基礎隔震結構受力性能研究*

萬學林，王 偉，廖 飛，王利文，李 茂，潘忠堯

(中建三局集團(海南)有限公司，海南 海口 570100)

0 引言

基礎隔震通過在建筑物基礎和上部結構間設置隔震支座，延長建筑物基本周期，阻斷地震能量向上傳遞，提高建筑物安全性。王嘯楠[1]對混凝土框架-剪力墻結構基礎隔震試件和非隔震試件進行試驗研究與數值模擬分析，并給出轉換梁承載力計算公式；金超[2]對基礎隔震框架結構進行靜、動力彈塑性分析；李文祥等[3]以天河機場交通中心為背景，采用ETABS軟件建立結構模型，研究了地震波及列車激勵作用下的結構響應，通過采用組合隔震技術，大幅度降低加速度響應，減震效果明顯；段先軍等[4]和曹建亞等[5]分別對北京大興國際機場航站樓層間隔震支座和大直徑隔震支座施工技術進行研究；郭祥程等[6]對減隔震滑動樓梯施工技術進行研究；曹陽等[7]采用ETABS軟件中的反應譜法和時程分析法對高層建筑雙塔結構進行地震反應分析，研究結果表明，采用隔震技術可有效降低上部結構水平地震作用；王振東等[8]通過對比分析施工期間隔震支座變形監測結果與數值模擬結果，發現溫度作用及收縮作用是隔震支座發生水平變形的主要原因，隔震支座不均勻沉降及溫度作用是造成其豎向變形差異的原因；崔俊偉等[9]對大底板多塔結構隔震性能進行了研究，對比了梁式、桁架式、厚板式轉換結構優缺點，通過設置桁架式轉換結構，達到理想隔震效果；羅垚等[10]采用ETABS軟件建立了隔震與非隔震結構模型，并進行了計算分析，根據計算結果提出地下室坡道、扶梯、樓梯等穿越隔震層結構構造措施；王勇[11]研究了PPEFF隔震體系，對該體系隔震設計方法和有限元建模方法進行了研究；張曼生等[12]利用基于試驗得到的橡膠隔震支座力學性能參數，建立數值模型進行分析，并基于分析結果給出不同隔震目標下的隔震層水平剛度與阻尼比取值建議。

綜上所述，已有研究主要對隔震結構整體抗震性能、穿過隔震層結構構造措施、新型隔震體系進行研究，對隔震結構局部受力狀態的研究較少，且與實際工程結合較少。為此，本文以中共海南省委黨校新校區建設項目隔震層施工為背景，對隔震結構局部受力狀態進行研究，以指導現場施工。

1 工程概況

中共海南省委黨校新校區建設項目位于海南省海口市美蘭區，包括1～11號樓，其中4，5，11號樓不含地下室。地上建筑面積約118 639m2，地下建筑面積約58 796m2，總建筑面積約177 435m2。抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.3g。在1，3號樓首層與地下室之間設置隔震層，隔震層高1.85m，在1號樓設置LRB600，LRB700，LRB800，LRB900型鉛芯橡膠支座，在3號樓設置LRB600，LRB700，LRB800，LRB900型鉛芯橡膠支座和RB600，RB800，RB900型橡膠支座，共設162個支座。

隔震層施工過程中存在以下問題：①隔震層層高小，轉換梁截面尺寸大，導致內模板支撐架搭設困難，架體拆除及清理難度大；②隔震層內布置大量管線，由于轉換梁截面尺寸大，導致管線安裝空間小、難度大、效率低。

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

選擇1榀混凝土框架-剪力墻結構進行分析，根據王嘯楠[1]研究中的試驗模型尺寸及配筋參數建立有限元模型，如圖1所示，其中混凝土采用C3D8R單元模擬，混凝土強度等級為C40，本構模型采用GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結構設計規范》[13]附錄C給出的單軸應力-應變關系模型；鋼筋采用truss單元模擬，本構模型采用彈塑性雙線性模型，材料性能參數與王嘯楠[1]研究相同。隔震支座采用connector單元模擬，通過設置參數模擬支座屈服前剛度、屈服后剛度、屈服強度和拉壓剛度等。將試件底部各方向自由度設為0，為防止試件面外失穩，約束框架梁兩側y向位移。框架柱軸壓比取為0.45，剪力墻軸壓比取為0.3，按照王嘯楠[1]研究中的試驗加載方式，首先在柱頂施加軸向壓力，然后在框架梁處施加水平荷載。由于隔震層上部結構以平動為主，加載時需保證1，2層框架梁水平位移相等。對于非隔震結構，為模擬實際受力狀態，需保證1，2層位移比為1∶2。

2.2 框架-剪力墻結構試件受力分析

非隔震混凝土框架-剪力墻結構試件極限狀態下應力云圖如圖2所示，基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件極限狀態下應力云圖如圖3所示。由圖2，3可知，非隔震混凝土框架-剪力墻結構試件1，2層鋼筋應力分布接近，1，2層剪力墻鋼筋、端柱鋼筋及柱鋼筋均發生屈服；非隔震混凝土框架-剪力墻結構試件混凝土、鋼筋應力均較大；基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件轉換梁縱筋、1層剪力墻分布鋼筋、1層端柱縱筋發生屈服，試件上部鋼筋應力較小，基本處于彈性階段。

