高烈度區(qū)地鐵上蓋結(jié)構(gòu)層間隔震設(shè)計(jì)研究

束偉農(nóng)， 盧清剛， 閤東東， 趙 帆， 史炎升， 詹延杰， 呼延辰昭

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100045)

0 引言

在城市地鐵上蓋項(xiàng)目中，針對(duì)車(chē)輛段實(shí)施蓋下蓋上綜合開(kāi)發(fā)，對(duì)于城市土地資源的集約、高效利用均具有十分重要的意義[1]。將層間隔震技術(shù)應(yīng)用于地鐵車(chē)輛段上蓋開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，在上部塔樓結(jié)構(gòu)和下部大底盤(pán)裙房之間增設(shè)隔震層，進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，可有效減小上部結(jié)構(gòu)的地震作用。周福霖等[2]通過(guò)建立層間隔震結(jié)構(gòu)兩質(zhì)點(diǎn)和多質(zhì)點(diǎn)理論分析模型，系統(tǒng)地研究了層間隔震結(jié)構(gòu)的減震機(jī)理。譚平等[3]通過(guò)在大底盤(pán)多塔結(jié)構(gòu)中設(shè)置隔震層的基礎(chǔ)上增設(shè)黏滯阻尼器，進(jìn)行組合減隔震設(shè)計(jì)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。范重等[4]以?xún)勺杂啥饶Ｐ蜑榛A(chǔ)進(jìn)行理論推導(dǎo)并總結(jié)了應(yīng)用層間隔震技術(shù)時(shí)質(zhì)量比、周期比等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)減震效果的影響規(guī)律。

目前，針對(duì)高烈度地區(qū)的地鐵車(chē)輛段上蓋開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，應(yīng)用層間隔震技術(shù)尚面臨一些設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。本文以西安某地鐵車(chē)輛段上蓋開(kāi)發(fā)項(xiàng)目為工程背景，對(duì)高烈度地區(qū)地鐵上蓋層間隔震結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行介紹，以期為同類(lèi)項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

西安地鐵16號(hào)線(xiàn)沙河灘車(chē)輛段基地TOD綜合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目位于西咸新區(qū)，東西長(zhǎng)1 200m，南北寬300余米，項(xiàng)目效果圖如圖1所示。本項(xiàng)目采用一體化的開(kāi)發(fā)模式，其中聯(lián)合檢修庫(kù)蓋上為住宅用地，落地區(qū)為住宅、配套商業(yè)與軌道辦公用地。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0.65s。基本風(fēng)壓為0.30kN/m2。

圖1 蓋上建筑總體效果圖

本工程涉及結(jié)構(gòu)超限的區(qū)域包括東側(cè)聯(lián)合檢修庫(kù)、車(chē)庫(kù)和蓋上住宅區(qū)域，總建筑面積為35.2萬(wàn)m2，首層聯(lián)合檢修庫(kù)和2層車(chē)庫(kù)高度分別為12m和4.8m。車(chē)庫(kù)蓋上為景觀花園(覆土厚度2m)和24棟住宅(通過(guò)設(shè)縫共分為9個(gè)區(qū))，住宅首層和標(biāo)準(zhǔn)層層高均為3.15m，層數(shù)為11～14層，建筑面積16.4萬(wàn)m2，具體分區(qū)情況如圖2所示。

圖2 蓋上住宅分區(qū)示意圖

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)體系概述

本項(xiàng)目庫(kù)區(qū)上蓋住宅的建筑體型大體呈矩形排布，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。首層聯(lián)合檢修庫(kù)因柱網(wǎng)受軌道、工藝限制及建筑使用功能要求，只能采用框架結(jié)構(gòu)，上蓋住宅剪力墻結(jié)構(gòu)無(wú)法落地，蓋上和蓋下結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件無(wú)法對(duì)齊，需要在2層車(chē)庫(kù)頂板進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為降低上部結(jié)構(gòu)地震作用及減小蓋上和蓋下結(jié)構(gòu)采用不同結(jié)構(gòu)體系造成的不利影響，采用層間隔震設(shè)計(jì)方案。以8區(qū)為例，圖3給出了結(jié)構(gòu)體系的布置示意圖。8區(qū)蓋上范圍內(nèi)住宅結(jié)構(gòu)體系為剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)戶(hù)型不同分為12層或14層，每層布置均相同，層高均為3.15m；蓋下裙房(包括1層聯(lián)合檢修庫(kù)和2層車(chē)庫(kù))與住宅之間增設(shè)一層2.2m高的隔震層，通過(guò)隔震層減小蓋上塔樓結(jié)構(gòu)的地震作用，同時(shí)改善轉(zhuǎn)換層及蓋下裙房結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖3 8區(qū)結(jié)構(gòu)體系布置示意圖

