分離式隔震技術(shù)在超長結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

蔡玉軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

隔震技術(shù)具有傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)無法比擬的優(yōu)越性，逐漸成為一些重要建筑抵抗地震災(zāi)害的重要技術(shù)手段，也成為近年來高烈度區(qū)建筑抗震設(shè)防設(shè)計(jì)的主流。特別是2008年汶川大地震后，隔震設(shè)計(jì)理念在GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)中得到進(jìn)一步的加強(qiáng)和推廣，各省、自治區(qū)亦分別出臺(tái)了相關(guān)政策，對(duì)一些重要的公共建筑、中小學(xué)校和醫(yī)院強(qiáng)制要求采用減隔震技術(shù)。同時(shí)，減隔震的設(shè)計(jì)、施工及支座產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)出臺(tái)[1-2]。

對(duì)于平面、豎向相對(duì)規(guī)則的多層隔震建筑，其設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法都已相當(dāng)成熟[3-4]，目前隔震技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)主要集中在不規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)隔震、高層結(jié)構(gòu)隔震、連體結(jié)構(gòu)隔震及超長結(jié)構(gòu)隔震等方面[5-8]。本文著重針對(duì)超長結(jié)構(gòu)的隔震進(jìn)行研究，并結(jié)合實(shí)際工程提出分離式隔震技術(shù)，將隔震支座的豎向承載力和水平剛度有效剝離，克服了傳統(tǒng)隔震支座在豎向應(yīng)力下承受超長結(jié)構(gòu)往復(fù)溫度效應(yīng)帶來的剪切疲勞和耐久性問題。

1 超長結(jié)構(gòu)隔震方案分析

混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力方面的研究由來已久，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行過系統(tǒng)的研究和分析，針對(duì)超長建筑物的溫度效應(yīng)和混凝土干縮所導(dǎo)致的裂縫控制主要有“放”、“抗”和“防”三大原則。現(xiàn)行規(guī)范對(duì)超長結(jié)構(gòu)要求設(shè)置伸縮縫，以減小計(jì)算長度來控制混凝土構(gòu)件裂縫，即所謂的“放”；對(duì)于某些特殊工程，受建筑功能和防水等方面的制約不能設(shè)置伸縮縫，可通過設(shè)置后澆帶、預(yù)應(yīng)力等方法來解決超長結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力問題，即體現(xiàn)了“防”和“抗”相結(jié)合的原則[9-10]。

針對(duì)超長隔震結(jié)構(gòu)，在上述理念的指導(dǎo)下可采用以幾種方案。

1.1 不設(shè)縫方案

不設(shè)縫方案如圖1(a)所示。文波等[11]對(duì)超長隔震結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力進(jìn)行了研究，其觀點(diǎn)為，采用隔震措施后減弱了基礎(chǔ)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的約束作用，將有利于減小上部結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，可放寬結(jié)構(gòu)計(jì)算長度的范圍；李慧等[12]對(duì)基礎(chǔ)隔震的超長混凝土樓板溫度作用進(jìn)行了分析，分析表明，在相同情況下，采用基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)，可以很大程度上減小樓板的溫度應(yīng)力，減少裂縫的產(chǎn)生。按上述觀點(diǎn)，超長隔震結(jié)構(gòu)可適當(dāng)加大建筑的計(jì)算長度，但文中并未給出具體數(shù)據(jù)。

1.2 設(shè)縫方案

設(shè)縫方案如圖1(b)所示。將結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)單元，針對(duì)每一單元分別進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。為了避免大震作用下各單元間的相互碰撞，相鄰隔震結(jié)構(gòu)單元間變形縫縫寬取大震下隔震支座水平位移之和，且不小于400 mm[13-14]。該方案所形成的建筑變形縫縫寬較大，構(gòu)造困難且一定程度上影響了建筑功能的使用和美觀，因此在工程中的應(yīng)用也受到了限制。

1.3 大底板多塔設(shè)縫方案

針對(duì)上述方案的弊端，有學(xué)者提出了大底板多塔設(shè)縫方案[15-17]，如圖1(c)所示。即隔震層不設(shè)縫，為一大底板結(jié)構(gòu)，隔震層以上結(jié)構(gòu)設(shè)縫，縫寬取普通抗震縫。由于隔震層水平剛度較小，約束能力相對(duì)較弱，給隔震層提供了一定的水平變形空間，可有效釋放溫度應(yīng)力，且隔震層上部結(jié)構(gòu)可按常規(guī)抗震縫設(shè)置，方便了建筑構(gòu)造處理。但該方案由于超長底板結(jié)構(gòu)的存在，隔震支座的溫度效應(yīng)依然存在。

圖1 超長結(jié)構(gòu)隔震方案對(duì)比示意

1.4 分離式隔震支座方案

無論是設(shè)縫方案還是大底板多塔設(shè)縫方案，傳統(tǒng)隔震支座在承受上部結(jié)構(gòu)豎向荷載的同時(shí)，兼受著季節(jié)性溫差所帶來的剪切力，該剪切力在一定時(shí)期內(nèi)長期存在且往復(fù)作用，勢必對(duì)隔震支座造成剪切疲勞和耐久性問題。

