钢管混凝土柱自隔震技术隔震效能初探

张兰芬， 孟庆利， 赵成林， 乔 劼

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010；2.成都美厦建筑设计有限公司，四川成都 610081)



钢管混凝土柱自隔震技术隔震效能初探

张兰芬1， 孟庆利1， 赵成林2， 乔 劼2

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010；2.成都美厦建筑设计有限公司，四川成都 610081)

近年来地震发生频繁，灾害严重，造成大量建(构)筑物破坏，伤亡人员数量大，给人们带来了严重的损失。文章介绍了一种新型的自隔震技术——钢管混凝土柱自隔震技术，通过减少建筑物底层刚度同时增加一定的阻尼，实现地震作用下建筑物减隔震的目的，并应用于实际工程，通过对此工程进行动力特性测试并计算结构的基本自振周期得出采用此自隔震技术能增大结构自振周期，减小地震作用，并提出了相关的展望。

钢管混凝土柱； 自隔震技术； 动力特性测试； 自振周期； 地震作用

我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃。全国国土面积大部分位于地震区，近年来地震发生频繁，灾害严重，造成大量建(构)筑物破坏，伤亡人员数量大，给人们带来了严重的损失[1-4]。

对于地震作用，建筑物的结构设计历来都是以抗震设计法为主，该设计方法已在现行抗震规范及相关国家技术标准中给出了具体的规定[5-6]。与此相反，抑制地震作用，不使地震能量传递到建筑物的隔震减震方法已进入结构设计领域，近年来已有许多实际应用实例。

按抗震设计的建筑物，不能避免地震时的强烈晃动，当遭遇到大地震时，虽然可以保证人身安全，但不能完全保证建筑物及其内部物品的安全。如果采用减隔震技术修建的建筑物可以减小上部结构的地震作用力、楼面的反应加速度和上部结构的层间变形，在大震作用下，上部结构构件不会产生破坏，人员安全和财产安全均可以得到保证。因此与抗震设计相比，减隔震设计必将成为未来结构设计发展的趋势。

目前应用较多的隔震机构是叠层钢板橡胶支座，其在对水平方向地震分量有很好的隔震作用，但对于垂直地震分量几乎没有隔震作用，而且由于其存在增加建筑结构造价的缺点，使其推广应用受到限制。

基于以上，成都美厦建筑设计有限公司王尔其先生提出钢管混凝土柱自隔震技术，此技术是在建筑物的底层或地下室仅采用钢管混凝土柱作为结构构件，并在钢管混凝土柱下端设置阻尼约束锥，可以增大柱长减小刚度，同时增加一定的阻尼，从而实现地震作用下建筑物减隔震的目的[7-8]。

1 普通框架结构自振周期降低原因分析

(1)忽视地坪对底层柱的限位作用造成刚度增大，如图1所示。

(2)基础埋置太深，用混凝土垫高，刚度增大无“让”性，隔震差，如图2所示。

图1 地坪限位

图2 混凝土垫高

(3)基础埋置太深，在近地坪处加双向连系梁，柱的各方加连梁，地震时无“让”性，隔震差，如图3所示。

图3 连系梁不合理布置

(4)楼梯间柱在平台处有横梁相连，造成柱抗推刚度提高。楼梯间的梯斜板与梁柱浇注在一起，产生“桁架效应”和“剪力墙效应”造成梯斜板承担很大的拉压剪力，使整体抗推刚度升高。5·12汶川地震中，大量未倒框架破坏严重处都在楼梯间，主要现象为梯板折断、梯梁扭断、对支撑柱的短柱效应等。

(5)底层填充墙对柱的约束会提高整体刚度，降低自振周期。而造成框架结构自振周期降低有几方面原因：①“有”楼梯间的“桁架效应”和“剪力墙效应”；②“有”“填充墙效应”；③“有”地坪的“约束效应”。这三“有”会大幅度提高结构的整体水平抗侧刚度，降低整体自振周期，增大地震作用。故隔震设计，首先是去除三“有”，这样就有可能达到或接近“目标刚度”和“目标周期”。调整刚度，如调整底层或地下室层高、采用多种柱或密柱、增加柱数、调整支座状态、调整柱的水平抗推刚度，都可以达到隔震效果，提高结构安全性的目的。

2 钢管混凝土柱自隔震技术

钢管混凝土柱自隔震技术是在建筑物的底层或地下室仅采用钢管混凝土柱作为结构构件，并在钢管混凝土柱下端设置阻尼约束锥，可以增大柱长减小刚度，同时增加一定的阻尼，从而实现地震作用下建筑物减隔震的目的[7-8]。

