地鐵上蓋多塔樓隔震結(jié)構(gòu)抗震性能研究

袁濤濤

(陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

近年來，我國軌道交通在大城市中迅速發(fā)展，利用地鐵停車場、車輛段等上蓋開發(fā)可進(jìn)一步提高土地利用率。上蓋開發(fā)一般先在地鐵上方建造大空間底盤，然后再建造塔樓。受工藝制約，上部塔樓結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件(剪力墻、框架柱等)難以直接貫通落地，從而導(dǎo)致大底盤上、下樓層剛度變化較大，易產(chǎn)生薄弱樓層，對結(jié)構(gòu)抗震極為不利[1-2]。高烈度區(qū)采用隔震技術(shù)可解決大底盤與上部結(jié)構(gòu)剛度突變的問題，并可減小上部結(jié)構(gòu)的地震作用，在地鐵上蓋開發(fā)的建筑中采用隔震技術(shù)也逐步成為一種趨勢[3-6]，目前，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)較多工程應(yīng)用，并表現(xiàn)出良好的抗震性能。國內(nèi)學(xué)者也對高層建筑隔震技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。祁皚等[7-8]對隔震層采用側(cè)移剛度偏小值、優(yōu)化值和偏大值的層間隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動臺試驗，驗證了層間隔震結(jié)構(gòu)的參數(shù)化理論；王曙光等[9-10]對不同阻尼比隔震結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)曲線進(jìn)行研究，對地震影響系數(shù)曲線采用阻尼調(diào)整的形狀參數(shù)提出改進(jìn)建議；劉付鈞等[11]對大底盤層間隔震技術(shù)的組合隔震方案、隔震支座附加彎矩等若干關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行討論，提出隔震層以下直接支承隔震層的豎向構(gòu)件應(yīng)考慮隔震支座產(chǎn)生的附加彎矩影響。

為進(jìn)一步考察、研究該類結(jié)構(gòu)的抗震性能，以西安地鐵14號線駿馬村停車場大底盤多塔隔震結(jié)構(gòu)為背景，結(jié)合GB50010—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱“《抗規(guī)》”)[12]和GB/T51408—2021《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[13](以下簡稱“《隔規(guī)》”)，對該類結(jié)構(gòu)的隔震性能進(jìn)行分析，并對結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震、罕遇地震和極罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行全面評估，闡述結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計流程，研究成果可為該類結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用提供相關(guān)參考。

1 工程概況

項目位于西安國際港務(wù)區(qū)，西沿灞河，北至鐵路北環(huán)線，東至西韓公路，南接城市三環(huán)和西安繞城高速，規(guī)劃總用地面積為5.49萬m2。受建設(shè)條件需要，設(shè)計分為蓋上、蓋下兩個部分，其中，蓋上部分為非軌道功能的業(yè)態(tài)開發(fā)，業(yè)態(tài)為16棟高層住宅，層高3 m，蓋上總建筑規(guī)模約10.2萬m2(圖1)。蓋下為2層結(jié)構(gòu)，長299 m，寬180 m，首層為運(yùn)用庫，層高9.6 m；二層為汽車庫，層高4.4 m。整個結(jié)構(gòu)通過抗震縫劃分為2個單元(圖2)，單元平面尺寸分別為180 m122 m和180 m177 m。首層采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，二層采用框架+支撐結(jié)構(gòu)，上部住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)，住宅剪力墻均不落地，采用梁式轉(zhuǎn)換。塔樓底部設(shè)置隔震層進(jìn)行隔震，隔震層位于二層汽車庫頂(圖3)。

圖2 結(jié)構(gòu)分區(qū)(單位：m)

圖3 隔震層位置(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主要設(shè)計參數(shù)

該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期和使用年限50年，安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，抗震設(shè)防烈度為8度，0.20g，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組第二組，特征周期0.40 s。50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，基礎(chǔ)設(shè)計安全等級為二級，基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。

2.2 上部結(jié)構(gòu)概況

上部住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，共計16棟10層住宅，主要構(gòu)件截面尺寸如表1所示。

表1 主要構(gòu)件截面尺寸

2.3 隔震層結(jié)構(gòu)概況

隔震設(shè)計最重要的是隔震支座設(shè)置，隔震支座從材料上分為天然橡膠隔震支座(LNR)與鉛芯橡膠隔震支座(LRB)。鉛芯橡膠支座設(shè)置在塔樓外側(cè)縱軸上，以控制隔震層變形并減小傾覆作用[14]，在塔樓內(nèi)部縱軸上設(shè)置普通橡膠支座，以6號塔樓為例，隔震支座布置如圖4所示。