因此，在大底板多塔設(shè)縫方案的基礎(chǔ)上，提出分離式隔震支座方案，即將傳統(tǒng)隔震支座分解為滑板支座[18-19]和橡膠支座兩部分，分別設(shè)置在隔震層的柱墩頂部和基礎(chǔ)梁端，如圖2所示。分離式隔震支座將隔震支座的豎向承載力功能和水平剛度功能進(jìn)行剝離，滑板支座僅承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的豎向力，結(jié)構(gòu)自動(dòng)彈性恢復(fù)力及溫度效應(yīng)由橡膠支座承擔(dān)。因此，分離式隔震支座具備以下優(yōu)點(diǎn)：(1)滑板支座的豎向承載力不再受超長結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的影響，具備穩(wěn)定的豎向承載能力；(2)分離出來的橡膠支座不再承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)豎向荷載，隔震體系具備更為穩(wěn)定的自復(fù)位能力。

圖2 分離式隔震支座示意

由上述分析可見，分離式隔震支座技術(shù)較好地解決了超長隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難題，避免了傳統(tǒng)隔震支座在溫度作用下的過大變形及往復(fù)剪切疲勞破壞。

2 工程概況

某鐵路控制中心綜合辦公樓，平面軸線尺寸為117.4 m×24.0 m，主體設(shè)半地下室1層，地上4層(兩側(cè)局部3層)，結(jié)構(gòu)高度16.1 m，建筑面積12 000.0 m2，建筑效果圖如圖3所示。

合川是畜牧業(yè)生產(chǎn)大區(qū)（縣），生豬養(yǎng)殖是合川農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，是農(nóng)民增收的重要來源，是合川區(qū)畜牧業(yè)的骨干產(chǎn)業(yè)，同時(shí)是重慶市最大的生豬主產(chǎn)區(qū)，是重慶市百萬頭優(yōu)質(zhì)瘦肉豬產(chǎn)業(yè)化工程項(xiàng)目基地重點(diǎn)區(qū)（縣）、無公害生豬生產(chǎn)基地區(qū)（縣）和國家級(jí)PIC豬農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化示范區(qū)（縣），生豬規(guī)模養(yǎng)殖場、生豬出欄量、生豬外調(diào)量等均居重慶各區(qū)縣第一位。

圖5 隔震層結(jié)構(gòu)平面布置 (單位：mm)

圖3 綜合辦公樓效果圖

該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為8度(0.20g)，設(shè)計(jì)地震分組第二組，場地特征周期0.4 s，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防分類為乙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

綜合辦公樓主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，采用基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)，隔震層上部結(jié)構(gòu)共5層(局部4層)，建筑縱向長度117.4 m，為超長結(jié)構(gòu)。隔震設(shè)計(jì)采用大底板多塔設(shè)縫隔震方案，并采用分離式隔震支座技術(shù)。上部結(jié)構(gòu)設(shè)置2道變形縫將上部結(jié)構(gòu)分為3個(gè)塔樓，變形縫處雙柱共用1個(gè)隔震層柱墩及支座。

隔震層結(jié)構(gòu)剖面、結(jié)構(gòu)平面布置及隔震裝置布置如圖4～圖6所示。

圖4 隔震層結(jié)構(gòu)剖面(單位：高程以m計(jì)，其余mm)

3 隔震設(shè)計(jì)

3.1 隔震設(shè)計(jì)的適宜性判斷

工程結(jié)構(gòu)高寬比為1.89，小于4的規(guī)范限值；建筑場地類別為Ⅱ類，持力層為圓礫土，承載力高，地基穩(wěn)定性較好。驗(yàn)算結(jié)果表明，風(fēng)荷載作用下的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平力不超過結(jié)構(gòu)總重力的10%。可見，本工程具備采用基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)的條件。

3.2 隔震層設(shè)計(jì)

根據(jù)分離式隔震支座要求，將滑板支座布置在隔震層的柱墩上，橡膠支座布置在與柱墩相連的框架梁端，并在隔震層周邊設(shè)置有黏滯阻尼器，以起到耗能減震的作用。隔震裝置布置如圖6所示。

根據(jù)柱底預(yù)估反力，初步選用的滑板支座(HB)、橡膠支座(NRB)及黏滯阻尼器的技術(shù)參數(shù)見表1～表3。考慮到大震作用下普通橡膠支座水平剪切變形后的有效承壓面積，其壓應(yīng)力限值為12 MPa，而對(duì)于滑板支座而言，不受有效承壓面積的限制，其最大面壓由成品支座提供，本工程中按20 MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 滑板支座力學(xué)參數(shù)

表2 橡膠支座力學(xué)參數(shù)

表3 黏滯阻尼器力學(xué)參數(shù)

