宋懷金

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

為提高鐵路土地資產(chǎn)運營效益和達到開發(fā)增值的目的，國家相關(guān)部門提出大力開展鐵路土地綜合開發(fā)[1-3]的要求，鐵路上蓋物業(yè)開發(fā)一般先在鐵路上方建造大空間底盤，大底盤上方建造商場或住宅，受列車運行使用的要求，上部多塔結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件(剪力墻、框架柱)難以直接貫通落地，從而導(dǎo)致大底盤上下樓層剛度變化較大，產(chǎn)生薄弱樓層，對結(jié)構(gòu)抗震極為不利。為解決大底盤與上部結(jié)構(gòu)剛度突變的問題，參考國內(nèi)外有關(guān)理論和工程研究，大底盤與上部多塔采用高位層間隔震的結(jié)構(gòu)方案，較好地解決了剛度突變的問題，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

高位層間隔震技術(shù)是將隔震層設(shè)置在某層柱頂或剪力墻頂[4]，國內(nèi)外很多學(xué)者對高位層間隔震技術(shù)進行了深入的研究，并已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用于實際工程，如日本25層的Shiodome sumitomo建筑，其隔震層設(shè)置在11層和12層之間，分析結(jié)果表明，采用該種結(jié)構(gòu)形式可有效減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)；北京某地鐵樞紐站共48棟房屋采用“層間隔震”，取得了很好的技術(shù)效益；祁皚等通過大量的參數(shù)化研究，得到了隔震層阻尼比和上下部結(jié)構(gòu)質(zhì)量比時的優(yōu)化頻率比[5-7]；周福霖等對層間隔震體系進行了詳細的理論分析[8-11]，總結(jié)了隔震層位置的高低對隔震效果的影響規(guī)律；吳從曉等對高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系中轉(zhuǎn)換層構(gòu)件、轉(zhuǎn)換層上一層剪力墻和基底剪力墻內(nèi)力過大的問題進行了詳細的分析和研究，提出了高位轉(zhuǎn)換隔震與耗能減震結(jié)構(gòu)體系[12]。

上海某上蓋綜合交通樞紐，上跨正在運營的國鐵和地鐵線路，為解決高位轉(zhuǎn)換存在的抗震問題，最終確定采用高位層間隔震的結(jié)構(gòu)方案。以該工程為例，詳細闡述隔震方案選取、隔震層參數(shù)確定、隔震支座選型和結(jié)構(gòu)全過程分析，為以后類似工程的設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 隔震層設(shè)計

2.1 隔震層計算模型

隔震層作為連接上、下兩部分結(jié)構(gòu)的重要樓層，隔震層的設(shè)計對隔震效果起至關(guān)重要的作用，這要求隔震層需同時滿足以下要求：(1)足夠的豎向承載能力以抵抗豎向荷載(重力及地震作用產(chǎn)生的豎向力)；(2)較低的側(cè)向剛度以延長隔震結(jié)構(gòu)的周期，使其與場地的特征周期錯開，并有效降低地震反應(yīng)；(3)能提供一定阻尼，耗散地震能量，并同時避免隔震層產(chǎn)生過大側(cè)向變形，使隔震層在罕遇地震下也能穩(wěn)定發(fā)揮作用?？紤]采用國內(nèi)常用隔震支座，技術(shù)相對成熟，計算分析相對簡單，產(chǎn)品質(zhì)量容易控制，并且考慮到橡膠支座的豎向剛度相對其他支座要小，對控制底部地鐵、鐵路造成的上部結(jié)構(gòu)振動及噪聲，有一定的幫助作用，因此本項目隔震層支座主要采用普通橡膠支座+鉛芯橡膠支座進行設(shè)計，層間隔震結(jié)構(gòu)簡圖[13]如圖1所示。

圖1 層間隔震結(jié)構(gòu)簡圖

普通橡膠支座(RB)采用的是適合其力學(xué)特性的線彈性模型

f=kv

(1)

