阻尼器在地鐵上蓋物業(yè)設計中的應用

左迎輝，胡崢輝

（浙江青墨工程設計有限公司，浙江 杭州310012）

1 工程概況

隨著城市建設的不斷推進，地鐵作為高效的交通工具在越來越多的城市興建運行，與此同時，如何提高土地利用率，發(fā)展地鐵上蓋物業(yè)也越來越成為地鐵建設的重點［1-2］。

本工程位于浙江省寧波市鄞州區(qū)，下部兩層為已建地鐵維修車間（0～9.5 m）和汽車停車庫（9.5～14 m）。地鐵維修車間已投入使用，地鐵上蓋平臺平面為矩形，東西方向約384 m，南北方向約182 m，以抗震縫將大底盤劃分為8個獨立結構，分別為JGB1～JGB8。大底盤上共有13棟10層住宅，結構總高度44.5 m，14 m以下已建成的底部兩層為框架結構，上部新建單體采用現(xiàn)澆混凝土框架結構。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011—2016）》［3］《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》［4］，框架抗震等級為二級。平面示意見圖1。

圖1 項目平面示意

2 結構布置

由于項目的一些自身特點，設計存在較大難度：1）本工程在蓋下結構設計時，抗震設防烈度為6度，現(xiàn)由于《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011—2016）》更新，抗震設防烈度增加到7度，于是蓋上新建住宅應滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，蓋下已建成的結構也應按現(xiàn)行規(guī)范的要求進行復核；2）上部單體的位置相對于原始設計有較大改變，上部結構需要經(jīng)過兩次轉換；3）下部兩層已建成投入使用，尤其是0～9.5 m層地鐵維修車間難以進入改造加固。

基于上述原因，需要對上部結構采取一定的減震措施，降低結構的地震作用，增加一定的附加阻尼比。一方面，保證小震結構的整體指標滿足規(guī)范的要求，避免或減少1層地鐵用房的加固量和基礎的負擔；另一方面，提高整個結構的抗震性能，保證大震作用下結構的整體性能指標。

目前常用的減震技術有屈曲約束支撐，摩擦阻尼器，剪切型金屬阻尼器，粘彈性阻尼器，黏滯阻尼器。其中剪切型金屬阻尼器的原理是利用剪切板平面內(nèi)產(chǎn)生剪切變形以達到消能減震的目的，其滯回曲線穩(wěn)定，疲勞性能好，變形能力強，性能方面兼顧增加剛度和阻尼比。黏滯阻尼器為速度型相關阻尼器，滯回曲線飽滿，具有非常好的耗能能力，在結構設計布置的時候，一般布置在結構響應位移最大的位置。針對本工程的設計目標，結合現(xiàn)有減震技術的發(fā)展情況，最終選擇在9.5～14 m的車庫層設置黏滯阻尼器，上部住宅單體的山墻、分戶墻、樓梯、電梯間墻體設置金屬阻尼器。本工程采用的阻尼器參數(shù)見表1～3。

表1 X向剪切型阻尼器參數(shù)

表2 Y向剪切型阻尼器參數(shù)

表3 黏滯阻尼器參數(shù)

由于車庫層層間位移角較小，設置肘型布置，放大黏滯阻尼器的位移。見圖2。

圖2 阻尼器布置示意

3 結構計算分析

3.1 結構性能目標

對本工程不同類型的構件進行性能化設計，參考《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011—2016）》和《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程（JGJ 3—2010）》的相關要求，選取D級作為本樓的抗震性能目標，具體性能目標見表4。

表4 結構性能目標

3.2 附加阻尼比

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011—2016）》2010版12.3.4的要求，消能部件附加給結構的有效阻尼比可按下式估算：

式中：ξα為消能減震結構的附加有效阻尼比；

Wcj為第j個消能部件在結構預期層間位移Δμj下往復循環(huán)一周所消耗的能量，即滯回曲線的面積；

Ws為設置消能部件的結構在預期位移下的總應變能。

根據(jù)《建筑消能減震技術規(guī)程（JGJ 297—2013）》［5］規(guī)定：采用時程分析時，計算消能器附加阻尼比時，消能器兩端的相對水平位移Δμcj，質(zhì)點i的水平地震作用標準值Fi，質(zhì)點i對應于水平地震作用標準值的位移μi采用分析結果的包絡值。采用阻尼器后兩個方向的結構附加阻尼比結果見表5。

表5 結構附加阻尼比

3.3 多遇地震振型分解反應譜分析

采用盈建科公司的YJK進行了多遇地震的計算分析，采用CSI公司的ETABS進行復核對比。表6給出了對比結果，計算結果基本吻合。

表6 多遇地震YJK與ETABS結果對比

表7給出了YJK軟件計算的樓層側向剛度及比值，從表中數(shù)值可以看到，轉換層（2層）上下層側向剛度比為10.4，首層由于層高較高，側向剛度比為0.76，因此軟弱層出現(xiàn)在首層，設計時對1層考慮地震剪力放大系數(shù)1.25。