圖2 非隔震混凝土框架-剪力墻結構試件應力云圖(單位：MPa)

圖3 基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件應力云圖(單位：MPa)

非隔震、基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件荷載-位移曲線如圖4所示。由圖4可知，非隔震混凝土框架-剪力墻結構試件承載力較大；加載初期，基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件剛度較小；加載后期，基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件承載力緩慢降低，而非隔震混凝土框架-剪力墻結構試件承載力迅速降低；基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件具有較好的延性和變形能力。

圖4 非隔震、基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件荷載-位移曲線

2.3 基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件轉換梁翼緣尺寸影響分析

將基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件底部轉換梁通過增設翼緣的方式由矩形變為T形，由于增加了翼緣，梁剛度增大，使轉換梁承載力得到提高，由于轉換梁承擔部分水平荷載，進而提高了試件整體承載力。分別建立轉換梁翼緣尺寸為50mm×100mm(寬×高)，100mm×100mm(寬×高)，150mm×100mm(寬×高)，50mm×150mm(寬×高)，50mm×200mm(寬×高)模型，計算得到各模型荷載-位移曲線，如圖5所示。由圖5可知，T形轉換梁可在一定程度上提高試件最大承載力，但當翼緣尺寸增至一定程度后，試件最大承載力提高幅度較小，這是因為試件主要破壞位置并不位于轉換梁，而是位于1層剪力墻；各試件初期彈性階段荷載-位移曲線基本重合，表明各試件彈性階段受力狀態基本相同。對于隔震層空間較小的區域，可通過增設翼緣的方式將該區域部分梁變成T形梁，從而在不影響構件承載力的情況下，減小梁截面高度，達到增大施工空間、降低施工難度的目的。

圖5 不同翼緣尺寸基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件荷載-位移曲線

2.4 框架結構試件受力分析

采用與框架-剪力墻結構試件相同的建模方法建立非隔震、基礎隔震混凝土框架結構試件模型，并進行受力計算，結果如圖6，7所示。由圖6，7可知，基礎隔震混凝土框架結構試件混凝土、鋼筋應力均較小；非隔震、基礎隔震混凝土框架結構試件應力分布接近；非隔震混凝土框架結構試件柱縱筋、部分梁柱節點處梁縱筋發生屈服；基礎隔震混凝土框架結構試件柱縱筋、隔震層梁縱筋發生屈服。

圖6 非隔震混凝土框架結構試件應力云圖(單位：MPa)

圖7 基礎隔震混凝土框架結構試件應力云圖(單位：MPa)

非隔震、基礎隔震混凝土框架結構試件荷載-位移曲線如圖8所示。由圖8可知，非隔震混凝土框架結構試件承載力較大；加載初期，非隔震、基礎隔震混凝土框架結構試件荷載-位移曲線基本重合；加載后期，試件出現屈服，非隔震混凝土框架結構試件承載力增長速度較大。

圖8 非隔震、基礎隔震混凝土框架結構試件荷載-位移曲線

2.5 基礎隔震混凝土框架結構試件轉換梁翼緣尺寸影響分析

分別建立翼緣尺寸為50mm×100mm(寬×高)，100mm×100mm(寬×高)，50mm×150mm(寬×高)，50mm×200mm(寬×高)的基礎隔震混凝土框架結構試件模型，計算得到各試件荷載-位移曲線如圖9所示。由圖9可知，不同翼緣尺寸試件承載力差別較小，這主要是因為試件主要破壞位置并不位于隔震層轉換梁；增設翼緣可提高轉換梁剛度，從而提高轉換梁承載力。對于隔震層空間較小的區域，同樣可通過增設翼緣的方式將該區域部分梁變成T形梁，從而在不影響構件承載力的情況下，減小梁截面高度，達到增大施工空間、降低施工難度的目的。

圖9 不同翼緣尺寸基礎隔震混凝土框架結構試件荷載-位移曲線

3 結語

結合海口市中共海南省委黨校新校區建設項目1，3號樓隔震層結構施工，針對隔震層施工過程中遇到的施工空間小、安裝施工及材料運輸困難大等問題，分別對非隔震混凝土框架-剪力墻結構試件、基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件、非隔震混凝土框架結構試件、基礎隔震混凝土框架結構試件受力性能進行研究，并研究轉換梁翼緣尺寸對基礎隔震混凝土試件的影響。

1)極限狀態下，非隔震試件承載力、混凝土應力及鋼筋應力均較基礎隔震試件大。

2)加載初期，基礎隔震試件剛度較大；加載后期，基礎隔震混凝土框架-剪力墻結構試件承載力降低緩慢，而非隔震混凝土框架-剪力墻結構試件承載力降低迅速。

3)基礎隔震試件具有較好的延性和變形能力。

4)實際施工過程中，對于隔震層空間較小的區域，可通過增設翼緣的方式將該區域部分梁變成T形梁，從而在不影響構件承載力的情況下，減小梁截面高度，達到增大施工空間、降低施工難度的目的。