采用層間隔震的車輛段上蓋剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能探討

嚴(yán)小勇　裴洪濤

摘 要：主要研究采用層間隔振的車輛段上蓋剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析，介紹了國內(nèi)車輛段上蓋開發(fā)現(xiàn)狀，對隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，并對層間隔振車輛段上蓋剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了詳細(xì)討論，車輛段上蓋結(jié)構(gòu)的開發(fā)是城市土地集約化利用的重要途徑，有著很高的研究價(jià)值。

關(guān)鍵詞：層間隔震；車輛段；抗震性能

城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，交通逐漸擁堵，為了緩解交通壓力，城市軌道交通逐漸發(fā)展起來。開發(fā)車輛段大平臺上蓋，成為城市土地資源集約化利用的一種重要形式。有軌道交通中的車輛段是供給車輛存放、檢修、管理的場所，主要有檢修車輛段和運(yùn)用停車場等結(jié)構(gòu)。每一條軌道交通線路至少有一個(gè)車輛段，并且通常都設(shè)置在線路的始末位置。車輛段上蓋上有著很大面積規(guī)模，所以進(jìn)行車輛段上蓋開發(fā)有著可觀的前景。

1 國內(nèi)車輛段上蓋開發(fā)現(xiàn)狀

城市軌道交通是在城市發(fā)展到一定程度之后出現(xiàn)的，國內(nèi)的車輛段物業(yè)開發(fā)最早的是香港，投入運(yùn)營已經(jīng)有幾十年的時(shí)間。香港土地資源稀缺，所以土地資源的集約化開發(fā)程度很高。香港隊(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能要求和國內(nèi)有著一定的差別，要求能夠承受250公里/h的陣風(fēng)，所以實(shí)際上香港的建筑有著很強(qiáng)的抗載荷能力。香港將軍澳車輛段的“日出康城”項(xiàng)目上蓋有42-59層建筑，通過高密度墻柱將荷載傳遞給車輛段平臺梁柱，有著明顯的商業(yè)效應(yīng)。

北京作為首都，軌道交通也比較發(fā)達(dá)，例如北京地鐵八王墳車輛段的開發(fā)，上部的6-9層為經(jīng)濟(jì)適用住宅小區(qū)，建筑面積達(dá)到了54.6萬m2。在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)下部結(jié)構(gòu)已經(jīng)建成，發(fā)現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)在建設(shè)上部結(jié)構(gòu)之后抗震性能難以滿足要求，于是在平臺二層頂和上部住宅之間設(shè)置隔震層，通過兩個(gè)功能不同結(jié)構(gòu)的聯(lián)通提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，滿足了物業(yè)開發(fā)需要，保證了上部結(jié)構(gòu)的安全性。

南京地鐵一號線南沿線車輛和配套開發(fā)工程在一號線南延末端，在車庫區(qū)大平臺上設(shè)置變形縫劃分平臺為結(jié)構(gòu)單體，在單體上開發(fā)住宅，住宅樓底部和車庫平臺之間設(shè)置了橡膠震支座，顯著改善了結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。

通過對國內(nèi)各大城市車輛段上蓋開發(fā)現(xiàn)狀的研究，發(fā)現(xiàn)仍然存在著一些技術(shù)上的問題。在國內(nèi)，車輛段上蓋的開發(fā)主要是住宅建筑，在豎向構(gòu)件不連續(xù)等因素的影響下，結(jié)構(gòu)的適用高度在進(jìn)一步降低，結(jié)構(gòu)的整理抗震性能也是設(shè)計(jì)中面臨的比較棘手的問題。但是在實(shí)際開發(fā)中，開發(fā)商會要求更高的層數(shù)，希望減少梁柱和墻角，為此很多設(shè)計(jì)方案都在上部結(jié)構(gòu)采用了剪力墻方案，但是上蓋上的橫向剪力墻不能接地，無法滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2 隔震結(jié)構(gòu)

層間隔震結(jié)構(gòu)主要有兩質(zhì)點(diǎn)模型、三質(zhì)點(diǎn)模型、多質(zhì)點(diǎn)模型三種類型。兩質(zhì)點(diǎn)模型簡化隔震層上下結(jié)構(gòu)為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，是一種比較簡單的模式，適用于隔震層上蓋高度不大的結(jié)構(gòu)。三質(zhì)點(diǎn)模型上部、隔震層和下層結(jié)構(gòu)均視作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，對不同位置的剛度和質(zhì)量變化充分考慮，對結(jié)構(gòu)受力行為反應(yīng)較好，對層間隔振結(jié)構(gòu)影響參數(shù)有著較好的描述。多質(zhì)點(diǎn)模型假設(shè)樓層平面剛度無窮大，濃縮每一樓層為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，適用于計(jì)算機(jī)模擬，不適用于理論推導(dǎo)。