隔震層上部剪力墻將豎向荷載傳至隔震支座，隔震層的部分隔震支座的豎向荷載可直接傳至2層框架柱，但部分隔震支座下無(wú)直接落地的豎向構(gòu)件，不利于結(jié)構(gòu)豎向傳力，需要水平構(gòu)件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此在塔樓區(qū)域下雙向設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架，加強(qiáng)塔樓下部區(qū)域轉(zhuǎn)換構(gòu)件的空間作用。

表1給出了8區(qū)蓋下結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件截面及材料信息，蓋上剪力墻厚度均為200mm，剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)隨層高由C40逐漸降低至C30。

2.2 結(jié)構(gòu)超限分析

以8區(qū)結(jié)構(gòu)為例，表2給出了此區(qū)蓋下裙房結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度比與抗剪承載力比的計(jì)算結(jié)果。對(duì)8區(qū)結(jié)構(gòu)的不規(guī)則項(xiàng)進(jìn)行判別，發(fā)現(xiàn)存在以下不規(guī)則項(xiàng)：1)裙房1層與2層抗側(cè)剛度比最小值為0.4，1層抗側(cè)剛度偏小，判定1層結(jié)構(gòu)為軟弱層；2)由于本項(xiàng)目為大底盤(pán)多塔結(jié)構(gòu)，屬于尺寸突變；3)1層與2層抗剪承載力比最小值為0.66，相鄰層抗剪承載力變化大于80%，判定1層為薄弱層；4)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期比為0.95，大于限值0.9，整體存在扭轉(zhuǎn)剛度較弱的情況。

8區(qū)蓋下結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面及材料信息 表1

8區(qū)蓋下結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度比與抗剪承載力比 表2

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)由于下部聯(lián)合檢修庫(kù)使用要求，上蓋住宅結(jié)構(gòu)的雙方向剪力墻均不能落地，不滿(mǎn)足部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)落地剪力墻數(shù)量和傾覆力矩的要求[5-6]，蓋下首層同時(shí)為軟弱層和薄弱層。

(2)隔震層以下的結(jié)構(gòu)中(隔震塔樓下的底盤(pán)裙房)直接支承隔震層以上結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)件應(yīng)滿(mǎn)足嵌固端剛度比和隔震后設(shè)防地震的抗震承載力要求，并需要按罕遇地震進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算[5]。但本項(xiàng)目隔震層以下結(jié)構(gòu)對(duì)隔震層以上剪力墻結(jié)構(gòu)的嵌固端剛度比難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求高。隔震建筑地基基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算和地基處理仍應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行[5]。

(4)采用層間隔震技術(shù)后，蓋下結(jié)構(gòu)罕遇地震彈塑性變形控制要求高。本項(xiàng)目隔震層以下地面以上的結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的層間位移角應(yīng)滿(mǎn)足限值1/100要求[5]。

2.4 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)本項(xiàng)目的超限項(xiàng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，采取如下具體應(yīng)對(duì)措施：

在概念設(shè)計(jì)層面：協(xié)調(diào)建筑的平面布置盡量呈矩形，確保結(jié)構(gòu)體型簡(jiǎn)單規(guī)則；抗側(cè)力結(jié)構(gòu)雙向均勻布置，保證結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度與抗扭剛度的協(xié)調(diào)，并加強(qiáng)大底盤(pán)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度；調(diào)整上部剪力墻結(jié)構(gòu)的塔樓層數(shù)、合理布置抗側(cè)力構(gòu)件，確保質(zhì)心與剛心基本重合，減小偏心影響。

在計(jì)算分析措施層面：采用多個(gè)空間力學(xué)模型和軟件對(duì)比復(fù)核；針對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸突變，進(jìn)行多塔和單塔包絡(luò)設(shè)計(jì)；針對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，考慮雙向地震及最不利地震；蓋上、蓋下結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能化設(shè)計(jì)分級(jí)實(shí)現(xiàn)，對(duì)各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抗震性能化包絡(luò)設(shè)計(jì)；采用罕遇地震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析驗(yàn)算構(gòu)件性能水平；針對(duì)剛度突變和承載力突變，以首層作為軟弱層和薄弱層，進(jìn)行地震剪力放大，控制罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角滿(mǎn)足限值1/100的要求。

