林志波

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司廈門分公司 福建廈門 361000)

隔震技術(shù)在地鐵上蓋建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析

林志波

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司廈門分公司 福建廈門 361000)

由于空間條件的限制等因素，地鐵結(jié)構(gòu)按照傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)難以達(dá)到使用要求，各城市地鐵工程正逐漸嘗試將減隔震技術(shù)運(yùn)用到地鐵上蓋結(jié)構(gòu)中。為研究隔震技術(shù)應(yīng)用于地鐵上蓋結(jié)構(gòu)的減震效果，對(duì)廈門某地鐵車輛基地上蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隔震設(shè)計(jì)，基于ETABS有限元軟件，建立隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模型并對(duì)兩種模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，結(jié)果表明：相對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu)，隔震結(jié)構(gòu)的自振周期明顯延長(zhǎng)，隔震前后各層層間剪力比值不大于35.13%，各層層間傾覆力矩比值不大于32.73%。在大震作用下隔震層水平位移249mm且小于限值。隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/295，隔震支座最大拉應(yīng)力為0.77MPa,均小于限值。因此，隔震技術(shù)應(yīng)用于地鐵上蓋結(jié)構(gòu)滿足安全性和可靠性要求，具有良好的減震效果。

隔震技術(shù)；基礎(chǔ)隔震；地鐵上蓋結(jié)構(gòu)；ETABS

1 概述

近幾十年來，隔震是逐漸應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)已比較完善的一種技術(shù)。所謂“隔震”，就是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層之間設(shè)立隔震層，阻斷地震作用向上傳遞，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，避開地震主要作用頻帶對(duì)結(jié)構(gòu)主體的影響，從而降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達(dá)到更高的設(shè)防要求，保證結(jié)構(gòu)安全?？紤]隔震層位置將隔震體系分為基隔和層隔這兩種。所謂基隔是隔震層位于主體結(jié)構(gòu)與下部或基礎(chǔ)之間，主要適用于主體結(jié)構(gòu)體系剛度較大的建筑，也是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的隔震形式[1-2]。

層隔是將隔震層設(shè)置在建筑物某層(下部幾層)進(jìn)行地震反應(yīng)控制，隔震層的設(shè)置較為靈活，便于滿足建筑和使用方面的要求[2]。對(duì)于隔震技術(shù)應(yīng)用于地鐵上蓋物業(yè)開發(fā)，多為層間隔震，國(guó)內(nèi)也有其研究案例，其中一些已得到了工程應(yīng)用。截止2015年年底，國(guó)內(nèi)已竣工的地鐵上蓋隔震結(jié)構(gòu)工程有8個(gè)，分別是：深圳前海車輛段工程、深圳蛇口車輛段工程、北京平西府車輛段工程、北京八王墳車輛段工程、杭州七堡車輛段工程、香港將軍澳車輛段工程和南京大學(xué)城工程[3-8]。

同濟(jì)大學(xué)石廣[3,6]通過ETABS軟件對(duì)一棟7層大平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行層間隔震設(shè)計(jì)，減震效果良好，但隔震裝置布置單一，對(duì)于隔震支座的布置優(yōu)化仍有待研究。丁永君、趙明陽、李進(jìn)軍對(duì)天津某地鐵上蓋高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行層間隔震設(shè)計(jì)，滿足安全性、可靠性要求，但隔震層下部結(jié)構(gòu)減震效果不明顯。

圖2 四～十四層標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

本文按照工程實(shí)例設(shè)計(jì)了底部框架+小汽車庫層設(shè)置轉(zhuǎn)換層+上部框架剪力墻以及底部框架+小汽車庫層設(shè)置轉(zhuǎn)換層+隔震層+上部框架剪力墻兩種結(jié)構(gòu)布置方案。選用大型通用有限元ETBAS軟件建模并分析兩種結(jié)構(gòu)布置方案的動(dòng)力響應(yīng)，并將EATBS軟件和常用的國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)計(jì)算SATWE軟件對(duì)非隔震模型計(jì)算得到的質(zhì)量、周期和層間剪力進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證ETABS建模的準(zhǔn)確性，同時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)抗風(fēng)要求以及隔震層的偏心率對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