2.1 隔震措施

建筑結(jié)構(gòu)主要有以下幾種措施抵抗地震：（1）增加截面。增加截面能夠顯著提高結(jié)構(gòu)剛度，是一種剛性設(shè)計(jì)方案。（2）降低結(jié)構(gòu)剛度。為柔性設(shè)計(jì)方案，但是可能會影響結(jié)構(gòu)使用功能。（3）底層設(shè)置為薄弱層。通過第一層的塑形變形吸收地震傳遞的能量。（4）通過次要結(jié)構(gòu)件的塑形鉸吸收地震能量，延性設(shè)計(jì)方案、設(shè)置阻尼結(jié)構(gòu)，消耗地震傳輸能量。傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)都使用延性設(shè)計(jì)方案，這種結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)肯定會造成結(jié)構(gòu)破壞。為了改善這種設(shè)計(jì)的不足之處，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制技術(shù)以及工程結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)不斷發(fā)展起來。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵性問題

2.2.1 地震波選取。進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)時(shí)程分析時(shí)至少選用兩組地震記錄以及一組人工模擬加速度時(shí)程曲線。時(shí)程分析時(shí)要輸入地震波加速度時(shí)程，但是地震波的特性中對抗震工程比較重要的主要有：最大振幅、持續(xù)時(shí)間、包絡(luò)曲線、振動(dòng)周期、能量等。

2.2.2 隔震支座受拉傾覆。支座使用不當(dāng)會造成隔震結(jié)構(gòu)的整體傾覆和受拉。為此，需要合理布置豎向構(gòu)件，控制隔震支座的受拉，大直徑隔震支座允許較大的變形，而且支座后部重力能夠抵抗傾覆。

2.2.3 彈塑性簡化分析。使用軟件進(jìn)行線性結(jié)構(gòu)分析速度快，比較準(zhǔn)確但是彈塑性分析卻比較難以實(shí)現(xiàn)。隔震層以上結(jié)構(gòu)通常都是線性或者微塑形結(jié)構(gòu)，進(jìn)行層間隔震結(jié)構(gòu)彈塑性分析可將隔震層上部結(jié)構(gòu)視作彈性結(jié)構(gòu)，進(jìn)行非線性分析相對簡單。

3 層間隔振車輛段上蓋剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

車輛段大平臺結(jié)構(gòu)性能對整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性都有著重要的影響。車輛段大平臺框架會產(chǎn)生較大變形，抗震設(shè)計(jì)中要考慮最大程度減少底部框架的受力和變形程度，但是車輛段結(jié)構(gòu)比較特殊，增加截面的方式是不經(jīng)濟(jì)的。

3.1 耗能腋撐

設(shè)置腋撐能夠改善框架的力學(xué)性能，提高框架抗震性能，并且效果和腋撐到梁端的距離有關(guān)。通過對結(jié)構(gòu)抗震性能的分析，發(fā)現(xiàn)腋撐為粘滯阻尼器時(shí)，結(jié)構(gòu)層剪力以及頂層加速度都明顯下降，能夠消耗輸入能量的45%左右。腋撐使用粘彈性阻尼器不會對結(jié)構(gòu)剪力和位移產(chǎn)生影響，但是耗能較小，僅為輸入能量9%左右。通過地震模擬分析，發(fā)現(xiàn)小震下框架設(shè)置粘滯阻尼腋撐，框架基底剪力下降幅度最大，而且框架內(nèi)力明顯減少。大震下的粘滯阻尼器耗能曲線比較飽滿，說明減震效果良好。

3.2 首層柱頂設(shè)置隔震層

設(shè)置耗能腋撐能夠提高抗震性能，延緩框架珠頂塑形鉸，但是在加腋位置以及柱角位置的內(nèi)力都會增加，導(dǎo)致柱腳塑性鉸產(chǎn)生，最終造成破壞。按照減震不如隔震的理念，我們設(shè)置一層隔震層。

在基礎(chǔ)周邊設(shè)置隔離縫，不阻礙隔震層在罕遇地震下發(fā)生的變形，為了不影響車輛段大平臺的使用功能，柱底不適宜設(shè)置拉梁。按照上部結(jié)構(gòu)重量以及基準(zhǔn)面壓，按照抗震設(shè)計(jì)規(guī)程布置隔震支座?？紤]單向地震波，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析將隔震支座視作非線性，其余均視作線性，一層隔震是在大平臺和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震，二層隔震是在首層柱頂設(shè)置隔震。在首層柱頂同樣設(shè)置隔震，無論是大小地震工況，結(jié)構(gòu)剪力情況均優(yōu)于設(shè)置耗能角撐。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)交通方式不再滿足城市人民出行的要求，發(fā)展城市軌道交通成為緩解城市交通壓力的重要途徑。但是軌道交通中的車輛段上蓋規(guī)模很大，造成了一定的土地資源浪費(fèi)，通過對土地上蓋的合理開發(fā)，建設(shè)商業(yè)或者民用建筑，能夠獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，也是城市的一大亮點(diǎn)，通過修建上蓋建筑，避免了上蓋對城市整體美觀的影響，恢復(fù)和城市生態(tài)空間，同時(shí)提高了城市土地資源的利用率，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和商業(yè)潛力的充分發(fā)掘?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄈ谫Y拓寬了渠道，對城市軌道交通的長遠(yuǎn)發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。

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