钢管混凝土柱自隔震技术

陈 欢

(成都美厦建筑设计有限公司，四川成都610081)

地震，是地球上所有自然灾害中给人类社会造成损失最大的一种地质灾害。在中国，由于地处在世界两大地震带(环太平洋地震带与地中海—喜马拉雅山地震带)之间，因此历史上发生过很多破坏性很大的地震。近年来，2008年四川汶川县发生的里氏8.0级地震，2013年四川芦山发生的强烈地震，均造成了巨大的生命财产损失，给我们带来了惨痛的教训。近年来，中央及四川颁布了多个建设工程抗震及隔震减震新技术条例，包括：

(1)中国地震局文件，中震防发【2009】49号，《关于学校、医院和等人员密集场所建设工程抗震设防要求确定原则的通知》，文件强调提高半度计算设计；

(2)四川省人民政府令，第266号，《四川省建设工程抗御地震灾害管理办法》2013年3月19日省人民政府第4次常务会议通过，先予公布，自2013年6月1日起施行，文件强调重要性，鼓励采用各种新技术；

(3)住房和城乡建设部颁布了《关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见》，建质【2014】25号，文件强调采用减隔震的意义，根据危险性及后果分三类，优先、鼓励、提倡；参加评优、评奖、优先。

地震的发生具有复杂性和不确定性，对地震发生进行准确预测是很难做到的，然而，做好建筑物的抗震设计，更能减轻地震破坏，避免人员伤亡、减少经济损失。

1 钢管混凝土的隔减震效应设计

(1)何谓自隔震结构？不要隔震器，调整结构周期T1以降低水平地影响系数β，称为自隔震设计。

(2)何谓自减震结构？不要阻尼器，调整结构的阻尼比，以降低水平向减震系数β，称为自减震设计。

(3)何谓自隔震减震结构设计？对结构的自震周期和结构的阻尼比同时调整，可以大幅度降低隔震减震系数，称自隔减震设计。

(4)何谓超罕遇地震不倒？在遭遇超罕遇地震时，隔减震结构进入弹塑性，水平位移显著增大，阻尼结构投入工作，用耗能和限位以控制结构不倒。

(6)何谓接力柱？在位移较大时原隔震柱因屈服、回弹力减弱，接力柱就是另外设一些层间柱，在原柱弹性范围内接力柱基本不承担水平力，在原柱临屈服后接力柱开始工作承担水平力，这样系统永远都有相当的回弹力，弹性区间进一步增大。

接力柱的设置一方面保证了回弹，另一方面保证了隔震层的抗剪承载力、抗倒塌能力进一步提高。

接力柱不在一般建筑设置，有必要时仅在9度甲乙类建筑设置；接力柱设置仅在隔震层，其它层不设置。

接力柱是阻挡结构的一种形式。

(7)隔震减震层可否合用？抗震结构中，整体减震效果是隔震因子(T0/T)r和阻尼减震因子η2(ζ)之积，两种合用可收到事半功倍之效果，合用是乘法效应。

(8)自隔震的底层刚度低是否会出现变形集中？自隔震初始刚度低目的是实现抗震对策“让”，以柔克刚，让之后因阻挡结构，如地坪型、圆筒型、双向剪力墙型和接力柱型大大提高层刚度，不会出现塑性，也不会有变型集中。

(9)隔震柱计算简图，见图1～图3。

图1 隔震结构

图2 隔减震结构

(10)估定刚度或阻尼。

要求至少减1度。可降1度的构造，完全按抗震设计计算，采用下述方法估定其周期刚度。当用此方法估定的刚度和阻尼通不过有关验算时，再调整到通过为止。

图3 隔震结构

式中的T01是T1的目标周期T012有下式：

表1 阻尼比ζ与η2、γ之关系

给定阻尼比可定出刚度限，给定刚度限可求出阻尼比限。

表1中：

对层数较低者，T0≤Tg者，T0为上部被隔震结构估定之周期。

(T0≤Tg时)

层数较高者，T0>Tg者

(T0>Tg时)

式中：T0为上部被隔震结构估定的周期，按如下公式估定：

T0=0.1n;

(n层数；框架结构)

T0=0.05n～0.08n;

(n层数；剪力墙或框—剪)

例：ζ=0.23η2=0.60γ=0.79Tg=0.4n=6层，则：

得目标周期T01=0.6后，可得：

例：

(1)在零附加阻尼比的情况

ζ=0.05η2=1.00γ=0.9Tg=0.4

(2)在小阻尼比情况

ζ=0.15η2=0.69γ=0.82Tg=0.5

(3)在中阻尼情况

ζ=0.23η2=0.60γ=0.79Tg=0.6

如果要求隔减震1.5度则隔减震系数β=0.375或β=0.38

EscI0=EsIs+dEcIc

(11)阻挡结构

阻挡结构及阻挡曲线的张开大小，阻挡曲线的形状，对柱的应力、弹性、塑性及整体弹塑性稳定均有重大影响。

阻挡曲线一般简化为单折线(图4)或双折线(图5)，也可按柱的变形曲线(图6)。

图4 柱与约束锥一点接触

图5 柱与约束锥两点接触

图6 柱与约束锥线接触

柱插入约束锥的深度h>4d，d为柱直径。

θ1为临塑转角

θ2为临倒转角

与抗震设计相比，采用钢管混凝土柱，通过设置在建筑物底层的钢管混凝土柱以及安装在钢管混凝土柱下端的阻尼约束锥，实现在地震作用下使房屋隔震减震。利用钢管混凝土柱的高强度、高弹性、高耗能的特性，有效地调节房屋的周期，减轻房屋的动力反应，使之达到在大地震中建筑能正常使用、特大地震中安全不倒的目的。