該工程屬地為福建省廈門市，抗震設(shè)防烈度7度(0.15g)，設(shè)計(jì)地震分組第三組，III類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期0.65s，場(chǎng)地基本風(fēng)壓為0.8kN/m2。工程效果如圖1所示。

運(yùn)用庫上蓋面積為102 590m2，其上設(shè)置一層小汽車庫層和多棟十二～十四層的高層住宅，以及附屬配套建筑，總建筑面積288 639m2，車庫建筑面積為90 020m2，住宅建筑為196 119m2，附屬配套建筑面積為2 500m2。其中四～十四層標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖2所示，剖面如圖3所示，建筑結(jié)構(gòu)高度40.9m，寬14.4m，高寬比2.84。屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，丙類建筑。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，本文簡(jiǎn)稱《10版抗規(guī)》。

圖1 某地鐵車輛基地效果圖

圖3 四～十四層標(biāo)準(zhǔn)層剖面圖

運(yùn)用庫上高層住宅采用框支—框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，運(yùn)用庫及小汽車庫框架、框支框架抗震等級(jí)為二級(jí)、抗震構(gòu)造措施等級(jí)為一級(jí)，上部結(jié)構(gòu)框架抗震等級(jí)為三級(jí)、抗震構(gòu)造措施等級(jí)為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)、抗震構(gòu)造措施等級(jí)為一級(jí)，按《10版抗規(guī)》要求，對(duì)于7度0.15g地區(qū)建筑隔震后的抗震措施不降低。運(yùn)用庫主要柱網(wǎng)為12.6m×8.4m，按照多層民用建筑標(biāo)準(zhǔn)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)信息如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)信息

2 隔震設(shè)計(jì)與考慮

2.1 結(jié)構(gòu)隔震方案選擇

該工程的建筑和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：①建筑平、立面的設(shè)計(jì)基本規(guī)整；②經(jīng)初步驗(yàn)算，按抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)基本周期1.597s，整體剛度較大；③高寬比為2.84(40.9m/14.4m)，小于4的要求[1]；④場(chǎng)地基本風(fēng)壓大，風(fēng)荷載滿足小于建筑總質(zhì)量的10%的要求[1]。以上這些特點(diǎn)表明了該工程適合應(yīng)用隔震技術(shù)，采用層間隔震方案實(shí)施。隔震層布置在汽車庫層頂上的轉(zhuǎn)換層和上部結(jié)構(gòu)之間。

本文僅介紹了小汽車庫層上主樓下設(shè)置隔震層的轉(zhuǎn)換方式，也考慮過基礎(chǔ)隔震和柱頂隔震的方案。

對(duì)于基礎(chǔ)隔震，由于運(yùn)用庫內(nèi)存在檢查坑使得地梁無法拉結(jié)，無法滿足隔震構(gòu)造要求，對(duì)該工程并不適用。對(duì)于柱頂隔震，一方面，該工程為大底盤結(jié)構(gòu)，若采用柱頂隔震會(huì)增加較多的隔震支座，并不經(jīng)濟(jì)；另一方面軌道限界要求和隔震支座設(shè)置構(gòu)造要求，需適當(dāng)增大層高，對(duì)于本身就是平臺(tái)上的上蓋開發(fā)，其景觀、交通、管線設(shè)置等更難于協(xié)調(diào)布置。

2.2 結(jié)構(gòu)模型建立

運(yùn)用庫層高為10.0m，小汽車庫層層高為5.0m，隔震層層高為2.0m，首層住宅層高為3.2m，其余各層層高均為2.9m，總高度為57.9m。建模采用了傳統(tǒng)抗震和層間隔震兩種方案。計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型圖

