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 萬(wàn)恒均1，  萬(wàn)  濤2

 （1四川省建筑設(shè)計(jì)研究院，成都610000；2四川大學(xué)規(guī)劃建設(shè)處，成都610065）

[摘要]  鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)鉸接柱腳的消能減震設(shè)計(jì)問(wèn)題已取得突破，但是剪力墻的同類(lèi)問(wèn)題還待研究。剪力墻平面內(nèi)剛度很大，不能直接做成基底鉸接柱腳，但其剛度可通過(guò)轉(zhuǎn)換層來(lái)降低。將剪力墻離散成柵欄板柱等獨(dú)立柱，再采用橢圓球體鉸轉(zhuǎn)化為鉸接柱腳，從而獲得鉸接柱腳消能減震設(shè)計(jì)。提出了球體鉸接柱腳位移量的分析計(jì)算方法，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范限值進(jìn)行控制，為以后的工程設(shè)計(jì)及計(jì)算提供參考。

[關(guān)鍵詞]剪力墻；轉(zhuǎn)換層；柵欄板柱；橢圓球體鉸

0  引言

 能使柱腳在基礎(chǔ)頂面自由轉(zhuǎn)動(dòng)的連接，稱(chēng)為鉸接柱腳。鉸接柱腳在理論力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)中都是成立的，具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在古老的木結(jié)構(gòu)中的木柱與石墩的連接方式就是鉸接柱腳，它的應(yīng)用已有千年的歷史。在地震中鉸接柱腳能以柔克剛，消能減震，保證房屋和人員的安全。2008年5·12汶川大地震的震害證明：柱腳破壞在震害中首當(dāng)其沖，凡剛性連接的柱腳普遍產(chǎn)生了開(kāi)裂破壞，說(shuō)明柱腳設(shè)計(jì)在抗震中的重要性。

 鉸接柱腳鉸點(diǎn)具有變形消能、搖擺而穩(wěn)定的動(dòng)力特性；同時(shí)具有柱腳彎矩為零的靜力特征，是非常理想的力學(xué)計(jì)算模型。在現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于長(zhǎng)期受基礎(chǔ)嵌固于地面的基本假設(shè)的影響，使鉸接柱腳長(zhǎng)期處于未被認(rèn)識(shí)的狀態(tài)，在工程設(shè)計(jì)應(yīng)用上還待研究。

1  框架結(jié)構(gòu)球面鉸接柱腳消能減震設(shè)計(jì)

 關(guān)于框架結(jié)構(gòu)的鉸接柱腳消能減震設(shè)計(jì)問(wèn)題，已基本研究解決。

2  剪力墻轉(zhuǎn)換柱鉸接柱腳消能減震設(shè)計(jì)

 剪力墻平面剛度很大，不能直接做成基底鉸接柱腳，但可通過(guò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層來(lái)降低剪力墻的剛度，將剪力墻離散成柵欄板柱等獨(dú)立柱，再采用橢圓球體鉸接裝置變?yōu)殂q接柱腳基礎(chǔ)，從而獲得剪力墻鉸接柱腳消能減震設(shè)計(jì)。

2.1柵欄板柱

 將整片剪力墻通過(guò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層離散成柵欄板柱等獨(dú)立柱，把剪力墻轉(zhuǎn)化為柱。因轉(zhuǎn)換層?xùn)艡诎逯鶅H有一層，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CB 50011-2010)第6.3.5.1條，可將柵欄板柱最小寬度取300mm，對(duì)通常上部為200mm厚的剪力墻，可擴(kuò)寬為大于等于300mm厚的板柱。板柱長(zhǎng)邊與短邊的邊長(zhǎng)比取3，則得到板柱的基本尺寸為300×900。板柱基礎(chǔ)離縫常用50mm，同樣柱鉸邊緣要比板柱邊外擴(kuò)50mm，則柵欄板柱縫隙寬度為3×50 =150mm，其平面基本尺寸如圖1所示。

2.2帶壁T形柱

 雙向剪力墻離散后，在交叉節(jié)點(diǎn)處形成T形帶壁柱，為了便于形成柱腳鉸點(diǎn)，帶壁柱最大的突出長(zhǎng)度，控制取柱最小尺寸300mm，帶壁柱的柱身為柵欄板柱。

2.3轉(zhuǎn)角L形柱

 L形柱用于剪力墻的轉(zhuǎn)角部位，轉(zhuǎn)角柱每邊突出長(zhǎng)度，一般按300mm取用�；蛘�，為了避免L形異形柱，直接采用600×600的普通方柱。

2.4聯(lián)排電梯井隔墻厚度

 由于電梯井凈空尺寸的工藝要求，隔墻厚度不能外擴(kuò)，只能把兩端作成300×200的帶壁柱，中間用200mm寬的過(guò)梁抬墻。

2.5柵欄板柱腳橢圓球體鉸設(shè)計(jì)