式中，f為橡膠支座內(nèi)力；k為支座剛度；v為支座變形。

鉛芯橡膠支座(LRB)采用的是目前國內(nèi)常用的計算模型[14](圖2)，此鏈接單元對于兩個剪切變形有耦合的塑性屬性，且對其他4個變形有線性的剛度屬性，對每一個剪切變形自由度，可以獨立地指定線性或非線性的行為。若2個剪切變形自由度均為非線性，耦合的力-變形關(guān)系由下式確定

(2)

圖2 鉛芯橡膠支座單元模型

對于軸向變形和3個彎曲變形，其屬性是線性屬性，在隔震支座沒有拉應(yīng)力和存在拉應(yīng)力時，隔震單元的軸向保持線彈性特征，在進行模擬時只需要定義該方向的有效剛度，有效剛度在整個分析過程中保持不變，豎向恢復(fù)力模型如圖3所示。

圖3 鉛芯橡膠支座豎向恢復(fù)力計算模型

2.2 隔震層參數(shù)確定2.2.1 計算模型

由于本項目隔震塔樓主要為12層和6層結(jié)構(gòu)，在參數(shù)比選分析中，以一棟12層塔樓代表其余12層高塔樓，一棟6層塔樓代表其他6層高塔樓，并將底部平臺同時建模分析(圖4)，以了解隔震層參數(shù)變化對底部平臺的影響，最終同時考慮上、下兩部分結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)結(jié)果，以確定相對最優(yōu)的隔震層參數(shù)，采用彈性時程分析法進行計算比較，時程波采用一條上海人工時程波SHW1(與反應(yīng)譜特性基本接近)。

圖4 計算分析模型

本文采用線性時程分析方法，通過定義不同的支座線性等效側(cè)向剛度實現(xiàn)不同的隔震層剛度，通過對相應(yīng)的隔震層模態(tài)的等效阻尼比進行分別定義，從而實現(xiàn)隔震層在不同的等效周期及等效阻尼下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)?；诟粽鸾Y(jié)構(gòu)的常見等效周期和阻尼比，選用不同等效周期和等效阻尼來進行對比分析，如表1所示。

表1 隔震層等效周期及阻尼比

根據(jù)塔樓的中心與隔震層剛心重合的原理，且隔震層支座偏心不能大于上部結(jié)構(gòu)中心3%的要求，鉛芯橡膠支座布置在結(jié)構(gòu)的四周，提供抗扭剛度；由于橡膠支座不能提供側(cè)向剛度，布置在結(jié)構(gòu)的中間位置，各塔樓隔震支座布置如圖5、圖6所示，紅色為鉛芯橡膠支座，其余為橡膠支座。

圖5 12層塔樓隔震支座布置(紅色為LRB800)

圖6 6層塔樓隔震支座布置(紅色為LRB800)

2.2.2 計算結(jié)果

(1)首層剪力比

對應(yīng)于隔震層不同的周期和阻尼比，12層塔樓和6層塔樓X、Y方向首層隔震后剪力與非隔震剪力的比值如圖7～圖10所示。

圖7 12層塔樓首層X向剪力比

圖8 12層塔樓首層Y向剪力比

圖9 6層塔樓首層X向剪力比

圖10 6層塔樓首層Y向剪力比

通過對圖7～圖10研究，可以得出如下結(jié)論：

①塔樓首層剪力隨隔震層等效阻尼比增大而減小，隨隔震層等效周期增大而減小，且變化幅值較為明顯；

②當(dāng)隔震層等效周期在2.5 s以上，阻尼比大于0.15時，12層塔樓首層剪力與非隔震相比能降低至0.5倍以下，6層塔樓首層剪力與非隔震相比能降低至0.36倍以下。

