某地鐵沿線高層住宅項(xiàng)目隔震設(shè)計(jì)與研究

俞 涵，戴君武，許德峰，程金永，程 博，施遠(yuǎn)航

（1.寧波東衡工程科技發(fā)展有限公司，浙江寧波315100；2.寧波市房屋建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江寧波315100；3.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150080）

隨著國內(nèi)城市軌道交通線路的大量運(yùn)營，城市軌道交通對(duì)沿線環(huán)境的不良影響，特別是振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲問題尤為凸顯，已引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。本文研究的這幢高層住宅正是擬建在地鐵沿線，建筑外輪廓線離地鐵盾構(gòu)的最小水平距離僅5 m，工程效果見圖1。在樁基施工過程中，發(fā)現(xiàn)地鐵運(yùn)行給所在場(chǎng)地帶來非常明顯的振動(dòng)影響，經(jīng)研究，采用增加隔震層的方式進(jìn)行隔震（振）設(shè)計(jì)以減輕上述振動(dòng)影響。

本文將主要闡述該地鐵沿線項(xiàng)目在已完成施工圖設(shè)計(jì)、建筑平立面規(guī)劃審批且樁基施工基本完成的情況下，采取相應(yīng)的隔震措施優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，可為在建或地鐵沿線規(guī)劃待建物業(yè)提供參考。

1 工程概況

圖1 隔震項(xiàng)目工程效果

本項(xiàng)目位于寧波市，總建筑面積約23萬m2，設(shè)置1～2層地下室，地上共21棟高層剪力墻住宅，對(duì)地鐵盾構(gòu)沿線50 m范圍內(nèi)的6棟高層住宅采取隔震措施。本文以15＃樓為例開展研究，建筑平面長75 m，原結(jié)構(gòu)在地下室以上部分設(shè)置抗震縫，將上部結(jié)構(gòu)分為A、B塔樓［1］。A塔樓建筑高度50.4 m，B塔樓建筑高度53.3 m，典型平面寬度均為12.4 m，高寬比分別為4.1和4.3，進(jìn)行了超限隔震結(jié)構(gòu)的抗震專項(xiàng)審查。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度7度（0.1 g），設(shè)計(jì)地震分組第一組，特征周期為0.45 s，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類建筑。

2 隔震設(shè)計(jì)抗震性能目標(biāo)

1）原結(jié)構(gòu)按規(guī)范要求中最大位移角限值及最小剪重比的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)偏柔，剪力墻為構(gòu)造配筋，框架梁配筋主要是豎向荷載控制，隔震措施的作用不在于上部結(jié)構(gòu)的配筋優(yōu)化，主要目標(biāo)是提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，保證上部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部人員、裝修與設(shè)備的安全。

2）依據(jù)《寧波市裝配式建筑預(yù)制率計(jì)算細(xì)則》的規(guī)定：“當(dāng)采用隔震技術(shù)時(shí)，應(yīng)滿足國家及地方相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，且隔震結(jié)構(gòu)底部剪力比（設(shè)防地震作用下，建筑隔震后與隔震前的上部結(jié)構(gòu)底部剪力之比）不應(yīng)大于0.5?！笨梢栽黾友b配式建筑預(yù)制率計(jì)算分值6分，本項(xiàng)目減震系數(shù)目標(biāo)定為0.5。

3）大震時(shí)上部結(jié)構(gòu)層間位移角不大于1／200。

3 隔震設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1）原建筑施工圖已完成并通過設(shè)計(jì)審查，建筑平立面均已通過規(guī)劃局審批，無法進(jìn)行大的調(diào)整，給隔震建筑的隔震層、隔震溝及抗震縫的設(shè)計(jì)帶來一定困難。

2）7度區(qū)18～20層剪力墻住宅，根據(jù)抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，第1周期2 s左右，場(chǎng)地特征周期0.45 s，周期點(diǎn)位于地震影響系數(shù)曲線下降段末段，采取隔震措施延長周期對(duì)降低地震作用的效果不明顯。

3）本工程樁基施工完畢，為保證樁基均勻受力，不產(chǎn)生補(bǔ)樁的情況，需布置較多數(shù)量的隔震支座，對(duì)既定減震系數(shù)目標(biāo)的達(dá)成提出了更高的要求，設(shè)計(jì)難度較大。

4 隔震設(shè)計(jì)