 柵欄板柱是長(zhǎng)矩形平面，要將其做成轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸點(diǎn)，柱鉸找型選用橢圓形球體。為了克服板柱狹長(zhǎng)、橢圓球體因過(guò)分扁平而容易失穩(wěn)的缺陷，可對(duì)板柱球鉸寬度盡量擴(kuò)寬，來(lái)調(diào)整橢圓球體長(zhǎng)短軸比例關(guān)系。

 用上下兩片雙曲面鋼板來(lái)作柱鉸。柱鉸的雙曲面由兩向圓曲線(xiàn)迭加而成：即由X向圓弧線(xiàn)沿y向圓弧線(xiàn)為母線(xiàn)的軌跡移動(dòng)復(fù)合而成雙曲扁殼。橢圓球體鉸就是由倒置的兩片雙曲扁殼構(gòu)成。

2. 5.1  柵欄板柱的橢圓球體鉸構(gòu)造

 若將柵欄板柱柱鉸寬度（Y向）擴(kuò)大后定為600mm，把鉸底做成半圓球面，即R y=300mm;柱鉸的長(zhǎng)度（X向），在包絡(luò)板柱前提下取L= 50 +900 +50=1000mm．再取X向圓弧曲線(xiàn)的矢高f=300mm（即令圓弧線(xiàn)的矢高與圓弧線(xiàn)半徑相等），則X向的曲率半徑（圖2）可表達(dá)為：

 由雙向圓弧線(xiàn)R y= 300mm，Rx=580mm生成雙曲扁殼，構(gòu)成柵欄板柱柱腳橢圓球鉸鋼模（圖3）。其中R y為球鉸的埋置深度，Rx為球鉸的寬度。

2.5.2帶壁T形柱的橢圓球體鉸構(gòu)造

 帶壁T形柱的橢圓球鉸平面取與其幾何圖形相近的梯形平面。參照柵欄板柱，取鉸點(diǎn)總寬度為800mm，則球體半徑R y=400mm;鉸點(diǎn)總長(zhǎng)度為1000mm，再取X向圓弧曲線(xiàn)矢高f=400mm，同理可得X向曲率半徑為Rx= 500mm，見(jiàn)圖4。

2.5.3橢圓球鉸的工作原理

 橢圓球體鉸有長(zhǎng)短軸兩個(gè)圓心，由于鉸點(diǎn)兩向圓弧形的切線(xiàn)高度相等，存在共同的切線(xiàn)點(diǎn)，切線(xiàn)共點(diǎn)就具有共同的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，故雙心橢圓球鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)位移角可按單心考慮。由于雙曲面鋼板本身具有很好的剛度，鋼板的厚度可取10mm。

3  橢圓球鉸接柱腳位移計(jì)算分析

 實(shí)現(xiàn)鉸接柱腳消能減震設(shè)計(jì)的核心是能求出地震發(fā)生時(shí)，鉸接柱腳的轉(zhuǎn)動(dòng)位移量，并把它控制在允許范圍內(nèi)。

 采用SATWE（2010版）程序不能直接得到鉸接柱腳轉(zhuǎn)動(dòng)位移量。但底層框架的層間位移角θ與球面鉸接柱腳的轉(zhuǎn)動(dòng)位移角θ0有幾何對(duì)等關(guān)系（圖5）。

式中：△u為底層層間水平位移；h為底層層高；θ為底層層間位移角；θ0為雙曲面鉸接柱腳轉(zhuǎn)動(dòng)位移角。

 轉(zhuǎn)角位移控制值按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)表3.7.3樓層層間最大位移與層高之比的限值進(jìn)行控制。

4  鉸接柱腳房屋適用高度和高寬比

 鉸接柱腳房屋屬框架結(jié)構(gòu)體系，其房屋適用高度和高寬比應(yīng)符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)A級(jí)高度鋼筋混凝土乙類(lèi)和丙類(lèi)高層建筑的最大適用高度和適用的最大高寬比的規(guī)定，見(jiàn)表1，2。

5  鉸接柱腳底層的層間剛度有大幅度削弱現(xiàn)象

 由于底柱的鉸點(diǎn)下移至柱腳，比剛性柱計(jì)算鉸點(diǎn)在柱中下移L/2（L表示層間高度），造成底層層間剛度降低約50%（圖6）。

 可知，鉸接柱腳的底層層間剛度降低50%，需用增加桿件單元?jiǎng)偠葋?lái)彌補(bǔ)。對(duì)提高單剛最直接有效的辦法是增加截面高度h，據(jù)測(cè)算，h若提高約30%，單元?jiǎng)偠染涂煞�倍。為了�?jié)省材料，截面作成薄壁工字形柱，效果更佳。