图4 钢管混凝土柱自隔震技术计算简图

图5 隔震层的隔震柱错误布置平面

图6 隔震层的隔震柱正确布置平面

隔震柱要求高强度、弹性变形区间宽，隔震柱的高径比是调整隔震层刚度的第一因素，其次是支座条件和柱数。避让空间、双向独立剪力墙(与柱不联系)、独立环形柱外柱(与内柱不连，用泡沫隔开)和地下室侧壁既是阻挡结构，也是各类阻尼的支座，隔震时首层采用钢管混凝土柱，具体构造示意如图7和图8所示。为了消除楼梯间的“桁架效应”和“剪力墙效应”，楼梯间的梯斜板要作成滑移支座，楼梯间及全部框架柱不能有短柱出现。

图7 钢管混凝土柱

图8 钢管混凝土柱横断面

3 某新建学生公寓动力特性测试

3.1 某新建学生公寓概况

钢管混凝土柱自隔震技术依据现行抗震规范及相关国家技术标准，形成了较为完善的设计方法及相关的构造细节，并应用于在建的某幢钢筋混凝土框架宿舍楼。例如：某新建学生公寓项目位于彭州市天彭路，为六层框架结构房屋，基础形式为柱下独立基础，一层～五层层高均为3.6 m，六层层高3.45 m，室内外高差0.6 m，房屋总高度为22.05 m(底层室外地坪至主要屋面板标高)，建筑面积3 704.59 m2。该房屋于2014年8月28日开工，2015年3月25日竣工。该房屋在设计和施工时采用了钢管混凝土柱自隔震技术，为了了解该房屋的结构动力特性，四川省建筑科学研究院于2015年4月16日对该房屋的动力特性进行了主体结构完工后的第一次测试。

3.2 测点布置

该房屋为3跨内廊式框架结构宿舍楼，平面规则对称，本次测试在二层～屋盖的相同位置处各布置有1个测点，每个测点均布置有1个水平向拾振器(图9)，测试房屋在横向和纵向两个方向上的振动，采集的振动数据为在脉动激励下的速度响应时程。

图9 结构动力特性测试测点平面布置

3.3 分析结果

经对测试数据进行自功率谱分析，得到该房屋横向和纵向两个方向的一阶、二阶和三阶自振频率如表1所示。

表1 自振频率测试分析结果 Hz

3.4 基本自振周期计算

在对某新建学生公寓进行动力特性测试的基础上，采用顶点位移法计算了其基本自振周期T=0.678 s，如表2所示，与脉动测试所得的周期T=0.571 s及PKPM所计算的周期T=0.686 s接近，说明顶点位移法适用于此结构基本自振周期的计算。其中水平抗推刚度Kj的计算方法如下：

表2 采用钢管混凝土柱自隔震技术时的自振周期

(1)

(2)

式中:dj、hj分别是柱的直径和高度；Esc为计算弹性模量；Kj为柱上下固接的抗推刚度；γj为柱之高径比；d、dc分别为柱的外径与内径。

采用顶点位移法计算了公寓未采用钢管混凝土柱自隔震技术，即公寓为普通框架结构时的自振周期T=0.457 s，如表3所示。

根据《某新建学生公寓项目岩土工程勘察报告》知，公寓所处场地抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅱ类，设计特征周期Tg=0.40 s。

根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》，地震影响

表3 未采用钢管混凝土柱自隔震技术时的自振周期

4 结论及展望

钢管混凝土柱自隔震技术作为一种新型的减隔震技术，通过减少建筑物底层刚度同时增加一定的阻尼，实现地震作用下建筑物减隔震的目的。本文针对某新建学生公寓进行了基本自振周期的计算，将公寓采用及未采用钢管混凝土柱自隔震技术的地震影响系数进行对比，得出采用钢管混凝土柱自隔震技术能增大结构自振周期，减小地震作用。其设计方法的合理性以及减隔震效果的有效性，需进一步通过关键自隔震技术参数(自隔震柱在不同等级地震作用下刚度，自隔震柱与周围阻挡结构预留距离，自隔震层阻尼值)试验和非线性动力时程反应分析进行研究验证，最终提出基于性能的、完善的、合理的自隔震技术设计理论与方法。

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[5] GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[6] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

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[8] 龙丹冰,王尔其,潘常旭.基于钢管混凝土结构的自隔震技术[C]//第七届全国防震减灾工程学术研讨会暨纪念汶川地震五周年学术研讨会.2013:50-55.

西南科技大学研究生创新基金资助项目(项目编号:15ycx105)

张兰芬(1989～)，女，硕士，研究方向为结构抗震加固。

TU352.1

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[定稿日期]2016-05-11