4.1 隔震層的選擇

由于項(xiàng)目報(bào)規(guī)已完成，地下室頂增設(shè)隔震層將影響建筑高度，無法采用該設(shè)計(jì)方案。

由于原設(shè)計(jì)主樓部分位于地下室內(nèi)，局部位于地下室外，地下室外部分設(shè)置2.85 m高的結(jié)構(gòu)空腔且主樓基礎(chǔ)底板頂標(biāo)高不在同一水平面上，故無法采用基礎(chǔ)隔震的方案。結(jié)合建筑專業(yè)的凈高要求，以及設(shè)備專業(yè)的各類管線布置需要，將隔震支座設(shè)置在地下室頂板下1 m的位置（轉(zhuǎn)換梁高度0.9 m）。隔震層剖面示意見圖2。

圖2 隔震層剖面示意

4.2 隔震支座布置及參數(shù)

本項(xiàng)目樁基施工已完成，原設(shè)計(jì)樁基根據(jù)上部剪力墻的形式布置，且現(xiàn)場(chǎng)沒有補(bǔ)樁的條件。見圖3。因此上下支墩設(shè)計(jì)時(shí)，支墩截面盡量包住上部剪力墻，滿足上部剪力墻的豎向荷載作用合力點(diǎn)與支墩的形心重合，同時(shí)支墩上應(yīng)均勻布置多個(gè)隔震支座，以保證底部樁基受力均勻，布置關(guān)系見圖4。原電梯井處的剪力墻底布置了樁基，因此電梯井采用支撐式，底部使用滑板隔震支座，以滿足樁基承載力的要求。

考慮到上部結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向剛度差異較大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，隔震支座布置時(shí)，基本原則是隔震層的剛度中心和質(zhì)量中心盡量重合，鉛芯隔震支座布置在平面外周，普通橡膠支座布置在平面內(nèi)部以增加隔震層的抗扭剛度。由于隔震層上部為雙塔結(jié)構(gòu)，考慮到單塔的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在抗震縫的下部，布置適量的鉛芯隔震支座，形成與上部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)的隔震層以提高隔震效率。

圖3 隔震層剖面示意

圖4 BIM 構(gòu)件關(guān)系（局部）

隔震層由鉛芯橡膠隔震支座（LRB）、疊層橡膠隔震支座（LNR）、滑板支座（ESB）組成，共計(jì)使用LRB 44個(gè)、LNR 41個(gè)、ESB 18個(gè)，電梯井處采用滑板支座，隔震支座布置見圖5，隔震支座參數(shù)見表1、表2，滑板支座參數(shù)見表3。

表1 鉛芯橡膠隔震支座參數(shù)

表2 疊層橡膠隔震支座參數(shù)

表3 滑板支座參數(shù)

4.3 分析模型的建立與驗(yàn)證

本工程采用PKPM和ETABS軟件對(duì)比分析，非隔震模型在兩種軟件下，整體指標(biāo)對(duì)比見表4。ETABS軟件采用Gap縫單元和Isolter1隔震單元并聯(lián)的方式模擬隔震支座，Isolter1隔震單元的豎向剛度取隔震支座的豎向壓剛度的1／10，Gap縫單元的豎向剛度取隔震支座壓剛度的9／10，縫隙取0。此方法計(jì)算的隔震支座豎向抗壓剛度為Gap縫單元和Isolter1隔震單元?jiǎng)偠戎?，抗拉剛度為Isolter1隔震單元?jiǎng)偠取８粽鹎芭c隔震后自振周期對(duì)比詳見表5。

表4 PKPM與ETABS非隔震模型整體指標(biāo)對(duì)比

表5 隔震前與隔震后自振周期對(duì)比（ETABS結(jié)果）

4.3.1 隔震支座重力荷載代表值下壓應(yīng)力驗(yàn)算

在重力荷載代表值（1.0恒載＋0.5活載）作用下，支座壓應(yīng)力驗(yàn)算見表6，滿足規(guī)范要求。同時(shí)，各尺寸支座壓應(yīng)力值較接近。

表6 隔震支座壓應(yīng)力驗(yàn)算

4.3.2 隔震層抗風(fēng)驗(yàn)算

隔震層的抗風(fēng)驗(yàn)算見表7，風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平剪力最大值為2 987 kN，小于結(jié)構(gòu)總重（304 206 kN）的10%。

表7 隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算

4.3.3 隔震支座彈性恢復(fù)力驗(yàn)算

隔震支座彈性恢復(fù)力驗(yàn)算［2］見表8，滿足規(guī)范要求。

圖5 隔震支座布置

表8 隔震橡膠支座彈性恢復(fù)力驗(yàn)算

4.3.4 隔震層的偏心率驗(yàn)算

隔震層偏心率是隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要指標(biāo)，日本和中國臺(tái)灣地區(qū)的規(guī)范明確規(guī)定隔震層偏心率不應(yīng)大于3%。見表9。