 例：將600×600的框架底柱，在截面積基本相等的情況下，改造成加強(qiáng)柱。采用600×800×200的工字形柱，柱子單剛可提高2.8倍。工字形柱的上、下端需作成實(shí)心截面，其構(gòu)造如圖7所示。

6  結(jié)論

 (1)鉸接柱腳設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)概念革新及設(shè)計(jì)方法的重大突破。剛性柱腳的抗震是堅(jiān)固設(shè)防，主旨是“抗”，用鋼筋混凝土材料去抵抗地震能量。鉸接柱腳的御震是以柔克則，主旨是“消”，用結(jié)構(gòu)變形去耗散地震能量。從“抗”到“消”是設(shè)計(jì)概念的轉(zhuǎn)變。鉸接柱腳能使房屋沿基礎(chǔ)頂面自由轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，可自動(dòng)避讓地震傷害，是房屋抗震設(shè)計(jì)理念的新發(fā)展，是設(shè)計(jì)方法的重大革新。

 (2)日本對(duì)鋼筋混凝土框架的隔震技術(shù)，是將柱腳斷開(kāi)，然后在每個(gè)框架柱下設(shè)置橡膠隔震支座。在結(jié)構(gòu)體系上屬于鉸接柱腳范疇，但采用橡膠．鋼板隔震支座來(lái)支承整個(gè)建筑物重量的代價(jià)較高：采用鉛芯隔震支座的承載應(yīng)力為10~ 12MPa，而C40混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f= 19. 1MPa，兩者相差近一倍。說(shuō)明隔震支座底柱支承面積比混凝土底柱大；需用的隔震支座數(shù)量多；且隔震構(gòu)件的價(jià)格不菲。若采用直接柱鉸硬著陸的球鉸柱腳方法，則具有明顯的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。對(duì)于剛性柱腳框架的消能減震，需逐層設(shè)置消能阻尼器來(lái)耗能，如設(shè)置八字形消能阻尼支撐等。顯然沒(méi)有一次性的球鉸柱腳簡(jiǎn)捷省事。球面鉸接柱腳有消能減震的功能，能保障地震中房屋與人員的安全，構(gòu)造簡(jiǎn)單易行，是消能減震技術(shù)的新發(fā)展。

 (3)鉸接柱腳彎矩為零，可有效地減少框架柱的截面尺寸及鋼筋用量；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)變?yōu)橹行氖軌簶?gòu)件，省去了剛性柱腳嵌固端必須設(shè)置的地圈拉梁結(jié)構(gòu)層；鉸點(diǎn)不用考慮柱腳截面組合彎矩設(shè)計(jì)值的增大系數(shù)，及底柱節(jié)點(diǎn)對(duì)箍筋體積配箍率增大的要求。在高烈度地震區(qū)，鉸接柱腳降低了截面設(shè)計(jì)的難度�？傊�，把結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的底柱柱腳斷面轉(zhuǎn)化為變形消能的鉸點(diǎn)，安全可靠。

 (4)用上下兩片曲面鋼板，作成柱腳可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接裝置，形成鉸接柱腳，達(dá)到消能減震，簡(jiǎn)單有效。

 (5)鉸接柱腳具有消能減震的動(dòng)力特點(diǎn)，在力學(xué)上也具有柱腳彎矩為零的靜力特征，是理想的力學(xué)計(jì)算模型，有強(qiáng)大的生命力，鉸接柱腳可與剛性柱腳相輔相成，互為補(bǔ)充，可形成兩條腿走路，靈活選擇。

 (6)我國(guó)西部地區(qū)處于地震活躍帶，震災(zāi)頻發(fā)，地震中房屋破壞嚴(yán)重，災(zāi)后重建任務(wù)繁重。近七年來(lái)就有四川汶川大地震、青海玉樹(shù)地震、云南魯?shù)榈卣�、四川蘆山地震等進(jìn)行了災(zāi)后重建。災(zāi)后重建中對(duì)國(guó)家重點(diǎn)設(shè)防項(xiàng)目，如學(xué)校、醫(yī)院等公共建筑，總想選擇抗震性能好的隔震設(shè)計(jì)或消能減震設(shè)計(jì)來(lái)建造抗震安全的房屋，卻因抗震構(gòu)件價(jià)格偏高而放棄。采用鉸接柱腳消能減震方法，只需用兩片鋼板作鉸點(diǎn)就可搞定。鉸接柱腳，在抗震設(shè)計(jì)中價(jià)廉物美，有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。甚至非抗震設(shè)計(jì)也可享受球鉸柱腳的優(yōu)良資源，作成鉸接結(jié)構(gòu)。