我国是一个地震多发国家, 传统建筑多采用抗震设计, 通过提高结构自身强度来抵抗地震作用, 并允许一定程度的塑性变形消耗地震能量。但是地震作用是一种惯性力作用, 结构构件截面增大会导致构件质量增加, 惯性力也同时增加, 难以做到经济合理。隔震建筑在基底采用隔震支座延长建筑物基本周期, 以集中发生在隔震层的较大相对位移, 阻隔地震能量向上部结构传递, 从而提高建筑物安全性。同时, 由于建筑物加速度反应减小, 对内部的重要设备等非结构物形成保护作用。

基础隔震具有构造简单、隔震效果明显的特点。目前, 大部分隔震建筑都应用于坚硬场地条件下, 而很少应用于软弱场地条件下。另外, 隔震结构相关研究主要集中于隔震装置、隔震效果等方面, 施工期间的研究相对缺乏, 特别是对软弱场地条件下的隔震结构施工研究则更少。兰州理工大学的杜永峰等人对某超长隔震结构在施工期间产生的变形进行现场监测, 并进行了相关的有限元模拟^[1];广州大学王可怡等人结合广东科学中心的施工过程, 对隔震支座施工变形进行了现场监测^[2]。

天津医科大学总医院滨海医院建于软土地基上, 采用基础隔震。为监测隔震支座在施工期间的变形特征, 针对此隔震结构建立了一套位移监测系统。结合现场监测数据和有限元模拟结果, 分析软弱场地条件下隔震支座的变形特点, 对隔震结构在软弱场地的施工提出建议。

天津医科大学总医院滨海医院采用钢筋混凝土框架结构及框架-剪力墙结构, 地下2层、地上最高4层, 高18m, 地下室和首层之间设置隔震层, 隔震层层高2.2m。场地类别为Ⅳ类, 场地特征周期T_g=0.65s, 抗震设防烈度为8.5度。共安装隔震橡胶支座550个, 黏滞阻尼器86个。隔震支座的布置如图1所示, 隔震支座的性能参数如表1所示。

根据结构后浇带分布将平面划分为10个区格, 在区格对角线选取2个隔震支座, 一个隔震支座设置2个水平位移传感器, 另一个支座设置1个水平位移传感器, 来实现水平变形与扭转变形的监测;在监测竖向变形时, 除了选用前述2个隔震支座, 还在同一区格其他位置选取1~2个支座监测竖向变形。共选取34个隔震支座, 布置64个位移传感器 (见图2) , 设定x向为结构东西方向 (横向) , y向为结构南北方向 (纵向) , z向为竖向。

由于测量数量较多, 而且现场施工人员持续施工, 数据采集采用靠近监测点处有线采集、无线数据传输的方式。

1) 隔震支座水平变形监测

图3所示为B1区格19, 22号隔震支座在2015年8月—2016年9月的水平变形数据。隔震支座类型均为直径900mm的橡胶隔震支座。

从图3可以看出, 初始阶段变形增长速度较快, 结构在温度和混凝土收缩作用下产生的力直接传递到隔震层隔震支座, 导致水平变形。随着施工的进行, 结构层数增加, 力的作用并不是直接作用于隔震支座, 从而导致隔震支座变形速度减缓。进入2015年底, 结构封顶, 之后主体荷载变化较小, 支座变形增加趋势停止。2016年2月开始, 水平变形有减小趋势, 这是由于施工开始阶段处于温度较高阶段, 随后在环境降温过程中产生变形, 而2月开始升温, 变形减小。其他测量支座具有相似变形特征。

根据统计, y向变形最大值为20.8mm, 出现在18号支座处;最小值为6.6 mm, 出现在1号支座处;平均值为10.2mm。x向变形最大值为16.9mm, 出现在9号支座处;最小值为1.8mm, 出现在15号支座处;平均值为6.3mm。隔震支座y向变形值大于x向变形值, 这是由于施工过程中结构未作用水平向荷载, 温度和混凝土收缩作用是隔震支座产生水平变形的主要原因, 结构y向 (纵向) 较长, 在同一工况相同温度和混凝土收缩作用下, 隔震结构在y向产生的力要大于在x向产生的力, 因此隔震支座y向水平变形量要大于x向水平变形量。

与国内其他2个隔震结构隔震支座水平变形监测数据最大值的比较如表2所示。

从表2可以看出, 滨海医院隔震支座在施工期间产生的水平变形量, 小于其他2个隔震结构支座变形量。考虑天津地区的场地土条件, 未见施工期间由于软土出现异常变形情况。由于所采用的大型筏板基础, 使结构在施工期间产生的水平变形量与常规坚硬场地类似。

2) 隔震支座竖向变形监测

图4所示为B1区格19, 21和22号隔震支座在2015年8月—2016年9月的竖向变形数据, 隔震支座的类型为直径900mm的橡胶隔震支座。

从图4可以看出, 隔震支座竖向变形整体趋势较一致。2015年12月前, 支座变形增长速度较快。之后随着主体结构施工完成, 变形速度减缓。其他测量支座具有相似变形特征。根据统计, 截至2016年9月变形均<5mm。

支座竖向变形主要是由于上部结构施工时恒荷载引起的。各支座竖向变形存在一定差异, 原因是隔震支座竖向受力不均匀。一方面, 滨海医院建设在软弱场地条件下, 易产生不均匀沉降, 结构的不均匀沉降使隔震支座之间出现沉降差;另一方面, 结构浇筑前进行支模时, 支模的不平整以及模板支撑的刚度不均匀, 均可能导致梁板等构件硬化后出现轻微起拱现象。拆除构件模板以及临时支撑后, 结构将产生内力重分布, 导致隔震支座受力亦不均匀。另外, 环境温度作用也使得与支座连接的混凝土构件产生不均匀变形, 从而导致支座的受力不均。