3.3 結(jié)構(gòu)模型建立

采用SAP2000有限元軟件進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，并評(píng)估隔震層處于非線性狀態(tài)時(shí)上部結(jié)構(gòu)的抗震性能。首先建立上部結(jié)構(gòu)非隔震的有限元模型，并與SATWE軟件的模型進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)構(gòu)前3階周期見表4。由表4中可見，兩個(gè)軟件的結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)果吻合較好，準(zhǔn)確反映了結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布，可以作為隔震分析的初始模型。建立綜合樓的隔震結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖7所示，其中各樓層框架梁主要截面尺寸為350 mm×650 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35。框架柱主要截面尺寸為800 mm×800 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。

表4 兩種計(jì)算軟件前3階周期對(duì)比

圖7 隔震結(jié)構(gòu)有限元模型

3.4 地震波選擇

3.5 減震系數(shù)的確定

本工程為8度區(qū)，設(shè)防地震所對(duì)應(yīng)的時(shí)程加速度峰值為200 cm/s2，根據(jù)有限元模型時(shí)程分析得到的各樓層層間剪力及水平減震系數(shù)如表5所示。

表5 各樓層層間剪力及水平減震系數(shù)

圖8 地震波加速度時(shí)程曲線

由表5可見，各樓層的水平減震系數(shù)取0.267，可以達(dá)到地震作用降低一度的目的。

3.6 隔震層位移及隔震溝構(gòu)造

根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)，計(jì)算罕遇地震作用時(shí)，特征周期應(yīng)增加0.05 s。罕遇地震作用下，所計(jì)算得到的隔震層X向最大水平位移為184 mm，Y向最大水平位移為187 mm。因此，結(jié)合建筑半地下室造型，建筑四周隔震溝寬度取為300 mm，其隔震溝構(gòu)造大樣如圖9所示。

圖9 隔震層隔震溝構(gòu)造大樣(單位：mm)

3.7 滑板支座豎向承載力驗(yàn)算

依據(jù)滑板支座極限承載力的受力狀態(tài)，支座壓應(yīng)力分為長期應(yīng)力和短期應(yīng)力二個(gè)階段。長期壓應(yīng)力采用滑板支座承受的重力荷載代表值進(jìn)行計(jì)算，長期荷載作用下支座的面壓承載力為20 MPa；短期壓應(yīng)力采用罕遇地震作用下的豎向作用力來計(jì)算，包括重力荷載、水平地震以及豎向地震引起的附加軸力，由于地震作用為短期行為，可將平均壓應(yīng)力限值適當(dāng)放寬，其限值為30 MPa。各滑板支座的最大面壓值及限值如6表所示。

表6 滑板支座極值面壓

3.8 隔震層抗風(fēng)及自動(dòng)復(fù)位能力驗(yàn)算

根據(jù)SATWE計(jì)算結(jié)果，在50年一遇風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)首層產(chǎn)生的最大層間剪力設(shè)計(jì)值約為2 623.6 kN，而滑板支座承擔(dān)的總荷載為199 078 kN，滑板支座的靜摩擦系數(shù)為0.03，則靜摩擦力總值為199 078×0.03=5 972.34 kN，大于風(fēng)荷載產(chǎn)生的層間剪力設(shè)計(jì)值，隔震層抗風(fēng)承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

隔震層在罕遇地震荷載作用下的層間最大變形為187 mm，40組NRB500橡膠支座產(chǎn)生的總水平恢復(fù)力為187×0.767×40=5 737.16 kN。罕遇地震作用下，滑板支座的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.02，則動(dòng)摩擦力總值為199 078×0.02=3 981.56 kN，小于水平恢復(fù)力，隔震層具備良好的自動(dòng)復(fù)位能力。

4 結(jié)論

采用分離式隔震技術(shù)，將隔震支座的豎向承載力和水平剛度有效剝離，克服了傳統(tǒng)隔震支座在豎向應(yīng)力下承受超長結(jié)構(gòu)往復(fù)溫度效應(yīng)帶來的剪切疲勞和耐久性問題。隔震分析表明，經(jīng)過合理的隔震層布置，分離式隔震技術(shù)可以達(dá)到以下目標(biāo)。

(1)隔震結(jié)構(gòu)的水平減震系數(shù)可以滿足上部結(jié)構(gòu)地震作用降低一度的要求，相應(yīng)抗震措施也按降低一度進(jìn)行設(shè)計(jì)，但與抵抗豎向地震作用有關(guān)的抗震構(gòu)造措施不降低。

(2)滑板支座的短期、長期面壓均可滿足支座承載力的要求，能夠確保隔震層的豎向承載能力。

(3)隔震層在罕遇地震作用下的最大水平位移量較為合理，建筑隔震溝構(gòu)造可滿足其變形的要求。

(4)隔震層具備良好的抗風(fēng)能力，橡膠支座提供的水平恢復(fù)力可以滿足隔震結(jié)構(gòu)的自動(dòng)復(fù)位能力。