圖4 隔震支座布置

2.4 蓋下結(jié)構(gòu)概況

結(jié)合工藝要求，蓋下首層采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，二層采用框架-支撐結(jié)構(gòu)，如圖5、圖6所示。根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.9條：隔震層以下結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足對上部結(jié)構(gòu)的嵌固剛度比和隔震后設(shè)防地震的承載力。因此，對蓋下結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計，轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土構(gòu)件，其余框架柱、框架梁、剪力墻等均采用鋼筋混凝土構(gòu)件，通過對構(gòu)件尺寸優(yōu)化調(diào)整和剪力墻、支撐構(gòu)件布置，使蓋下二層抗側(cè)剛度滿足對上部塔樓底層的嵌固要求。由于蓋下首層和二層的層高相差較大(>1.5倍)，根據(jù)JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[15]第3.5.2條，通過調(diào)整框架柱截面尺寸和剪力墻布置，滿足蓋下首層和二層的剛度比≮1.1倍要求。

圖5 蓋下一層結(jié)構(gòu)布置

圖6 蓋下二層結(jié)構(gòu)布置

2.5 超限判別及性能化設(shè)計目標(biāo)

由于該結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、剛度突變、豎向構(gòu)件間斷和大底盤多塔等多項不規(guī)則，屬于超限高層建筑工程。具體處理措施為：①合理布置下部結(jié)構(gòu)的剪力墻和支撐，滿足剛度比要求；②針對上部結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整剪力墻布置，使結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心盡量接近，使上部結(jié)構(gòu)位移比、周期比等指標(biāo)滿足規(guī)范要求；③蓋下結(jié)構(gòu)按照性能化設(shè)計，主要構(gòu)件性能目標(biāo)如表2所示。

表2 構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 分析模型

選取南區(qū)結(jié)構(gòu)，采用三維有限元分析軟件ETABS和結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件YJK建立整體計算模型，分別如圖7、圖8所示。在ETABS建模過程中，框架梁和框架柱采用梁單元模擬，支撐采用桿單元模擬，剪力墻采用殼單元模擬，樓板采用板單元模擬，隔震支座采用“Rubber Isolater+Gap”的組合單元模擬[16]，相關(guān)參數(shù)按照J(rèn)G/T 118—2018《建筑隔震橡膠支座》[17]選取，具體參數(shù)見表3。

表3 隔震支座參數(shù)(S2=5.45)

圖7 ETABS計算模型

圖8 YJK計算模型

減震系數(shù)計算采用設(shè)防烈度下的FNA法[16]，按照《抗規(guī)》第5.1.2條選取3條地震波：2條天然波和1條人工波。3條波對應(yīng)的反應(yīng)譜曲線與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對比如圖9所示。隔震支座校核采用罕遇地震作用下的FNA法。罕遇地震和極罕遇地震下彈塑性分析采用非線性直接積分法。

圖9 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范譜對比

3.2 振動特征

對隔震結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)主要自振周期和振型，如表4所示。

表4 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)振動特征對比

由表4可以看出，隔震后結(jié)構(gòu)周期顯著延長，約為非隔震模型的3倍，有利于減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。隔震模型前兩階振型的X、Y向質(zhì)量參與系數(shù)也明顯大于非隔震模型的質(zhì)量參與系數(shù)，表明隔震后多塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)一步改善。隔震模型前14階振型均為以平動為主的振型。

3.3 水平減震系數(shù)

根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.5條相關(guān)規(guī)定，采用水平減震系數(shù)β計算隔震后結(jié)構(gòu)的水平作用，如式(1)所示。

αmax1=βαmax/ψ

(1)

式中，αmax1為隔震后水平地震影響系數(shù)最大值；β為水平向減震系數(shù)；αmax為非隔震水平地震影響系數(shù)最大值；ψ為與隔震支座相關(guān)的調(diào)整系數(shù)。水平減震系數(shù)采用彈性時程分析所得的隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)各層間剪力比值的最大值。對于高層建筑，還應(yīng)計算各層傾覆力矩的比值，并取二者較大值。對隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防烈度下的彈性時程分析，得到3條地震波作用下各塔樓的減震系數(shù)，如表5所示。

表5 水平減震系數(shù)β

《抗規(guī)》12.2.5條的條文說明，隔震后結(jié)構(gòu)達(dá)到降半度目標(biāo)，即從8度地震裂度的地震動峰值加速度0.20g降至7度地震裂度的地震動峰值加速度0.15g。