表9 整體隔震結(jié)構(gòu)的偏心率

4.4 地震動(dòng)選擇

本工程選取以7度（0.10g）反應(yīng)譜為設(shè)計(jì)目標(biāo)譜，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)及塔樓A、塔樓B的主要周期點(diǎn)，共同選取5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程。多組時(shí)程的平均地震影響系數(shù)曲線，應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法中所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。7條時(shí)程反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜曲線見圖6。

4.5 主樓隔震分析

A塔樓、B塔樓及整體結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下，進(jìn)行7條地震動(dòng)的各層平均減震系數(shù)計(jì)算，最大值分別為0.49、0.49、0.5，減震系數(shù)取包絡(luò)值為0.5，滿足預(yù)期目標(biāo)要求。

通過7條地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)在多遇、設(shè)防、罕遇地震下的減震系數(shù)計(jì)算，分別為0.61、0.5、0.45。小震下充分發(fā)揮主體結(jié)構(gòu)的抗震性能，在中大震甚至超大震作用下隔震支座發(fā)揮良好的隔震效果，保證結(jié)構(gòu)在中大震下的安全性［3］。

圖6 設(shè)防地震主方向7條時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線

4.6 罕遇地震支座位移、拉、壓應(yīng)力驗(yàn)算

使用7條地震動(dòng)時(shí)程，分別在罕遇地震下（輸入時(shí)程的加速度峰值為0.22 g，三向輸入1∶0.85∶0.65），對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析，根據(jù)不同驗(yàn)算目的，選擇不同的荷載組合。

4.6.1 罕遇地震下隔震支座最大拉壓應(yīng)力驗(yàn)算

隔震支座面壓驗(yàn)算采用的荷載組合為（1.0×恒荷載＋0.5×活荷載）±1.0×水平地震＋0.4豎向地震。最大面壓為23.4 MPa，滿足規(guī)范要求的30 MPa。

隔震支座拉應(yīng)力驗(yàn)算采用的荷載組合為0.9×恒荷載±1.0×水平地震－0.5x豎向地震，最小壓應(yīng)力為2.0 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4.6.2 罕遇地震下隔震支座最大位移驗(yàn)算

罕遇地震下隔震層水平位移計(jì)算采用的荷載組合為1.0x恒荷載＋0.5x活荷載＋1.0x水平地震，得到7條地震動(dòng)作用下各個(gè)支座水平位移最大平均水平位移163 mm，小于0.55D及3T r的較小值330 mm，滿足要求。

4.6.3 罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)位移角驗(yàn)算

罕遇地震下7條地震動(dòng)（輸入時(shí)程的加速度峰值為0.22 g，雙向輸入1∶0.85），隔震結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為1／446＜1／120，見圖7。遠(yuǎn)小于規(guī)范要求限值，結(jié)構(gòu)在大震作用下安全性能可靠。

圖7 XY向較大值位移角

5 多塔結(jié)構(gòu)隔震與非隔震結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力對(duì)比

本工程建筑平面長75 m，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過設(shè)置160 mm寬的抗震縫，將地下室以上結(jié)構(gòu)分為A、B塔樓，如采用各塔樓分別進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的方式，為保證各塔樓在地震作用下不發(fā)生碰撞，須將隔震縫設(shè)置得較寬；但樁基施工已完畢，建筑平立面已報(bào)規(guī)，無法增加抗震縫寬度，所以采用隔震層頂板將A、B塔樓連成整體，使隔震層整體協(xié)同工作，保證上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形一致。

降溫對(duì)水平構(gòu)件產(chǎn)生樓層平面內(nèi)拉力，對(duì)豎向構(gòu)件產(chǎn)生向內(nèi)的拉力；升溫則反之。水平構(gòu)件平面內(nèi)壓力對(duì)混凝土構(gòu)件影響較小，可以忽略，設(shè)計(jì)僅需要考慮平面內(nèi)的拉力影響；豎向構(gòu)件則應(yīng)考慮推力和拉力的影響。本項(xiàng)目在夏季施工，降溫的溫差較大，所以對(duì)結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)僅考慮降溫的影響，適當(dāng)考慮混凝土收縮當(dāng)量溫差，結(jié)構(gòu)計(jì)算總溫差為－35℃。