部分隔震支座竖向变形于2016年2月后减小。原因是2月气温开始逐步回升, 导致混凝土产生变形恢复并导致内力重分布, 进一步影响各个支座的竖向受力情况。

为进一步明确隔震支座产生水平变形的原因, 对结构施工过程进行了有限元模拟。利用有限元软件SAP2000建立结构的整体模型, 如图5所示。

模型中梁、柱、桩采用三维框架单元模拟, 楼板、剪力墙与筏板采用壳单元模拟, 隔震支座和黏滞阻尼器采用SAP2000中提供的隔震器单元和黏滞阻尼器单元模拟。基础采用桩筏基础, 模拟时将多根桩按照等效单桩原则简化为一根桩^[5]。

软弱场地需要考虑桩-土相互作用, 利用土弹簧模型来模拟土对桩的作用。根据地质勘查报告, 利用M值法计算出不同土层土体的刚度, 如表3所示, 沿着桩长方向设置弹簧单元输入不同土层的刚度。

考虑温度和混凝土收缩变形的计算方法如下。

将混凝土收缩变形等效成温度的影响, 因此整体结构的计算温差可表示为:

式中:T₁, T₂分别为温差和收缩当量温差。

式中:α为混凝土的线膨胀系数, α=1×10^-5/℃;ε为混凝土的收缩变形值;t为收缩时间;M₁, M₂, …, M_n为考虑各种非标准条件下的修正系数, 包括水泥类型、水灰比、养护时间、环境湿度、配筋率等各种因素的影响^[6]。

按照上述方法可以模拟出结构在温度和混凝土收缩作用下隔震支座产生的变形。

利用SAP2000中的阶段施工分析功能, 将结构按不同构件、不同位置分成若干组, 然后定义一个阶段序列, 在软件中通过增加和去除组来选择性地施加荷载到结构中, 同时可考虑龄期、徐变和收缩等时间相关的材料性能。除了上述荷载工况外, 还可将用上述计算方法得到的结构计算温差施加到结构中。计算温差中, 温差选用在施工现场实际测量取得的温度, 收缩当量温差采用每次混凝土浇筑之前搅拌站给出的混凝土数据计算得出。取隔震层上部梁、板浇筑前到主体结构基本完工这一时间段来进行施工模拟。根据现场记录, 期间最高气温30℃, 最低气温-4℃。将施工周期分为14个时间段, 每个时间段间隔14d, 在14d内完成某施工区域的支设模板、钢筋绑扎、混凝土浇筑以及混凝土的初期养护等工作, 这样设置可以使模拟与实际施工状况更相符。

如图6, 7所示, 选取2个具有代表性监测点的模拟值与监测值进行对比。其中, 12号监测点位于结构中部, 19号监测点位于结构北部纵向端点。

从图6, 7中可以看出, 模拟变形和监测变形趋势上大体相近, 数值上存在一些差异。造成这种差异的原因为: (1) 有限元模型与实际结构存在区别, 为保证计算效率, 有限元模型对梁、柱、板、支座、连接等进行了简化模拟; (2) 模拟工况与实际工况存在区别, 包括模拟工况的施加准确时间、局部施工顺序等难以与实际工况完全一致。

隔震支座在结构纵向产生的变形值较大, 在结构横向产生的变形值较小, 在结构纵向两端产生的变形值要大于在结构中部产生的变形值。混凝土的收缩作用与温度变化是导致隔震支座产生水平变形的重要因素。

以上模拟中主要考虑了温度和混凝土收缩共同作用对隔震支座变形产生的影响, 为明确2种因素中的控制因素, 通过是否考虑混凝土收缩进行施工模拟分析。图8为12号支座的模拟结果, 其中工况1同时考虑温度和混凝土收缩作用, 工况2只考虑温度因素。

结果表明, 2种工况下隔震支座的变形值相差较小, 最大相差为0.5mm, 即在温度变化和混凝土收缩2种作用下, 温度作用是造成隔震支座变形的主要因素。

不同的施工顺序也同样会对隔震支座的变形产生影响, 现在设置3种工况:工况1是按照工地的施工顺序采用顺序浇筑;工况2是从结构的中部开始向结构的两边进行浇筑;工况3是分别从结构纵向的两端向结构的中部进行浇筑。在不同的施工顺序下隔震支座变形情况也各有不同。图9给出了12号支座模拟情况, 其他支座变形情况类似。

结果表明, 不同施工顺序对隔震支座变形存在影响。根据统计, 工况3的变形量最小, 工况1的变形量最大, x向变形最大差值为0.7mm, y向变形最大差值为0.6mm, 这2个变形量分别占支座总变形量的30%和10%。建议在隔震结构施工时尽量采用对称施工, 当结构纵向较长时建议采用工况3的施工方法, 尽量减小隔震支座在施工期间产生的变形。

1) 支座水平变形与竖向变形均符合规范要求, 由于采用桩基与筏板基础, 在施工期间与常规坚硬场地土条件下隔震结构变形具有相似特征。

2) 温度和混凝土的收缩作用是隔震支座在施工期间产生水平变形的主要原因, 其中温度作用的影响更为显著。隔震结构的不均匀沉降以及温度所引起的内力重分布是造成隔震支座竖向变形差异的原因。另外, 支模的不平整以及模板支撑的刚度不均匀所引起的梁板构件轻微起拱现象也是造成内力重分布、影响支座变形的因素之一。

3) 不同的施工顺序对隔震支座变形的影响不同。推荐采用从结构纵向两端向结构中部施工的方式, 减小隔震支座变形。