3.4 支座內(nèi)力及隔震層變形

采用FNA法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用分析，并進(jìn)行隔震支座驗算，驗算包括：壓應(yīng)力、最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和極限水平變形。結(jié)果如表6所示，可以看出，支座內(nèi)力和隔震層變形均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表6 罕遇地震下支座驗算

同時選取代表性的橡膠支座和鉛芯橡膠支座，提取罕遇地震作用下水平剪力與剪切變形的關(guān)系曲線，如圖10所示。由圖10可以看出，橡膠支座呈現(xiàn)出線彈性的恢復(fù)力特征，而鉛芯橡膠支座體現(xiàn)出一定的耗能能力，與JG/T 118—2018《建筑隔震橡膠支座》規(guī)定的計算模型一致。

圖10 隔震支座滯回曲線

3.5 罕遇地震作用下彈塑性分析

對模型進(jìn)行了罕遇地震下的彈塑性時程分析?？蚣芰?、框架柱、支撐等桿系構(gòu)件的非線性行為通過定義纖維鉸實現(xiàn)，而剪力墻非線性行為則通過定義分層殼單元進(jìn)行模擬。

最大層間位移角是評價結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的重要指標(biāo)，《抗規(guī)》和《隔規(guī)》給出多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震和極罕遇地震的設(shè)計基本地震動峰值加速度。通過調(diào)整地震波峰值，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時程分析，得到大底盤及各塔樓在3條地震動作用下層間位移角，并采用《抗規(guī)》中的修正方法對時程分析得到的層間位移角進(jìn)行修正，以6號塔樓為例，層間位移角如圖11所示。同時《抗規(guī)》和《隔規(guī)》分別給出上部和下部結(jié)構(gòu)在各地震水準(zhǔn)下層間位移角限制，如表7所示。由表7可以看出，上部結(jié)構(gòu)除在1條天然波和1條人工波作用下彈塑性位移角不滿足《隔規(guī)》要求外，其余彈塑性層間位移角均滿足《抗規(guī)》和《隔規(guī)》要求。同時，由于《隔規(guī)》設(shè)防目標(biāo)為：當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)設(shè)防地震時，隔震建筑基本完好；當(dāng)遭受罕遇地震時，可能發(fā)生損壞，經(jīng)修復(fù)后可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受極罕遇地震時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。其明顯高于《抗規(guī)》“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，因此，《隔規(guī)》的層間位移角限值較《抗規(guī)》更加嚴(yán)格。

圖11 塔6X向大震彈塑性位移角

表7 規(guī)范對層間位移角的限制要求

以損傷因子的計算和輸出進(jìn)行損傷評價，混凝土損傷因子按GB50011—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[18]附錄C進(jìn)行確定。鋼筋和鋼骨的損傷因子取最大應(yīng)變與放大一定倍數(shù)后鋼筋屈服應(yīng)變的比值[19]。破損等級以損傷因子的大小分為5級，如圖12所示。

圖12 構(gòu)件破損等級

整體結(jié)構(gòu)的混凝土受壓損傷云圖和破損等級如圖13、圖14所示，可以看出，構(gòu)件混凝土最大損傷因子在0.35左右，絕大部分構(gòu)件僅為輕微破壞，具有較高剩余承載力和剛度。最后時刻各構(gòu)件的混凝土受壓損傷比例見表8，可以看出，下部結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件基本完好無損，上部塔樓底層僅1.91%的構(gòu)件處于輕微破壞等級，0.07%的構(gòu)件處于倒塌破壞等級。

圖13 最后時刻混凝土受壓損傷包絡(luò)圖

圖14 最后時刻混凝土受壓損傷破損等級包絡(luò)圖

表8 罕遇地震下最后時刻混凝土受壓損傷比例 %

鋼筋和鋼骨的受拉破損等級如圖15所示，可以看出，絕大部分構(gòu)件鋼筋或鋼骨未出現(xiàn)損傷。同時，分析結(jié)果表明，在罕遇地震作用下，上部塔樓的層間位移角最大值是1/250，滿足《抗規(guī)》層間位移角1/120的限值要求。而下部結(jié)構(gòu)的剪力墻損傷僅為輕微損壞，框架柱和轉(zhuǎn)換梁基本都處于彈性狀態(tài)，滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