(2)隔震層位移比較

對應(yīng)于隔震層不同的周期和阻尼比，12層塔樓和6層塔樓隔震層層間位移如圖11～圖14所示。

圖11 12層塔樓隔震層X方向?qū)娱g位移

圖12 12層塔樓隔震層Y方向?qū)娱g位移

圖13 6層塔樓隔震層X方向?qū)娱g位移

圖14 6層塔樓隔震層Y方向?qū)娱g位移

通過對以上結(jié)果的分析，可得到如下結(jié)論：

①對比隔震層位移變化，可以看到隔震層位移隨周期增加而增大，隨阻尼比增加而減??；

②12層塔樓及6層塔樓可選用相同隔震層參數(shù)時，隔震層位移值均相差不大，說明如選用相同隔震層參數(shù)，隔震后各塔樓隔震層位移值可以較為接近。

2.2.3 隔震層參數(shù)選用

由以上結(jié)果分析可知，隔震層周期在2 s以上，對上部塔樓均有明顯的減震效果；隔震阻尼比的增加對減小隔震層上部、下部結(jié)構(gòu)在地震作用下的剪力和隔震層層間位移均有幫助，但當(dāng)隔震層阻尼比超過15%以后，較高的阻尼比將會給隔震層支座的選取帶來一定的難度同時也會引起費用的增加。

由于本隔震項目處于四類場地，地震作用下的隔震層位移較大，故隔震層剛度及阻尼比均不宜太小，以控制隔震層在罕遇地震下的層間位移；同時，隔震層剛度過小，將會引起大底盤地震剪力放大，對大底盤設(shè)計不利，根據(jù)分析，隔震層等效周期在2.5s時，大底盤剪力基本不放大。

綜合考慮以上因素，本項目的隔震設(shè)計目標須滿足隔震后上部塔樓剪力能夠顯著減小，隔震后底部平臺剪力不致放大，并限制隔震層的位移不超過規(guī)范限值要求；因此本項目隔震層按照等效周期2.5s左右、等效阻尼比15%以上進行設(shè)計。

2.3 隔震支座選取

根據(jù)《上海建筑抗震設(shè)計規(guī)程》(DGJ08-9-2013)第12.2.6條：對橡膠隔震支座，罕遇地震下隔震支座變形不應(yīng)超過該支座有效直徑的0.5倍和支座內(nèi)部橡膠層總厚度2.0倍二者的較小值。

根據(jù)前述隔震層參數(shù)分析的初步結(jié)果，對于四類場地而言，隔震支座的變形均較大，故在經(jīng)濟合理的前提下優(yōu)先選用大直徑橡膠支座，以滿足罕遇地震下支座最大變形要求。故擬采用的橡膠支座的橡膠層總厚度均為200 mm，最小直徑為800 mm，此時隔震層極限變形限值可達400 mm。為提供較大阻尼，鉛芯橡膠支座的鉛芯采用φ160 mm，屈服力160 kN，減少隔震層水平位移。天然橡膠材料采用常用的G4規(guī)格，剪切彈性模量為0.4 N/mm2，經(jīng)換算和查閱相關(guān)資料，對φ800 mm鉛芯橡膠支座和普通橡膠支座的計算參數(shù)取值如表2所示。

表2 鉛芯橡膠支座和普通橡膠支座采用的計算參數(shù)

3 隔震效果分析

3.1 計算模型

整體計算分析采用通用有限元計算軟件MIDAS Gen和ETABS。底部大平臺及隔震層上部結(jié)構(gòu)的梁柱單元均采用空間梁柱線單元，剪力墻和大平臺樓板采用具有平面內(nèi)和平面外剛度的殼單元，隔震層上部結(jié)構(gòu)樓板采用具有平面內(nèi)剛度的膜單元，隔震支座采用非線性彈簧單元，計算模型如圖15所示。

圖15 整體三維計算模型

3.2 時程波選取及輸入方式

時程波選取《上海建筑抗震設(shè)計規(guī)程》(DGJ08—9—2013)附錄A提供的14條時程波曲線，其中時程波SHW1～SHW7對應(yīng)的場地特征周期0.9s(SHW1～2為人工波，其余為天然波)，可用于多遇地震和設(shè)防地震的時程分析；SHW8～SHW13對應(yīng)的場地特征周期為1.1 s(SHW8～SHW9為人工波，其余為天然波)，可用于罕遇地震下的時程分析。故本計算模型在彈性時程分析時選用SHW1～SHW7，并取計算結(jié)果平均值。彈塑性時程分析時采用SHW8～SHW13，地震波按三向輸入，即X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65或X∶Y∶Z=0.85∶1∶0.65。