2 钢管混凝土的隔减震效应的优越性

钢管混凝土柱既作为承重柱又起到水平弹簧的作用，支承着上部重量，没有增加任何专门隔震减震的构件或设施的投入，这种重要的理念保证了该技术比任何传统方法更经济适用。钢管混凝土柱采用常规建筑材料，主要是建筑钢管和高强混凝土，施工制作单位就是常规的钢结构公司和土建公司，施工过程受环境因素的影响较小。

2.1 技术优势

钢管混凝土柱，有很强弹性工作能力；钢管混凝土柱的刚度、阻尼基本不随温度而变；钢管混凝土柱使用寿命周期长不需要换；钢管混凝土柱不燃，热容量大，温升慢，小断面情况稍作处理就可耐火达标，大断面无需处理。

2.2 经济效益

采用钢管混凝土柱作隔震柱也兼作底层柱或地下室柱；采用钢管混凝土柱，变传统设置隔震装置所需的非使用空间为可使用空间。钢管混凝土柱支承的上部结构可降低地震作用1度到1.5度(降50%～75%)，上部结构的材料费降低10%左右。

2.3 社会效益

采用这种技术不仅不花钱反而省钱又多得使用空间，采用这种技术使大量的标准设防保护的建筑变为有重点设防能力，重点保护人群由18%提高为90%，这是我们建设美好家园的重要目的。采用这种隔震减震技术与抗震技术比房屋的安全度大大提高；房屋非结构构件(隔墙、门窗、天棚)倒塌、女儿墙倒塌、设备的损坏会显著减少；采用该技术与传统抗震技术比，二次灾害如火灾、化学、生物和核泄漏会显著减少，甚至没有。

2.4 应用广泛

(1)有地下室情况可使用，无地下室情况也可使用。

(2)在有地下室的情况，无论是单层或多层地下室或半地下室，隔震柱设在地下室满足其使用要求和刚度，室外地坪处可做阻尼支座及阻挡结构。在柱群刚度偏大的情况可在柱下设约束锥，以降刚度地坪等作阻挡结构，高烈度再加接力柱、剪力墙等。由于楼梯间梯板有桁架效应，平台有短柱效应，通常其刚度提高几十倍，在采用该技术时，平台上设滑移缝，平台与柱分开，消除其效应。确保楼梯间的刚度与 其他部位一致。

(3)多层单层各类桥墩均可使用。多层建筑以柱作为隔震弹簧，高层建筑若有剪力墙承重。剪力墙在隔震层处设若干小柱代之，阻挡结构可用底层地坪另外剪力墙。

(4)上部被隔震结构可以是砖混结构、混凝土框架结构和剪力结构，各类钢结构。既可用于大城市建设也可用于中小城镇建设。

(5)该技术可用于加固补强。常规加固是用增刚加固法，是假打柱子，加大纵横配筑，加大填充墙与柱子的连接和整体性，其结果是刚度增加，费用增加。而该技术的思想是“减刚限位法”，既消除墙及地基对柱子的约束。另外，把柱基顶到地面的约束挖去，消除地下柱的侧连接，让构造接近计算简图。在原柱表面贴泡沫，在外浇一方形或圆形空心柱，在柱与阻挡结构之间安设阻尼结构，作常遇地震和罕遇地震计算。

(6)该技术可用于防撞防爆结构。

(7)该技术间接能提高温度区段的长度。

3 结束语

该项减震技术是由王尔其发明，且已获国家专利，专利号：ZL201110030213.5。对此专利技术，中国科学技术战略发展研究院认为：钢管混凝土柱隔震减震装置的研究开发是我国建筑领域尤其是防震减灾工程的一个重要创新。根据目前的市场情况，立项开发本项目既是市场需要同时也是改革创新，亦是贡献社会的一种责任。本项目进入市场之所以得到认可，是因为该技术具有实事求是的功能、务实创新的设计、行之有效的用途，加之科学合理的管理，由此可见本专利技术转化，实现分析预期目标及效益是实际可行的。根据投资价值分析，从技术方面来看，该专利技术实用性强；从市场方面来看，该专利产品市场需求明显；从产业化方面看，该专利实施所需原料供应充足；同时该项目的实施符合我国有关法律和相关政策；本专利的实施将有较好的投资回报。

综合各种外部条件及本技术的现有优势，我们对“钢管混凝土柱自隔震减震”项目应用充满信心。现在本技术已经应用于彭州中学宿舍等的工程项目中。

[1] GB 50011-2010建筑设计抗震规范[S]

[2] CECS 28：2012钢管混凝土结构技术规程[S]

[3] JGJ 297-2013建筑消能减震技术规程[S]