方案一結(jié)構(gòu)布置如下：結(jié)構(gòu)采用底部框架+小汽車庫層設(shè)置轉(zhuǎn)換層+上部框架剪力墻的結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)用庫和小汽車庫為大底盤框架結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)考慮單塔和多塔的包絡(luò)設(shè)計(jì)，對(duì)于單塔，由于塔樓間距離較近，按主樓外擴(kuò)一跨作為相關(guān)范圍進(jìn)行驗(yàn)算。如圖5所示，屬于超限結(jié)構(gòu)并需進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，性能目標(biāo)為：

(1)大平臺(tái)柱、框支柱：中震正截面承載力彈性、斜截面承載力彈性；大震正截面承載力不屈服、斜截面承載力彈性。

(2)轉(zhuǎn)換梁：中震正截面承載力彈性、斜截面承載力彈性；大震正截面承載力不屈服、斜截面承載力不屈服。

(3)大平臺(tái)梁、底部加強(qiáng)部位剪力墻：中震正截面承載力不屈服、斜截面承載力彈性。

(a)

(b)圖5 方案一結(jié)構(gòu)布置示意圖

方案二結(jié)構(gòu)布置如下：結(jié)構(gòu)采用底部框架+小汽車庫層設(shè)置轉(zhuǎn)換層+隔震層+上部框架剪力墻的結(jié)構(gòu)形式，如圖6所示，屬于超限結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，性能目標(biāo)為：

(1)大平臺(tái)柱、框支柱：中震正截面承載力彈性、斜截面承載力彈性；大震正截面承載力不屈服、斜截面承載力彈性。

(2)轉(zhuǎn)換梁：中震正截面承載力彈性、斜截面承載力彈性；大震正截面承載力不屈服、斜截面承載力不屈服。

(3)大平臺(tái)梁：中震正截面承載力不屈服、斜截面承載力彈性。

(a)

(b)圖6 方案二結(jié)構(gòu)布置示意圖

采用ETBAS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型建立，同時(shí)用YJK軟件(盈建科有限元分析軟件)對(duì)非隔震普通設(shè)計(jì)模型進(jìn)行建模，對(duì)比兩種軟件所建立的普通抗震設(shè)計(jì)模型質(zhì)量、周期和層間剪力(振型分解法)，結(jié)果如表1～表3所示。對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，隔震橡膠支座都由兩種連接單元來模擬，分別是Isolator1和Gap。

表1 非隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比

表2 非隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

表3 非隔震結(jié)構(gòu)地震剪力對(duì)比

從表1～表3的結(jié)果表明，ETABS模型與YJK模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、前三階周期和各層間剪力差異不大，ETABS軟件建立的結(jié)構(gòu)模型具有充分的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

2.3 隔震支座選取與布置

2.3.1 平面布置與參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)《10版抗規(guī)》第12.2.3條，隔震支座豎向壓應(yīng)力不應(yīng)超過丙類建筑的限值15MPa。為此，布置6套LRB700支座、16套LRB500支座以及12套LRB500支座。具體平面布置方案如圖7所示。本工程上蓋結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻墻下設(shè)置轉(zhuǎn)換梁，采用柱下隔震支座的做法。所選用隔震支座規(guī)格與力學(xué)性能參數(shù)如表4～表5所示。

圖7 隔震層布置圖

表4 隔震支座型號(hào)和規(guī)格

表5 隔震支座力學(xué)性能參數(shù)

2.3.2 結(jié)構(gòu)偏心率與抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求

日本、美國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定隔震層的偏心率≤3%。隔震層計(jì)算結(jié)果為：X方向0.69%，Y方向2.20%，隔震層剛度中心與上部質(zhì)量中心基本重合，滿足要求。

按照《10版抗規(guī)》第12.1.3的規(guī)定，為防止隔震結(jié)構(gòu)剛度較低導(dǎo)致其在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生較大位移，對(duì)整體結(jié)構(gòu)需進(jìn)行抗風(fēng)承載力驗(yàn)算，其中隔震結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載水平總推力不宜超過總重力的10%。經(jīng)計(jì)算，本結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力(隔震層以上結(jié)構(gòu))為3 851kN，總重力(隔震層以上結(jié)構(gòu))為88 298kN，滿足要求。同時(shí)隔震層必須有可靠的初始剛度來保證滿足抗風(fēng)和微振動(dòng)的要求?！?0版抗規(guī)》規(guī)定，抗風(fēng)驗(yàn)算應(yīng)按下式進(jìn)行：