3.3 隔震層上部結(jié)構(gòu)

在小震作用下，12層塔樓和6層塔樓樓層剪力比較如圖16～圖19所示。

圖16 12層塔樓中震下X方向剪力

圖17 12層塔樓中震下Y方向剪力

圖18 6層塔樓中震下X方向剪力

圖19 6層塔樓中震下Y方向剪力

通過對以上圖表分析，可得如下結(jié)果：

(1)12層塔樓，X方向樓層減震系數(shù)為0.3～0.4，Y方向樓層減震系數(shù)為0.3～0.6，滿足規(guī)范要求的減震系數(shù)0.3～0.7的要求，隔震層參數(shù)和支座選取滿足設(shè)計要求，施工圖設(shè)計不需要做調(diào)整；

(2)6層塔樓，X方向樓層減震系數(shù)小于0.3，Y方向樓層減震系數(shù)為0.25～0.34，不滿足規(guī)范要求的減震系數(shù)0.3～0.7的要求，施工圖設(shè)計時，減震系數(shù)按不低于0.3取用。

3.4 隔震層3.4.1 隔震層變形驗算

在罕遇地震作用下，根據(jù)《上海建筑抗震設(shè)計規(guī)程》(DGJ08—9—2013)第12.2.6條：對橡膠隔震支座，隔震層變形限值不應(yīng)超過該支座有效直徑的0.5倍和支座內(nèi)部橡膠層總厚度2.0倍二者的較小值。本工程采用的橡膠支座的橡膠層總厚度均為200 mm，最小直徑為800 mm，故隔震層極限變形限值應(yīng)為400 mm。各塔樓隔震與非隔震結(jié)果的時程下最大變形(由于輸入三向地震波，以下層位移取主方向和次方向的雙向組合位移值)如圖20～圖23所示。

圖20 12層塔樓罕遇地震作用下X方向位移

圖21 12層塔樓罕遇地震作用下Y方向位移

圖22 6層塔樓罕遇地震作用下X方向位移

圖23 6層塔樓罕遇地震作用下Y方向位移

由圖20～圖23可以看出，罕遇地震作用下，隔震層上部塔樓近似于平動，其中第7條時程波對隔震層的位移影響較大，隔震后隔震層變形平均值未超過400 mm，隔震層水平位移值滿足罕遇地震下變形要求。

3.4.2 隔震支座拉應(yīng)力驗算

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2011)12.2.4條規(guī)定：橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于1 MPa?！渡虾＝ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)程》(DGJ08—9—2013)第12.2.4-1條規(guī)定：橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于0.5 MPa。罕遇地震作用下，12層塔樓和6層塔樓隔震層隔震支座拉應(yīng)力如圖24～圖25所示。

圖24 罕遇地震作用下12層塔樓隔震層隔震支座的拉應(yīng)力

從圖24～圖25可見，12層塔樓有少數(shù)支座拉應(yīng)力超過0.5 MPa，但不超過1 MPa，超出《上海建筑抗震設(shè)計規(guī)程》小于0.5 MPa的規(guī)定，參考《上海建筑抗震設(shè)計規(guī)程》12.2.4條文說明，在隔震支座拉力超過0.5 MPa位置設(shè)置了抗拉裝置。

圖25 罕遇地震作用下6層塔樓隔震層隔震支座的拉應(yīng)力

4 結(jié)論

(1)高位層間隔震體系能夠解決鐵路上蓋物業(yè)開發(fā)豎向抗側(cè)力構(gòu)件無法落地的問題。

(2)合理選用隔震層的等效周期和阻尼比，對隔震層支座選型、上部結(jié)構(gòu)的隔震效果以及隔震層在罕遇地震作用下的變形至關(guān)重要。

(3)為避免結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆，控制隔震層隔震支座在罕遇地震作用下的拉應(yīng)力對整個結(jié)構(gòu)的安全非常重要，必要時可以增加抗拉裝置和粘滯阻尼器，以減小隔震支座的拉應(yīng)力。