在抗震構(gòu)造措施層面：對(duì)大底盤(pán)轉(zhuǎn)換層塔樓范圍及周邊一跨采取加強(qiáng)措施，提高抗震性能指標(biāo)，框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼，箍筋全高加密；轉(zhuǎn)換桁架上下弦內(nèi)增設(shè)型鋼，適當(dāng)增加轉(zhuǎn)換桁架的縱向鋼筋、箍筋及腰筋的配筋率，以提高其抗剪能力，控制鋼斜腹桿長(zhǎng)細(xì)比；大底盤(pán)頂層樓板板厚取300mm，隔震層頂部樓板厚度取250mm，增大轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸。

3 層間隔震設(shè)計(jì)

采用SAP2000軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，蓋上、蓋下結(jié)構(gòu)及隔震層均采用三維空間模型建模。隔震支座采用非線(xiàn)性連接單元模擬，采用動(dòng)力時(shí)程分析方法對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。8區(qū)層間隔震結(jié)構(gòu)的SAP2000分析模型如圖4所示。

圖4 8區(qū)層間隔震結(jié)構(gòu)分析模型

3.1 隔震層布置

為了提高結(jié)構(gòu)的減震效果，控制隔震層的變形，在塔樓底部的適當(dāng)位置布置了隔震支座，形成“天然橡膠隔震支座(LNR)+鉛芯橡膠隔震支座(LRB)”的混合隔震支座布置方式。鉛芯橡膠隔震支座設(shè)置在塔樓外側(cè)縱軸上，以控制隔震層的變形并減小傾覆作用，在塔樓內(nèi)部縱軸上設(shè)置普通橡膠隔震支座。以8區(qū)結(jié)構(gòu)為例，介紹本項(xiàng)目層間隔震支座布置情況，8區(qū)塔樓1～4的隔震支座布置相同，塔樓5、塔樓6的隔震支座布置相同。圖5、圖6分給出了8區(qū)塔樓1、塔樓5隔震支座布置。8區(qū)隔震支座的力學(xué)參數(shù)如表3所示。

圖5 8區(qū)塔樓1隔震支座平面布置

圖6 8區(qū)塔樓5隔震支座平面布置

隔震支座力學(xué)參數(shù) 表3

3.2 地震波

根據(jù)抗規(guī)[4]相關(guān)規(guī)定，從Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地、特征周期為0.65s的地震波庫(kù)中選取了5組天然波及2組人工波。7組波的反應(yīng)譜與規(guī)范譜、各組波的平均譜與規(guī)范譜在非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)周期T1點(diǎn)的地震影響系數(shù)對(duì)比如圖7所示?？梢钥闯觯x取的7組地震波在非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)周期T1點(diǎn)的地震影響系數(shù)與規(guī)范譜對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)的相對(duì)誤差不大于20%。

圖7 各組地震波反應(yīng)譜與規(guī)范譜對(duì)比

3.3 中震減震系數(shù)

8區(qū)蓋上塔樓1～6各層的剪力減震系數(shù)βv和彎矩減震系數(shù)βM計(jì)算結(jié)果(7組波均值，余同)如圖8所示。蓋下裙房結(jié)構(gòu)和蓋上塔樓最大剪力減震系數(shù)和最大彎矩減震系數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表4所示。蓋上塔樓隔震后的地震影響系數(shù)按下式計(jì)算：

表4 8區(qū)結(jié)構(gòu)最大減震系數(shù)及地震影響系數(shù)

圖8 蓋上塔樓各層減震系數(shù)計(jì)算結(jié)果

(1)

式中：αmax1為隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)；β為結(jié)構(gòu)的地震作用減震系數(shù)；αmax為非隔震結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)；ψ為隔震支座參數(shù)變異性系數(shù)，考慮支座實(shí)際剪切性能參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的偏差對(duì)減震系數(shù)的不利影響，其值取0.85。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，采用層間隔震技術(shù)后，對(duì)蓋下裙房結(jié)構(gòu)的地震剪力作用放大約11%，對(duì)蓋下裙房結(jié)構(gòu)的地震彎矩作用減小約19.5%。隔震后，裙房結(jié)構(gòu)水平地震作用仍按8度(0.2g)進(jìn)行計(jì)算。蓋上各塔樓結(jié)構(gòu)的最大減震系數(shù)均小于0.4，滿(mǎn)足抗規(guī)[4]第12.2.7條的要求，因此蓋上塔樓結(jié)構(gòu)水平地震作用可按降低一度進(jìn)行設(shè)計(jì)，其豎向地震作用及相關(guān)構(gòu)造措施不降低。

3.4 支座性能驗(yàn)算

采用3.2節(jié)中的7組地震波，按罕遇地震水準(zhǔn)三向輸入，對(duì)隔震支座進(jìn)行非線(xiàn)性時(shí)程分析，驗(yàn)算其隔震性能。表5給出了罕遇地震作用下8區(qū)蓋上各塔樓隔震支座的剪力、短期極小面壓與短期極大面壓以及矢量位移的計(jì)算結(jié)果(7組波均值)。

