且結構的振動減小很多。

4.4 各工況下隔震層頂部基礎梁的受力和變形特征

本文利用SAP2000有限元分析軟件對三種工況下滑移隔震結構的模擬加載進行分析，研究滑移隔震結構隔震層頂部基礎梁在千斤頂提供的試推荷載作用下的受力和變形特征，從而確定最佳的試推方案。在三種工況試推力的作用下，可以得到理論加載情況下各條軸線上基礎梁的最大軸向力和累計變形值，具體的數值見表2和表3，其中壓應力為“-”，拉應力為“+”；軸向壓縮變形為“-”，拉伸變形為“+”。

表2 理論加載情況下基礎梁最大軸力(kN)

由表2和表3可知，兩條軸線多點加載與單條軸線多點加載相比較，基礎梁最大軸向力和累計變形值可以減小40%左右；三條軸線多點加載與單條軸線多點加載相比較，基礎梁最大軸向力和累計變形值可以減小79%左右。因此采用分散布置試推點的方案可以有效地減小隔震層頂部基礎梁的最大軸向力和累計變形值，從而可以減小上部結構的附加內力和變形，并且可以在不影響承載力的情況下適當地減小隔震層頂部基礎梁的截面尺寸，降低試推時的工程造價。

表3 理論加載情況下基礎梁累積變形值(mm)

與此同時，多條軸線多點加載與單條軸線多點加載相比較，采用多條軸線多點加載方案可以免去大噸位的頂推設備，能夠有效地控制頂部基礎梁的偏離，試推時基礎梁的水平推力可以減小很多，這樣便可以減少工具式鋼牛腿的截面尺寸。另外，采用多條軸線多點加載方案，可以對滑移隔震結構施加比較均勻的頂推力，可以保證施工過程中的安全。但是多條軸線多點加載需要較多的設備，操作水平要求比較高。

4.5 局部荷載作用和整體荷載作用下結構動力響應分析

滑移隔震結構試推過程中，在千斤頂推力和摩擦力共同作用下，結構處于變速狀態，由此產生的加速度會對結構產生額外的平移內力，從而引起結構的晃動與傾斜。加速度過大，剪力超過結構構件的抗剪承載能力，將會出現結構構件開裂的現象，從而降低結構的使用壽命和耐久性。因此，在對滑移隔震結構試推過程進行受力分析時，不可忽略平移內力對結構的影響，從而確保建筑物試推后的整體性和穩定性。對滑移隔震結構在三種工況下的移動加速階段進行動力時程分析，考慮到千斤頂的回程150 mm，本文建議勻速平移階段的試推速度(即加載階段末的速度)取2.5 mm/s，從而確定最大試推力為1 537 kN。

動力響應分析時，輸入的不同工況的加載時程與圖3是一致的，具體的荷載時程曲線為“倒V”型。荷載時程曲線的輸入時間步長取為0.02 s，將試推力的荷載時程曲線的荷載時間步數據編制到Excel中，按照本文提到的三種工況試推布置方案，采用SAP2000有限元分析軟件對建筑物進行試推過程中的動力時程分析。由于試推荷載作用點分布在局部隔震支座處，因此本文將三種工況下的試推時程荷載看作是局部荷載作用。

整體荷載是指在全部軸線上所有節點處施加的荷載。本文根據水平動力的大小，計算出試推過程中的振動加速度時程曲線[8]，其加速度峰值為0.004 5 m/s2，進行結構動力反應分析，其結果可看做整體荷載作用的響應。SAP2000動力時程分析結果如下：

(1) 局部荷載作用和整體荷載作用下最大加速度比較

圖6為局部荷載作用和整體荷載作用下最大加速度對比圖。從圖6可知，在試推時程荷載作用下，滑移隔震結構的各層最大加速度均比較小。局部荷載(工況一、工況二和工況三)作用下，一、二、三層加速度相同，四層和五層加速度逐漸增大；整體荷載作用下，前兩層加速度相同，三、四、五層加速度逐漸增大。局部荷載作用下，隨著布置試推點的軸線數量的增多，上部結構加速度響應越來越小而且越來越接近整體荷載作用下的結構加速度響應。局部荷載作用下，滑移隔震結構試推與復位過程中產生的振動加速度不再呈“K”型分布[1]，底部前三層的加速度比較小，頂層加速度比較大。工況一(單條軸線多點加載)和工況二(兩條軸線多點加載)大于工況三(多條軸線多點加載)作用下上部結構的加速度響應。 分析結果表明滑移隔震結構在試推時程荷載作用下的加速度比較小，對滑移隔震結構影響比較小，不會影響滑移隔震結構日后的正常使用。

(2) 局部荷載作用和整體荷載作用下最大層間位移的比較

圖7 為局部荷載作用和整體荷載作用下最大層間位移反應對比圖。從圖7可知，在工況二和工況三試推時程荷載作用下，滑移隔震結構的各層最大層間位移基本上小于工況一試推時程荷載作用下的各層最大層間位移。局部荷載和整體荷載作用下，層間位移均是第一層比較大，上部各層逐漸減小。由于層間位移非常小，上部結構各層之間幾乎沒有錯動，表現為上部結構的整體平移運動。局部荷載作用下，隨著布置試推點的軸線數量的增多，上部結構層間位移越來越小，而且越來越接近整體荷載作用下的結構各層層間位移反應?；聘粽鸾Y構在試推時程荷載作用下，上部結構層間位移相對比較小，結構產生的損傷比較輕微，不會影響建筑物的正常使用和外觀。