γwVwk≤VRw

經(jīng)計(jì)算風(fēng)荷載作用下隔震層水平剪力設(shè)計(jì)值γwVwk=5 391kN大于各鉛芯支座的屈服力之和2028kN，需在支座上設(shè)置抗風(fēng)裝置，每一個(gè)抗風(fēng)裝置能夠承擔(dān)200kN剪力，則隔震層水平承載力設(shè)計(jì)值為5 628kN,滿足抗風(fēng)承載力要求[7-8]。

3 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

3.1 地震波的選取

該工程選取了實(shí)際5條強(qiáng)震記錄和2條人工波，根據(jù)場(chǎng)地設(shè)防烈度要求將地震峰值加速度調(diào)至0.15g。經(jīng)計(jì)算各時(shí)程計(jì)算得到的底部剪力與分解反應(yīng)譜法所得結(jié)果比例最小值為0.65，多條時(shí)程計(jì)算平均值與分解反應(yīng)譜法所得結(jié)果比例X向0.93，Y向0.83,符合《10版抗規(guī)》第5.1.2條3款的規(guī)定，所選地震波均有效。

3.2 結(jié)構(gòu)基本周期

在多遇地震作用下(7度設(shè)防，0.15g)，用ETABS軟件分析了隔震模型與非隔震模型的基本周期，結(jié)果如表6所示。

表6 隔震前后結(jié)構(gòu)周期

由表6可知，采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)的自振周期明顯延長(zhǎng)，由于結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，X、Y方向前兩階振型均為平動(dòng)，隔震結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的基本周期相差9.3%，小于30%，滿足《10版抗規(guī)》要求。

3.3 地震作用下分析

3.3.1 多遇地震作用下層間剪力、傾覆力矩的分析

在7度設(shè)防的多遇地震作用下，對(duì)非隔震模型和隔震模型進(jìn)行了7個(gè)工況下的動(dòng)力時(shí)程分析，得到了兩種結(jié)構(gòu)的層間剪力平均值及其比值如表7所示。

表7 隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力比值

由表7可知，隔震模型與非隔震模型的最大剪力比值在第5層出現(xiàn)，其數(shù)值為0.3 513，上部結(jié)構(gòu)地震力降低顯著，減震效果良好。

隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)，其樓層傾覆力矩平均值對(duì)比如表8所示。

表8 隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)樓層傾覆力矩對(duì)比

由表8可知，隔震設(shè)計(jì)與非隔震設(shè)計(jì)的樓層傾覆力矩比值的平均值最大為0.3 273，且結(jié)構(gòu)層間剪力及其比值的平均值最大為0.3513，減震系數(shù)0.27<β=0.3 513<0.40，可按《10版抗規(guī)》要求，上部計(jì)算水平地震影響系數(shù)可按7度0.10g取0.08，但抗震措施不予降低。

3.3.2 罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)位移分析

在7度罕遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)各層間位移角需滿足一定要求，經(jīng)計(jì)算，除隔震層(第三層)外，隔震結(jié)構(gòu)各層位移角如表9所示。

表9 7度罕遇的隔震結(jié)構(gòu)層間位移角

由表9可知，采用隔震技術(shù)后罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/295，小于1/100(除隔震層“樓層3”)，滿足《10版抗規(guī)》要求。同時(shí)隔震層下部一、二層層間位移角分別為1/1 060、1/1 715，說明下部結(jié)構(gòu)剛度很大，且隔震層以上各層位移角變化趨于平緩，層間剪力較小。而隔震層的最大水平位移為249mm，小于0.55D及3Tr的較小值，滿足要求。

