崔俊偉

（中國中元國際工程有限公司，北京 100089）

0 引言

大底盤多塔結(jié)構(gòu)是一種被廣泛應(yīng)用于地鐵上蓋的結(jié)構(gòu)體系。相較于一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地鐵上蓋結(jié)構(gòu)具有底盤尺寸大、底盤豎向構(gòu)件分布不均、底盤首層高度大、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和多塔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。層間隔震體系是一種新型的隔震結(jié)構(gòu)形式，隔震層將整體結(jié)構(gòu)分為上部隔震結(jié)構(gòu)與下部抗震結(jié)構(gòu)兩部分，屬于“硬抗”與“軟隔”兩種方式的結(jié)合。

祁皚等［1］通過建立層間隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型分析發(fā)現(xiàn)，位置較低時(shí)，上部加速度與下部位移無明顯變化，與基礎(chǔ)隔震機(jī)理相似。周福霖等［2］通過對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，隨著隔震層位置下移，減震機(jī)理由TMD過渡為基礎(chǔ)隔震。隔震層位置越低，上部結(jié)構(gòu)的減震效果越明顯，而下部子結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)有放大現(xiàn)象。高劍平等［3］從隨機(jī)振動(dòng)理論出發(fā)，建立了基于能量的分段隔震參數(shù)優(yōu)化方法，通過對(duì)多參數(shù)進(jìn)行分析，得到了隔震層與總能量比值的規(guī)律。曹加良等［4］研究了雙質(zhì)點(diǎn)系簡化模型的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)對(duì)參數(shù)的敏感性。杜曉磊等［5］研究了近斷層脈沖地震作用下基礎(chǔ)隔震體系動(dòng)力響應(yīng)。相關(guān)研究主要集中于此類結(jié)構(gòu)在地震下的力和位移響應(yīng)，對(duì)加速度響應(yīng)的研究較少，加速度控制是保證結(jié)構(gòu)在地震中正常使用的重要手段，有必要對(duì)此類結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行探究，并對(duì)加速度響應(yīng)的控制進(jìn)行研究。

文中首先介紹了大底盤雙塔結(jié)構(gòu)的上下部結(jié)構(gòu)之間關(guān)系、體量、構(gòu)件截面及隔震支座參數(shù)及布置原則等信息，隨后采用ETABS軟件運(yùn)用彈性時(shí)程法對(duì)結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)進(jìn)行分析，探究了此類結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)規(guī)律，之后針對(duì)下部結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)較大的情況，提出了解決此問題的方法，并通過變換隔震支座參數(shù)研究了隔震層剛度對(duì)結(jié)構(gòu)加速度的影響。

1 工程概況

地鐵上蓋建筑由下部大底盤與蓋上塔樓組成。大底盤首層主要功能為列車檢修庫，層高為12m；2層為小汽車庫，層高為6m。大底盤采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在塔樓投影范圍內(nèi)的框架柱與大跨度轉(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土構(gòu)件。上部兩棟塔樓均為8層，塔樓長度均為36.0m，寬度均為16.8m，采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，地鐵上蓋結(jié)構(gòu)見圖1，塔樓及下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸見表1、表2。

圖1 地鐵上蓋模型

表1 塔樓剪力墻規(guī)格

表2 下部結(jié)構(gòu)截面規(guī)格mm

在底盤與塔樓之間設(shè)置隔震層形成層間隔震結(jié)構(gòu)，工程選用普通橡膠支座（LNR）和鉛芯橡膠支座（LRB）兩種類型的隔震支座。普通橡膠支座的水平剪切剛度接近線彈性，阻尼比為0.01～0.02；鉛芯橡膠支座的水平剪切剛度為雙線性，阻尼比為0.20左右，隔震支座布置見圖2。為了改善結(jié)構(gòu)的抗扭性能，將20個(gè)鉛芯橡膠墊沿周邊布置，7個(gè)普通疊層橡膠墊布置在中間。隔震墊在長期荷載作用下的面壓不大于15MPa，在罕遇地震作用下的面壓不大于30MPa，隔震支座參數(shù)見表3。

表3 隔震支座參數(shù)

圖2 隔震支座布置圖（單位：mm）

文中模型采用ETABS軟件進(jìn)行建模計(jì)算，下部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，梁柱采用桿單元模型，樓板采用殼單元；上部結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)，墻肢、連梁和樓板采用殼單元，框架梁為桿單元；隔震支座均采用Rubber Isolator與Gap單元共同模擬豎向拉壓非線性剛度，LNR為水平向線性，LRB具有水平向非線性屬性。

擬建場(chǎng)地8度設(shè)防，地震基本加速為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組第二組，Ⅲ類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期Tg=0.55s，地震影響系數(shù)αmax=0.45。選用兩條天然波與一條人工波進(jìn)行彈性時(shí)程分析，經(jīng)驗(yàn)算該地震波滿足相關(guān)規(guī)范［6］的要求，時(shí)程曲線與反應(yīng)譜對(duì)比見圖3，小震峰值加速度為70cm/s2，中震峰值加速度為200cm/s2，大震峰值加速度為400cm/s2，計(jì)算結(jié)構(gòu)為3條地震波的包絡(luò)值。

圖3 時(shí)程曲線與反應(yīng)譜對(duì)比

2 加速度響應(yīng)

