層間隔震技術(shù)在地鐵車輛段上蓋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析

張 碩

(北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044)

1 概述

進入21世紀(jì)以來，隨著城市的快速建設(shè)與發(fā)展，城市的土地資源日益緊缺，為了更合理的利用土地資源，借鑒我國香港城市發(fā)展的相關(guān)案例，發(fā)展地鐵車輛段上蓋空間就成為了一個有效的途徑。地鐵作為當(dāng)下城市里快捷與方便的交通方式，深受人們的青睞。地鐵車輛段作為城市軌道交通的停車庫與檢修庫，其通常來說需要占用很大的城市土地面積，因此可以在其上蓋空間規(guī)劃建設(shè)住宅小區(qū)和商業(yè)區(qū)，充分利用其商業(yè)價值，使居民享受到便利的交通方式與完善的生活設(shè)施[1]。

地鐵車輛段上蓋建筑作為一種特殊的結(jié)構(gòu)體系，通常來說，其設(shè)計往往會面臨許多與常規(guī)建筑不同的問題。特別對于如北京這樣的高烈度地震區(qū)時，其抗震設(shè)計更顯得尤為重要。若按常規(guī)方法進行抗震設(shè)計，勢必會導(dǎo)致原有結(jié)構(gòu)的抗震承載力不足，同時由于地鐵相關(guān)規(guī)范的要求，對于下部大平臺結(jié)構(gòu)(車輛段的運營區(qū)域為大跨度大空間結(jié)構(gòu))，其結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的布置位置和截面均有嚴格的限制。因此，為解決這一困難，我們擬選用層間隔震技術(shù)與地鐵車輛段上蓋建筑相結(jié)合。

隔震技術(shù)是指將隔震層設(shè)立在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層之間，使地震作用被隔震層所阻斷，延長結(jié)構(gòu)的自振周期，避開場地的卓越周期，從而使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)降低，結(jié)構(gòu)的安全得以保證。通過對隔震層的位置不同進行劃分，我們可以將隔震體系分為基礎(chǔ)隔震與層間隔震。層間隔震是將隔震層設(shè)置在建筑物某層(下部幾層)，其設(shè)置較為靈巧，使建筑使用方面的要求得以滿足。對于地鐵車輛段上蓋空間開發(fā)，根據(jù)已有工程經(jīng)驗，多采用層間隔震。主要原因在于運用庫內(nèi)存在檢查坑使得地梁無法拉結(jié)，對于基礎(chǔ)隔震方案來說是無法滿足隔震構(gòu)造要求的，所以不推薦使用[2，3]。

2 模型建立

2.1 工程背景

模型采用一棟12層的大平臺框剪結(jié)構(gòu)，模型見圖1，根據(jù)車輛段使用功能要求，大平臺層高為13.5 m，分為1層9 m高的運用庫；2層4.5 m高的小汽車庫。大平臺柱網(wǎng)尺寸為9.8 m×8.9 m，見圖2，上部塔樓層高均為3.5 m，見圖3。利用YJK軟件進行建模，隔震模型與非隔震模型的區(qū)別在于第三層，即隔震層柱底的不同。隔震模型在第三層柱底設(shè)置隔震支座，非隔震模型在第三層柱底設(shè)為鉸接。該工程抗震設(shè)防烈度為8度(0.20g)，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第一組，場地特征周期為0.45 s。

2.2 隔震支座的布置與選型

由于大平臺結(jié)構(gòu)與上部單塔結(jié)構(gòu)之間存在剛度突變，且上部住宅剪力墻無落地條件，只能置于小汽車庫頂板，上部結(jié)構(gòu)墻、柱需要進行全部轉(zhuǎn)換，因此將隔震轉(zhuǎn)換層設(shè)置在住宅底部，使上部框架剪力墻結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)得以減小。同時下部框架結(jié)構(gòu)也因上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的降低，其受力狀況得到改善，提高了整個結(jié)構(gòu)體系的抗震性能[4]。隔震層由隔震支座組成，根據(jù)水平向減震系數(shù)確定支座的數(shù)量，本文選用某隔震技術(shù)公司生產(chǎn)的鉛芯橡膠支座，型號為G4.0-LRB600，具體參數(shù)如表1所示。

表1 隔震支座參數(shù)

3 抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析

3.1 地震波的選取

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》，該工程選取實際5條天然波和2條人工波。7條波的平均譜與規(guī)范譜在統(tǒng)計意義上是相符的，且經(jīng)過計算，彈性時程分析時每條波計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力是不小于振型分解反應(yīng)譜法計算的65%，7條波平均值也是不小于80%，滿足規(guī)范要求。規(guī)范譜與平均譜如圖4所示。

3.2 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)自振特性分析

結(jié)構(gòu)自振周期和振型是其固有的動力特性，與結(jié)構(gòu)所受的外荷載和動力激勵無關(guān)，只取決于結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量大小及分布。用YJK建立隔震模型后，隔震前與隔震后結(jié)構(gòu)的主要周期對比如表2所示，可見隔震后的結(jié)構(gòu)自振周期明顯延長，隔震效果明顯。

表2 隔震與非隔震模型周期對比

3.3 地震作用下分析

在8度設(shè)防的地震作用下，對非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)進行了7個工況下的動力時程分析，得到了兩種結(jié)構(gòu)的層間剪力平均值及其比值,如表3所示。

表3 隔震模型與非隔震模型層間剪力比值

由表3可知，隔震模型與非隔震模型的最大剪力比值在第4層出現(xiàn)，其數(shù)值為0.347 7，上部結(jié)構(gòu)地震力顯著降低，減震效果良好。

隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)，其層間傾覆力矩平均比值如表4所示。

表4 隔震模型與非隔震模型層間傾覆力矩比值

由表4可知，隔震模型與非隔震模型的樓層傾覆力矩比值的平均值最大為0.341 6，且結(jié)構(gòu)層間剪力及其比值的平均最大值為0.347 7，減震系數(shù)0.27<β=0.347 7<0.40。此模型設(shè)置隔震墊之后結(jié)構(gòu)能達到降低1度目標(biāo)，即從8度0.2g降低到7度0.10g。可按抗規(guī)要求上部計算水平地震影響系數(shù)按7度0.10g取0.08。

4 結(jié)語

1)隔震技術(shù)應(yīng)用于地鐵車輛段上蓋結(jié)構(gòu)具有較強的安全性，結(jié)構(gòu)的自振周期延長，且在地震作用下結(jié)構(gòu)的樓層剪力和層間傾覆力矩減小明顯，可以滿足工程抗震能力的承載力要求。2)本工程采用隔震技術(shù)后，隔震層上部結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度可以降低1度，但若上部結(jié)構(gòu)隔震與非隔震層間剪力或?qū)娱g傾覆力矩比超過0.40則不能降低設(shè)防烈度，此時可考慮對隔震支座的平面布置進行優(yōu)化。3)利用層間隔震技術(shù)，與傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法相比，可較好解決地鐵車輛段上部空間開發(fā)中遇到的剛度和質(zhì)量突變問題，希望給類似的實際工程以參考。