5.1 非隔震與隔震結(jié)構(gòu)變形對(duì)比分析

通過計(jì)算分析非隔震及隔震結(jié)構(gòu)的降溫工況，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體都發(fā)生了收縮變形。非隔震結(jié)構(gòu)由于豎向構(gòu)件底部受到較強(qiáng)的約束，底部2層變形相對(duì)較大，上部結(jié)構(gòu)相對(duì)變形非常小，水平絕對(duì)位移從下往上不斷增大，整體結(jié)構(gòu)變形見圖8。隔震結(jié)構(gòu)由于底部設(shè)置隔震支座，底部約束得到釋放［4］，上部結(jié)構(gòu)相對(duì)變形接近自由變形，見圖9。從模型中選取角點(diǎn)1為代表（角點(diǎn)1見圖5），隔震結(jié)構(gòu)的絕對(duì)位移量為非隔震結(jié)構(gòu)的水平位移量的2倍左右，見圖10。

圖8 非隔震結(jié)構(gòu)變形

圖9 隔震結(jié)構(gòu)變形

圖10 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)角點(diǎn)1絕對(duì)位移對(duì)比

隔震結(jié)構(gòu)溫度工況的變形主要集中體現(xiàn)在隔震支座上，通過圖11可知，隔震支座的變形量同支座與平面溫度應(yīng)力中心的距離成正比，平面兩端的變形量最大，應(yīng)注意平面兩端的隔震支座位移量是否超容許水平偏差［5］，對(duì)超長結(jié)構(gòu)應(yīng)采取設(shè)置后澆帶、膨脹加強(qiáng)帶等措施［6］。

5.2 非隔震與隔震結(jié)構(gòu)隔震層樓板應(yīng)力對(duì)比分析

圖11 隔震支座坐標(biāo)與變形的關(guān)系

本項(xiàng)目通過底部隔震層將上部兩個(gè)單塔連成整體，隔震層平面超長，底部區(qū)域溫度應(yīng)力較大。通過對(duì)非隔震和隔震結(jié)構(gòu)底層樓板進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，在降溫工況下，非隔震結(jié)構(gòu)底層樓板的溫度應(yīng)力中間最大，往兩側(cè)逐步減小，中間最大溫度應(yīng)力為2.5 MPa，混凝土強(qiáng)度采用C35（抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.2 MPa），此處樓板需配溫度應(yīng)力筋。隔震結(jié)構(gòu)隔震層樓板溫度應(yīng)力遠(yuǎn)小于非隔震結(jié)構(gòu)，隔震支座對(duì)建筑底部的約束釋放，極大地降低了上部結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。非隔震與隔震結(jié)構(gòu)底層樓板溫度應(yīng)力對(duì)比見圖12。

圖12 非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)底層樓板應(yīng)力云圖

6 結(jié) 語

1）針對(duì)多塔樓底部進(jìn)行整體隔震設(shè)計(jì)是可行的，由于柔性隔震層的存在，既阻斷了地震力往上部結(jié)構(gòu)傳遞，保證了結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時(shí)釋放了結(jié)構(gòu)底部的約束，降低了上部結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力作用。

2）隔震層以上結(jié)構(gòu)可不受《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010—2010）》［7］表 8.1.1規(guī)定的伸縮縫間距的限值，但平面超長的隔震層應(yīng)對(duì)溫度應(yīng)力及混凝土收縮采取應(yīng)對(duì)措施，防止平面端部隔震支座變形過大，相關(guān)問題需進(jìn)一步研究。

3）在低烈度區(qū)常發(fā)生超烈度地震，提出采用提高隔震層屈服水平，僅在中大震下發(fā)揮良好的隔震效果，是不錯(cuò)的設(shè)計(jì)思路。

4）剪力墻結(jié)構(gòu)單片墻底采用雙支座或多支座轉(zhuǎn)換，使結(jié)構(gòu)豎向傳力直接，隔震層轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力均勻，相較于剪力墻下單支座的布置方式，結(jié)構(gòu)可靠性大大提高，是值得推廣的隔震支座布置方案。

5）多塔結(jié)構(gòu)采取隔震措施，地震動(dòng)選取建議以整體結(jié)構(gòu)及各塔樓的主要周期點(diǎn)進(jìn)行選取，保證隔震結(jié)構(gòu)的底部剪力滿足規(guī)范要求，非隔震結(jié)構(gòu)的底部剪力與反應(yīng)譜的比值要求可適當(dāng)放松。

6）采用增設(shè)隔震層的方案解決地鐵振動(dòng)引起的豎向振動(dòng)問題，需待進(jìn)一步研究。

7）本文涉及的多塔結(jié)構(gòu)隔震層選擇、隔震支座布置、上下支墩的設(shè)計(jì)方式等均是針對(duì)本工程的特殊情況提出，也可供相似工程借鑒及對(duì)比。