圖6 局部荷載作用和整體荷載作用下最大加速度對比

(3) 局部荷載作用和整體荷載作用下最大層間剪力的比較

圖8為局部荷載作用和整體荷載作用下最大層間剪力對比圖。從圖8可知，上部結構各層最大層間剪力由底層向上層逐漸減小，在工況三試推時程荷載作用下，上部結構各樓層的最大層間剪力小于工況一和工況二試推時程荷載作用下的各樓層最大層間剪力。局部荷載作用下，隨著布置試推點的軸線數量的增多，上部結構的層間剪力越來越小而且越來越接近整體荷載作用下結構的層間剪力。

綜上所述，在工況三(三條軸線多點加載)試推時程荷載作用下，結構的動力響應小于工況一(單條軸線多點加載)和工況二(兩條軸線多點加載)試推時程荷載作用下的結構動力響應，也最接近整體荷載作用下的結構動力響應。因此在對滑移隔震結構進行試推與復位時，應該盡量將試推點分散布置在多個位置，這樣便可以使每個試推點就近克服摩擦阻力，減小試推過程中上部結構的動力響應，從而不影響滑移隔震結構日后的正常使用和耐久性。同時，局部荷載作用下，多條軸線多點加載可以減小上部結構的動力響應，而且與整體荷載作用下的結構動力響應最為接近。

5 現場工程試推實測與分析

工程實例[5]選用位于西安市東南郊的青龍小區(西區)C組團的3號樓，此住宅的現場試推在國內尚屬首例。本工程通過SAP2000有限元分析，將不同的試推方案進行比較，以荷載分配值均衡為一組的原則，選取應力分布集中，并且位移過大的角點，以及轉折點作為試推點，如圖9所示。該工程在二層、四層樓板完成及主體完成進行三次試推，試推裝置采用工具式鋼牛腿。推力是通過一個推力平臺傳遞到各推力點，推力平臺上下各設置一個推力底座。具體方法是采用22個同步的油壓千斤頂分為6組進行試推，同組千斤頂采用并接的方法，為保證千斤頂供油的同步性，所有千斤頂均采用等長油路與油泵連接。本工程的試推荷載采用分級加載制度。試推時，為便于控制，各組千斤頂按荷載率同步加荷，推力分級施加，前期每級增量不大于估計“滑移推力”的20%，接近滑移推力前改為5%一級，以確?；仆屏Φ臏y讀誤差不大于5%。考慮到推力作用的滯后現象，每級推力加完后應保持數分鐘，在此期間觀察上部結構的水平變位。

試推中監測結構的縱向(沿推力方向)和橫向位移。位移用百分表測定，監測點設在結構的8個角的軸線的兩端，共設百分表16只。千斤頂和試推儀表布置如圖9所示。試推的水平位移的監測結果見表4。

表4 試推水平位移表(mm)

由表4可知，當荷載率接近92%時，全部滑移隔震層摩擦力均被克服，保持荷載困難，位移量迅速增加。通過計算，結構的平均摩擦系數接近0.1，與預期值吻合；表4中的各軸線的位移始終均衡發展，表明合理的分散布置試推點的多條軸線多點加載方案是成功的，做到了千斤頂推力合力的作用線與滑移隔震支座最大靜摩擦力或滑動摩擦力的合力作用線保持一致，且各條軸線在滑移時平移距離基本相同，使上部結構不會產生整體扭轉。因此，合理地分散布置試推點的多條軸線多點加載方案基本可以滿足滑移隔震結構試推與復位的要求，可作為一種檢測滑移隔震結構設計與施工效果的有效方法。

6 結 論

本文通過SAP2000有限元分析軟件對基礎滑移隔震框架結構在不同工況作用下的試推與復位方案進行了有限元分析，得出以下結論：

(1) 分析結果表明，采用多條軸線多點加載方案可以有效地減小隔震層頂部基礎梁的最大軸力和累計變形值，從而可以減小上部結構附加內力和變形。

(2) 分析結果表明，采用多條軸線多點加載可以免去大噸位的頂推設備，能夠有效地控制頂部基礎梁的偏離，試推時基礎梁的水平推力可以減小很多，這樣便可以減少工具式鋼牛腿的截面尺寸。另外，采用多條軸線多點加載方案，可以對滑移隔震結構施加比較均勻的頂推力，可以保證施工過程中的安全。

(3) 分析結果表明，局部荷載作用下，多條軸線多點加載可以減小上部結構的動力響應，且與整體荷載作用下的結構動力響應最為接近。

(4) 工程實例試推的結果分析表明，盡量分散布置試推點的多條軸線多點加載方案基本可以滿足滑移隔震結構試推與復位的要求，可作為一種檢測滑移隔震結構設計與施工效果的有效方法。

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