圖15 最后時刻鋼筋層受拉損傷等級包絡(luò)圖

4 基于《隔規(guī)》的結(jié)構(gòu)性能分析

4.1 上部結(jié)構(gòu)減震性能對比

《隔規(guī)》采用基于振型分解反應(yīng)譜法的直接設(shè)計法，通過反復(fù)迭代或時程分析來確定隔震層等效剛度和等效阻尼比，進(jìn)而采用修正后的反應(yīng)譜進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)驗算和構(gòu)件設(shè)計[20-21]，圖16為《隔規(guī)》和《抗規(guī)》的反應(yīng)譜的對比?？梢钥闯?，《隔規(guī)》較《抗規(guī)》在反應(yīng)譜的第二個下降段發(fā)生了變化，其下降趨勢較《抗規(guī)》更大。本節(jié)對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析時，需要隔震支座的位移時程曲線、速度時程曲線、內(nèi)力時程曲線和滯回曲線等參數(shù)，進(jìn)而計算有效剛度和有效阻尼，然后再進(jìn)行反應(yīng)譜分析。

圖16 隔規(guī)和抗規(guī)反應(yīng)譜對比

圖17 直接設(shè)計法和分部設(shè)計法對比

采用《抗規(guī)》的分部設(shè)計法(7度0.15g)和《隔規(guī)》的直接設(shè)計法對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震下反應(yīng)譜分析，對比兩種分析方法的各塔樓基底剪力，如表9所示。以6號塔樓為例，基于上述兩種方法給出樓層剪力和地震力分布模式對比，如圖17所示?？梢钥闯?，通過《隔規(guī)》直接設(shè)計法得到的基底剪力大于采用《抗規(guī)》分部設(shè)計法的基底剪力，其比值為1.74～1.95，樓層剪力比值為1.08～1.95，原因是《隔規(guī)》采用了“中震彈性”的設(shè)防水準(zhǔn)，《抗規(guī)》采用了“小震彈性”的設(shè)防水準(zhǔn)，《隔規(guī)》較《抗規(guī)》提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計水準(zhǔn)。同時，采用分部設(shè)計法得到的地震力呈倒三角分布，而直接設(shè)計法的地震力分布較為均勻，這是因為隔震層的設(shè)置使上部塔樓側(cè)向變形更趨向于剛體平動。

表9 各塔樓兩種設(shè)計方法基底剪力對比

4.2 極罕遇地震下變形及損傷分析

按《隔規(guī)》表4.2.4將地震動調(diào)幅至600 cm/s2進(jìn)行極罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，分析方法與罕遇地震一致，彈塑性位移角結(jié)果如圖18所示。混凝土受壓損傷、破損等級和鋼筋、鋼骨受拉損傷如圖19～圖21所示，各構(gòu)件的混凝土受壓損傷比例見表10?？梢钥闯?，在極罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為1/153，滿足《隔規(guī)》層間位移角1/120的限值要求。各構(gòu)件混凝土受壓損傷比例較罕遇地震時有所增大，上部塔樓底層和二層少部分構(gòu)件達(dá)到倒塌破壞等級，大部分構(gòu)件處于輕微破壞等級和中等破壞級別。而下部大底盤的少部分剪力墻處于輕微破壞等級和中等破壞等級。

圖18 極罕遇地震下塔X向?qū)游灰平?/p>

圖19 極罕遇地震下混凝土包絡(luò)受壓損傷

圖20 極罕遇地震下混凝土包絡(luò)受壓破損等級

圖21 極罕遇地震下鋼筋層包絡(luò)受拉損傷等級

表10 極罕遇地震下混凝土受壓損傷比例 %

5 結(jié)論

(1)隔震后結(jié)構(gòu)周期顯著延長，為非隔震結(jié)構(gòu)的2.96～3.55倍，有利于減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。

(2)在罕遇地震作用下，隔震支座滿足壓應(yīng)力、最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和極限水平變形的要求；上部、下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷大部分處于基本完好狀態(tài)，彈塑性層間位移角滿足相關(guān)規(guī)范限值要求。

(3)設(shè)置隔震層后，采用分部設(shè)計法得出上部塔樓結(jié)構(gòu)的地震力呈倒三角形分布，采用直接設(shè)計法得出上部塔樓結(jié)構(gòu)的地震力沿樓層高度分布較為均勻，符合隔震結(jié)構(gòu)真實的受力狀態(tài)。

(4)由于《隔規(guī)》采用了“中震彈性”的設(shè)防水準(zhǔn)、《抗規(guī)》采用了“小震彈性”的設(shè)計水準(zhǔn)，導(dǎo)致采用直接設(shè)計法得到的基底剪力大于采用《抗規(guī)》分部設(shè)計法的基底剪力，其比值為1.74～1.95。

(5)在極罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為1/153，滿足《隔規(guī)》限值要求。少部分構(gòu)件達(dá)到倒塌破壞等級，大部分構(gòu)件處于輕微破壞和中等破壞級別。表明該結(jié)構(gòu)具有很好的抗震性能。