3.3.3 罕遇地震作用下的隔震支座應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《10版抗規(guī)》第12.2.4條規(guī)定：隔震橡膠支座在罕遇地震的水平作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0MPa。因此，需用ETABS軟件對(duì)隔震層各支座的應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。其中隔震支座拉應(yīng)力驗(yàn)算采用的荷載組合：1.0×恒荷載±1.0×水平地震；隔震支座壓應(yīng)力驗(yàn)算采用的荷載組合：1.0×恒荷載+0.5×活荷載+1.0×水平地震，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)荷載組合為 1.00D±1.00Fek 時(shí)，支座最大拉應(yīng)力為0.77MPa，均出現(xiàn)在16號(hào)支座LRB500，小于1MPa，符合《10版抗規(guī)》要求。

3.3.4 隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)性能

隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)性能比較與總結(jié)如表10所示。

表10 隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)分析

由表10可知，隔震結(jié)構(gòu)對(duì)于上部建筑的底部加強(qiáng)區(qū)沒有性能目標(biāo)的要求，且降低了地震力，結(jié)構(gòu)構(gòu)件也較小，而非隔震結(jié)構(gòu)多對(duì)剪力墻的底部加強(qiáng)區(qū)提出性能目標(biāo)的要求，地震力取值是按地區(qū)取值，因此為滿足結(jié)構(gòu)整體及構(gòu)件受力要求，對(duì)于底部加強(qiáng)區(qū)部位的剪力墻局部墻厚會(huì)適當(dāng)增加。

4 結(jié)論

本文通過廈門地鐵建設(shè)的工程實(shí)例，對(duì)其工程特點(diǎn)及隔震技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析。

(1) 隔震技術(shù)應(yīng)用于地鐵上蓋結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的安全性，可以滿足工程抗震能力的承載力要求。

(2) 隔震結(jié)構(gòu)周期相比與非隔震結(jié)構(gòu)周期可延長(zhǎng)約2倍，可達(dá)到隔震設(shè)計(jì)目的。

(3) 采用隔震技術(shù)可以有效降低結(jié)構(gòu)底部地震剪力。對(duì)于隔震層以下結(jié)構(gòu)底部地震剪力可降低約20%，對(duì)于隔震層以上結(jié)構(gòu)底部地震剪力可降低約70%，從而提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

(4) 采用隔震結(jié)構(gòu)可以降低工程造價(jià)。一方面，隔震層上部結(jié)構(gòu)的地震力明顯下降，減少了構(gòu)件截面及配筋；另一方面，隔震支座的產(chǎn)品生產(chǎn)成熟價(jià)格合理。因此，其綜合造價(jià)相對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu)是有所降低的。

(5) 通常隔震層上部結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度可適當(dāng)降低，但若上部結(jié)構(gòu)隔震與非隔震層間剪力比超過0.40則不能降低設(shè)防烈度，此時(shí)可考慮改善隔震支座的平面布置。

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Application and Analysis of Isolation Technology in Building Structure of Metro

LINZhibo

(Beijing Urban Construction Design Development Group Co., Ltd.Xiamen Branch,Xiamen 361000)

Due to the constraints of space conditions and other factors, the subway structure in accordance with the traditional seismic design is difficult to meet the requirements.The city subway project is gradually trying to reduce the isolation technology applied to the subway structure.In order to study the shock absorption effect of the isolation technology applied to the subway roof structure, the isolation structure of the superstructure of a subway vehicle base in Xiamen was designed.ETABS software was used to build the isolated and non-isolated structure model.The results show that the self-vibration period of the isolated structure is obviously prolonged with respect to the non-isolated structure, and the shear ratio of the interlayer is less than 35.13% after the isolation.The ratio of the overturning moment is less than 32.73% after the isolation; Under the action of the earthquake, the isolation layer horizontal displacement is 249mm, which is less than the limit.The maximum interlaminar displacement angle of the isolated structure is 1/295, and the maximum tensile stress of the isolation bearing is 0.77MPa, which is less than the specified limit.Therefore, the isolation technology used in subway cover structure meet the safety, reliability requirements, with a good shock absorption effect.

Isolation technology; Base isolation; Subway cover structure; ETABS

林志波(1984.8- )，男，工程師。

E-mail:99897141@qq.com

2017-05-25

TU352.1

A

1004-6135(2017)07-0097-08