對(duì)層間隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小中大震下的彈塑性分析，通過對(duì)比得出隔震結(jié)構(gòu)加速度的響應(yīng)特征，加速度響應(yīng)見圖4～圖6，其中樓層0對(duì)應(yīng)數(shù)值代表基底地震輸入加速度，樓層1～2層為大底盤，樓層3為隔震層，5～11層為上部剪力墻。

圖4 小震下隔震和非隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

圖5 中震下隔震和非隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

圖6 大震下隔震和非隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

由圖3可以看出，在使用隔震技術(shù)后，小震下上部結(jié)構(gòu)的加速度由1598mm/s2降至429mm/s2，加速度減震率為73.2%，下部結(jié)構(gòu)的加速度由1097mm/s2降至904mm/s2，加速度減震率為17.6%;由圖4可以看出，在使用隔震技術(shù)后，中震下上部結(jié)構(gòu)的加速度由4565mm/s2降至1057mm/s2，加速度減震率為76.8%，下部結(jié)構(gòu)的加速度由3062mm/s2增至3189mm/s2，加速度減震率為-4.15%；由圖5可以看出，在使用隔震技術(shù)后，大震下上部結(jié)構(gòu)的加速度由9131mm/s2降至2036mm/s2，加速度減震率為77.7%，下部結(jié)構(gòu)的加速度由6125mm/s2增至6879mm/s2，加速度減震率為-12.3%。

由此可得，隨著地震作用的增大，上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)隨之增大，采用隔震技術(shù)后，上部結(jié)構(gòu)的加速度減震率增大，下部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)也增加，但是采用隔震技術(shù)后，加速度減震率逐漸減小，在中震及大震下，下部結(jié)構(gòu)的加速度出現(xiàn)增大現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)的加速度控制形成不利影響。

3 隔震層剛度對(duì)加速度響應(yīng)的影響

3.1 變參數(shù)模型的建立

由文中分析可知，在采用層間隔震技術(shù)后，大底盤雙塔結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的加速度得到顯著抑制，地震作用的提高對(duì)其加速度減震效率有著有利影響；而下部結(jié)構(gòu)的加速度在采用隔震后增大，且隨著地震作用的增大，加速度減震效率逐漸降低。在通過調(diào)整參數(shù)，使層間隔震結(jié)構(gòu)的上部及下部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)均小于非隔震結(jié)構(gòu)。

相關(guān)研究表明，對(duì)于此類結(jié)構(gòu)，上下部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比和剛度比是影響減震效率的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于一般結(jié)構(gòu)，上下結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比基本確定，通過增減塔樓數(shù)量改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比經(jīng)濟(jì)性較差；而上部結(jié)構(gòu)的周期通常由隔震層的剛度決定，改變隔震層剛度可實(shí)現(xiàn)較小代價(jià)來改變結(jié)構(gòu)周期比的目的。

通過調(diào)整隔震支座的剛度為原模型支座的0.5、0.75、1.25和1.5倍進(jìn)行剛度的參數(shù)變化，分別建立剛度比為0.5、0.75、1、1.25和1.5的模型，驗(yàn)算其在小中大震下的加速度響應(yīng)，從而驗(yàn)證隔震層剛度對(duì)于此類結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的規(guī)律。

3.2 變參數(shù)模型的模擬結(jié)果

由圖7～圖9可看出，上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)隨著剛度比的增大而增大。當(dāng)剛度比從0.5增至1.5，小震上部結(jié)構(gòu)的加速度由329mm/s2增至543mm/s2，增幅為65.0%，中震上部結(jié)構(gòu)的加速度由733mm/s2增至1706mm/s2，增幅為132.7%，大震上部結(jié)構(gòu)的加速度由1540mm/s2增至3715mm/s2，增幅為141.2%。下部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)規(guī)律：當(dāng)剛度比從0.5增至1.5，小震下部結(jié)構(gòu)的加速度由978mm/s2降至921mm/s2，降幅為5.83%，中震下部結(jié)構(gòu)的加速度由3256mm/s2降至3165mm/s2，降幅為2.8%，大震下部結(jié)構(gòu)的加速度由6966mm/s2降至6859mm/s2，降幅為1.54%。

圖7 小震下隔震和非隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

圖8 中震下隔震和非隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

圖9 大震下隔震和非隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

由此可得，增大隔震層剛度對(duì)此類結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)為，上部結(jié)構(gòu)加速度增大，且隨著地震力的增大，加速度增幅加大，但上部結(jié)構(gòu)的加速度幅值仍未超過地面輸入加速度；下部結(jié)構(gòu)的加速度隨著隔震層剛度增大而減小，地震力增大，加速度降幅減小。因此，增大隔震層剛度對(duì)協(xié)調(diào)上下部結(jié)構(gòu)的加速度起到有利作用，上部結(jié)構(gòu)加速度雖增大，但并未超過地面運(yùn)動(dòng)加速度，下部結(jié)構(gòu)的加速度得到有效遏制。

4 結(jié)語

采用ETABS軟件進(jìn)行了隔震和非隔震結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的響應(yīng)規(guī)律總結(jié)，文中對(duì)不同隔震層剛度的模型進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

（1） 層間隔震技術(shù)可有效控制上部結(jié)構(gòu)的加速度，對(duì)抑制下部結(jié)構(gòu)的加速度影響較小，且地震力增大，加速度會(huì)出現(xiàn)放大現(xiàn)象。

（2） 增大隔震層剛度，上部結(jié)構(gòu)加速度放大，加速度量級(jí)及增幅在可接受的范圍內(nèi)，下部結(jié)構(gòu)的加速度得到有效控制。