表7 樓層側向剛度及比值

表8給出了YJK軟件計算的樓層受剪承載力結果，樓層受剪承載力之比均大于0.8，滿足規(guī)范要求，結構不存在薄弱層。

表8 樓層受剪承載力比值

3.4 罕遇地震分析

采用ABAQUS進行罕遇地震下的動力彈塑性分析。分析采用5組天然波和2組人工地震波，多遇地震波選用1條人工波復核阻尼器的屈服情況。地震波由中國地震局工程力學研究所（哈爾濱）提供。設防地震及罕遇地震波均采用三向輸入（1∶0.85∶0.65）。

由于結構在承受地震作用之前已經(jīng)承受了恒荷載、活荷載等作用，而且恒荷載和活荷載對結構產(chǎn)生的位移和內(nèi)力對地震分析過程有較大影響，因此在地震分析之前需先進行靜力分析?？紤]到恒荷載是隨著施工過程的進展逐步施加在結構之上，所以首先對結構進行施工過程模擬分析。在分析過程中結構構件隨著施工階段的進行逐步被引入模型，相應的恒荷載也同時被引入計算模型。在施工階段完成之后，再把0.5倍的活荷載施加在整體結構上進行“附加恒＋0.5活”的荷載工況計算。在后續(xù)的地震分析中，重力荷載代表值（附加恒＋0.5活）一直作用在結構上。

在本工程的分析中，每1個樓層采用1個施工步，剪切型阻尼器后裝作為一個施工步，上述施工步完成后，對結構進行“附加恒＋0.5活”加載，共有14個加載步。

罕遇地震彈塑性分析中7組地震波作用下，整體結構在X、Y兩個主方向基底剪力平均值分別為111 319 kN和98 771 kN，對應的剪重比分別為19.6%和17.4%；上部結構在X、Y兩個主方向基底剪力平均值分別為21 757 kN和25 473 kN，對應的剪重比分別為17.8%和20.8%。

罕遇地震下不同地震波組對應的結構彈塑性層間位移角曲線見圖3。

圖3 不同波組對應的層間位移角曲線

在X方向的層間位移角平均值為1／76，在4層位置；在Y方向的層間位移角平均值為1／98，在5層位置。該結構在X、Y兩個方向最大層間位移角均滿足層間位移角≤1／50的限值要求。

結構在1層和2層進行了兩次轉換。在罕遇地震作用下，1層轉換梁未出現(xiàn)受壓損傷，梁內(nèi)鋼筋未進入塑性，受力性能良好。1層轉換柱出現(xiàn)受壓損傷，最大受壓損傷系數(shù)為0.18，柱內(nèi)鋼筋進入塑性，塑性應變最大值為1.439e－3，屬于中度損壞，中度損壞的柱子主要位于住宅樓的正下方。2層轉換梁未出現(xiàn)受壓損傷，3根梁的鋼筋進入塑性，塑性應變最大值為6.169e－4，小于1倍屈服應變，屬于輕微損壞。2層轉換柱出現(xiàn)受壓損傷，最大受壓損傷系數(shù)小于0.1，僅1根柱內(nèi)鋼筋進入塑性，塑性應變最大值為9.943e－5，屬于輕度損壞。上部塔樓除與阻尼器連接的框架梁柱外，框架梁出現(xiàn)受壓損傷，最大受壓損傷系數(shù)為0.2，梁內(nèi)鋼筋進入塑性，塑性應變最大值為3.175e－3，屬于中度損壞?？蚣苤霈F(xiàn)受壓損傷，最大受壓損傷系數(shù)小于0.1，柱內(nèi)鋼筋進入塑性，塑性應變最大值為1.831e－3，屬于輕度損壞。

在罕遇地震作用下，與剪切型阻尼器相連的框架梁未出現(xiàn)受壓損傷，梁內(nèi)鋼筋未進入塑性，受力性能良好。2層結構中僅2根與黏滯阻尼器相連的框架柱出現(xiàn)受壓損傷，最大受壓損傷系數(shù)小于0.1，柱內(nèi)鋼筋未進入塑性，屬于輕度損傷；其余柱未進入塑性，性能良好。

在罕遇地震作用下，剪切型阻尼器全部進入屈服，產(chǎn)生良好的耗能效果。

4 結 語

本文闡述了某地鐵上蓋物業(yè)工程使用阻尼器的結構設計與分析，得出以下結論：1）小震分析結構附加阻尼比X向為5.2%，Y向為6.14%。2）小震作用下黏滯阻尼器和底部樓層的剪切型阻尼器進入耗能狀態(tài)，中震和大震下所有阻尼器均進入耗能狀態(tài)。通過阻尼器耗能，消耗了地震能量，降低了地震力，并有效保護框架構件，實現(xiàn)了結構減震的目的。3）采用減震技術后，小震、大震作用下，結構的層間位移角均能滿足設計要求，結構構件能滿足設計要求，結構能實現(xiàn)預定的性能目標。

本文通過以上分析，論述了阻尼器在地鐵上蓋物業(yè)工程中的應用，可以為類似工程的結構設計提供參考。