由表5可知，在罕遇地震作用下，蓋上各塔樓隔震支座的剪力最大值為819kN；短期極小面壓最大值為0.9MPa，短期極小面壓均小于1MPa；短期極大面壓最小值為26.1MPa，短期極大面壓均小于30MPa；各隔震支座的矢量位移最大值為347mm，小于0.55D=440mm及3Tr=450mm中的較小值(其中D為隔震支座最小直徑，本工程采用隔震支座最小直徑為800mm；Tr為隔震支座橡膠層最小總厚度)，滿(mǎn)足要求。罕遇地震作用下鉛芯橡膠隔震支座滯回耗能曲線(xiàn)飽滿(mǎn)，其典型滯回曲線(xiàn)如圖9所示。

罕遇地震下8區(qū)各塔樓隔震支座性能驗(yàn)算結(jié)果 表5

圖9 罕遇地震下鉛芯橡膠隔震支座典型滯回曲線(xiàn)

4 罕遇地震彈塑性分析

4.1 計(jì)算模型

本項(xiàng)目彈塑性分析軟件采用非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)分析軟件Paco-SAP，采用精細(xì)有限元模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震彈塑性時(shí)程分析。根據(jù)分析結(jié)果，研究層間隔震結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵構(gòu)件在大震作用下的抗震性能，尋找結(jié)構(gòu)的薄弱層或薄弱部位，并針對(duì)性地提出相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

4.2 結(jié)構(gòu)位移

在罕遇地震作用下8區(qū)蓋下裙房結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角分布如圖10所示,其中RSN2900XY代表天然波RSN2900的主方向地震波RSN2900-X以X方向輸入，次方向地震波RSN2900-Y以Y方向輸入，豎向地震波 RSN2900-Z以Z方向輸入，三個(gè)方向地震波峰值加速度按X向∶Y向∶Z向=1∶0.85∶0.65比例調(diào)幅；其他依此類(lèi)推。蓋上與蓋下結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角最大值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

圖10 蓋下裙房彈塑性層間位移角計(jì)算結(jié)果

由表6可知，罕遇地震作用下，蓋下裙房結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角為1/225(X向)和1/243(Y向)，小于限值1/100要求。蓋上塔樓結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角1/502(X向)和1/620(Y向)，小于限值1/120要求。

表6 8區(qū)結(jié)構(gòu)最大彈塑性層角位移角計(jì)算結(jié)果

4.3 關(guān)鍵構(gòu)件性能評(píng)價(jià)

罕遇地震彈塑性時(shí)程分析表明，地鐵上蓋結(jié)構(gòu)采用層間隔震方案可顯著改善結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能。在罕遇地震作用下，8區(qū)首層底部框架柱出現(xiàn)損傷，絕大部分框架柱損傷因子小于0.12，說(shuō)明剛度僅降低12%；約8%的框架柱出現(xiàn)輕微破壞，76%的框架柱出現(xiàn)輕度破壞，16%的框架柱出現(xiàn)中度破壞，無(wú)重度和嚴(yán)重破壞的框架柱。蓋上剪力墻累積受壓損傷主要出現(xiàn)在連梁位置，約65%的剪力墻處于無(wú)損壞狀態(tài)，約35%剪力墻出現(xiàn)輕度破壞。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，2層鋼支撐在大震下均未損壞，隔震層轉(zhuǎn)換梁僅為輕微損壞。隔震支座最大矢量位移為347mm，鉛芯橡膠支座滯回耗能曲線(xiàn)飽滿(mǎn)，所有隔震支座在罕遇地震下均處于正常工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于高烈度抗震設(shè)防區(qū)的上部剪力墻+下部框架結(jié)構(gòu)的地鐵上蓋開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，采用層間隔震技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可降低蓋上蓋下不同結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)難度。

(2)本項(xiàng)目采用層間隔震設(shè)計(jì)后，顯著降低了蓋上結(jié)構(gòu)地震作用，蓋上結(jié)構(gòu)水平地震作用可按降低1度進(jìn)行設(shè)計(jì)；但蓋下裙房框架結(jié)構(gòu)的地震剪力有所放大，蓋下裙房結(jié)構(gòu)仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(3)通過(guò)合理調(diào)整結(jié)構(gòu)體系，采用層間隔震技術(shù)，并結(jié)合罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析等措施，可保證高烈度地區(qū)地鐵上蓋項(xiàng)目應(yīng)用上部剪力墻+隔震層+下部框架結(jié)構(gòu)體系的技術(shù)可行性，顯著提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。