首层薄弱层框架结构的柱顶隔震性能分析

袁慎钦

中冶南方武汉建筑设计有限公司（430010）

0 前言

基础的隔震属于目前比较成熟的一种隔震技术形式。层间隔震体系是一种全新的技术形式，可有效控制结构的减震性能，拓展隔震的技术范围。目前比较适用这种隔震方式的建筑类型比较多，第一种是位置相对复杂的场地，如临海建筑、低凹建筑及依山建筑；第二种是竖向刚度或层间抗侧移刚度突变的建筑结构，如大底盘上塔楼与刚柔并存的建筑；第三种是对于已经建筑加固的项目。近些年的工程实例都显示，层间隔震结构大多数是隔震层设置在首层柱顶或多塔楼的大底盘两种形式。首层柱顶隔震结构的工程国内比较少。因此，探讨首层薄弱层框架结构的柱顶隔震性能具备显著实践性价值。

1 结构减震方案介绍

文章以某5层建筑为例，该建筑的建筑面积为2 600 m2，建筑的首层架空作为隔震检修层。混凝土的强度等级为二层柱及以下结构采用C30，其他采用C25。在结构减震方面，5层传统的抗震框架结构模型应用有限元SATWE进行计算分析，首层柱轴压比控制在0.85，柱截面的边长为500 mm，高度为3 800 mm。

在结构减震方案的选择方面，工程采用基础隔震体系，可以有效减少水平地震作用对于上部结构的影响，但是在超烈度的地震作用影响下，首层会发生比较大的弹塑性变形甚至是损坏，首层薄弱的情况并没有得到改善。采用基础隔震体系会导致上部结构的梁板和基础的工程量较大。此时设置隔震沟不仅施工不便利，工程造价还会偏多。假设应用首层柱顶隔震技术，会提高上部结构的变形能力，首层薄弱的弊端会得到改善[1]。尤其是混凝土框架结构中，首层柱顶隔震技术不仅不需要设置隔震沟，还可以有效简化隔震结构的施工工序，达到节省工程造价的目的。

在下部结构体系的选择方面，根据下部隔振的结构受力构件布置方案的特殊性，可以选择以下三种结构体系。

1）独立柱。由于柱子周边缺乏相应的约束，结构稳定性相对较差，在首层高度比较小的结构中应用。

2）独立柱结合拉梁的平面框架。受力明确，稳定性强，但拉梁截面净高必须满足适用要求，这一种结构应用在首层较高的工程中。

3）框架柱短肢剪力墙。局部柱子结合短肢剪力墙的方式，很容易导致首层结构发生较大的扭转效应，这一种体系并没有普遍使用。

2 隔震分析

为了降低隔震支座的型号，通过计算，隔震支座的直径采用500 mm，面压10 MPa。隔震支座在建筑周边进行对称布置，提升整体结构的抗扭能力。数量设置方面要使隔震层总体水平屈服力明确，这一建筑整体重力为270×105 kN，结构的屈重比为1.38%。隔震的上部结构在高强度作用之下的层间位移角移角最大1/191，结构处于弹塑性变形阶段。非隔震的上部结构层间位移角最大为1/58，结构接近倒塌。隔震结构的首层独立柱的层间位移角最大值为1/686，结构仍然处于弹性变形阶段，但是非隔震结构的首层独立柱的层间位移角最大值为1/249，结构处于弹塑性变形阶段。这一结果证明，设计独立柱本身具备充足的刚度、强度及稳定性，隔震层最大水平位移198 mm，位移限制72%，隔震支座均匀受压的情况下不产生应拉力，这也证明了隔震层具备较好的安全性与稳定性[2]。

3 结语

首层薄弱层框架结构的柱顶隔震性能较好，隔震结构基础的周期是非隔震结构的3倍甚至更高，可以借助延长整体结构周期的方式降低结构的地震反应。隔震上部结构层间的剪力减少66%以上，水平减震系数为0.46。在超烈度的地震影响下，隔震上部结构的变形普遍处于弹塑性阶段，此时隔震可以满足安全、稳定要求。首层独立柱在采取隔震设计措施的情况下可以确保其在高强度地震中不屈服，整个结构稳定性较好。