某地鐵上蓋學(xué)校隔震設(shè)計(jì)

王曉哲

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)

某地鐵上蓋學(xué)校隔震設(shè)計(jì)

王曉哲

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)

隨著城市地下交通網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，越來越多的城市擁有了地鐵。本文以某地鐵上蓋學(xué)校為例進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，通過添加橡膠隔震支座使學(xué)校在地震作用下承受的剪力和彎矩大大地減小，以此來減輕地下地鐵對上部結(jié)構(gòu)的影響，保證上部結(jié)構(gòu)的安全。本文給地鐵上蓋建筑的隔震設(shè)計(jì)提供一個示例。

地鐵上蓋；隔震設(shè)計(jì)；時(shí)程分析

1　引言

隨著城市的不斷發(fā)展，中國城市的地鐵也越來越多，隨之而來的就是地鐵上蓋建筑的增加。而地鐵上蓋建筑會因受到建筑下部地鐵經(jīng)過震動的影響而對建筑造成損壞。為了避免由于地鐵經(jīng)過而對建筑造成的破壞，可以采用隔震設(shè)計(jì)，以此來減小建筑層間剪力和位移，達(dá)到對結(jié)構(gòu)的保護(hù)。

本文采用有限元軟件對地鐵上蓋學(xué)校進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，以此為例分析地鐵上建筑的隔震設(shè)計(jì)。

2　工程概況

該項(xiàng)目位于廣州市，工程用途是學(xué)校。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和使用年限都為50年，建筑類別為乙類，基本風(fēng)壓為0.5kN/m2，風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.4，二類場地場地特征周期為0.35s，7度設(shè)防基本地震加速度為0.1g，地震分組為第一組，場地粗糙度為B類。該建筑為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，第一層為隔震層，層高1.95m，隔震層以上三層，層高分別為4.5m、4.2m、4.2m。圖1為隔震層和第一層的平面圖，圖2為第二層和第三層的平面圖。

圖1　隔震層和第一層的平面圖

圖2　第二層和第三層的平面圖

本項(xiàng)目利用中國建筑科學(xué)院開發(fā)的商業(yè)軟件PKPM/SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)的常規(guī)分析和設(shè)計(jì)，利用美國CSI公司開發(fā)的商業(yè)有限元軟件ETABS的非線性版本進(jìn)行常規(guī)結(jié)構(gòu)分析和隔震結(jié)構(gòu)的非線性時(shí)程分析。其中ETABS模型是依據(jù)PKPM的模型建立得到的。

2　隔震支座的布置和選型

結(jié)構(gòu)屬于乙類建筑，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（GB50011-2010，以下簡稱《抗規(guī)》）12.2.3條規(guī)定，隔震橡膠支座在重力荷載代表值的豎向壓應(yīng)力不應(yīng)超過12MPa。我們依據(jù)從PKPM和ETABS中提取的豎向軸力來確定隔震橡膠支座的選型。隔震支座布置圖如圖3所示。

圖3　水平隔震支座布置圖

該結(jié)構(gòu)隔震層共布置了58個橡膠隔震支座，共選擇了8個型號。其中LNR-G4-D500-Tr68-C25共18個，LRB-G4-D500-Tr68-C90共6個，LNR-G4-D600-Tr80-C30共3個，LRB-G4-D600-Tr80-C120共4個，LNR-G4-D700-Tr95-C35共3個，LRB-G4-D700-Tr95-C140共12個，LNR-G4-D800-Tr102-C40共10個，LNR-G4-D900-Tr120-C45共2個，共計(jì)58個。

3　隔震結(jié)構(gòu)靜力特性計(jì)算

3.1隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)

該隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。采用隔震支座變形100%等效剛度對應(yīng)的周期為1.934s，屈重比設(shè)置為2.5%。

表1　隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2隔震支座壓應(yīng)力設(shè)計(jì)

該隔震結(jié)構(gòu)在重力荷載代表值下支座壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值見表2。

表2　隔震支座壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值

3.3隔震支座性能設(shè)計(jì)

橡膠隔震支座性能設(shè)計(jì)值見表3。

表3　水平隔震用橡膠隔震支座設(shè)計(jì)值

3.4隔震結(jié)構(gòu)偏心率

布置隔震支座后，結(jié)構(gòu)X、Y方向整體偏心率計(jì)算結(jié)果參見表4。結(jié)構(gòu)X向和Y向的偏心率分別為-0.04%、-0.29%，隔震結(jié)構(gòu)偏心很小。

表4　隔震結(jié)構(gòu)偏心率的計(jì)算

3.5隔震結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算

對隔震結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載作用下，隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)不產(chǎn)生水平位移，即要求隔震結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)值應(yīng)小于隔震結(jié)構(gòu)各支座的屈服力。表5為隔震結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載驗(yàn)算結(jié)果。

表5　隔震結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載驗(yàn)算

4　隔震結(jié)構(gòu)動力計(jì)算分析

4.1地震波的選擇

該隔震建筑屬乙類建筑，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（GB50011-2010）要求不少于3條地震波，本工程設(shè)計(jì)擬采用7條地震波。其中，人工合成加速度時(shí)程曲線3條，與規(guī)范地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符的強(qiáng)震記錄4條，如圖4所示。

圖4　七條地震波與規(guī)范反應(yīng)譜的對比

4.2設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)對比

隔震后結(jié)構(gòu)周期由1.178增加到1.934。設(shè)防烈度地震作用下，隔震上部結(jié)構(gòu)X向、Y向?qū)娱g剪力計(jì)算對比分別見表6、表7。上部結(jié)構(gòu)X向、Y向傾覆彎矩計(jì)算對比分別見表8、表9。

由表6、表7計(jì)算結(jié)果可知，7度設(shè)防地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)隔震層上部層剪力與非隔震結(jié)構(gòu)層剪力比最大值為0.624；由表8、表9計(jì)算結(jié)果可知，7度設(shè)防地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)隔震層上部層傾覆彎矩與非隔震結(jié)構(gòu)層傾覆彎矩之比最大值為0.624。

表6　設(shè)防烈度地震下上部結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g剪力對比分析

表7　設(shè)防烈度地震下上部結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g剪力對比分析

表8　設(shè)防烈度地震下上部結(jié)構(gòu)X向地震樓層傾覆力矩對比分析

表9　設(shè)防烈度地震下上部結(jié)構(gòu)Y向地震樓層傾覆力矩對比分析

表10　 7度罕遇地震下上部結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角倒數(shù)（1/θ）

表11　 7度罕遇地震下上部結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角倒數(shù)1/θ

表12　 7度罕遇地震下隔震層的最大水平位移

4.3罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)

7度罕遇地震作用下學(xué)校結(jié)構(gòu)隔震后隔震層上部結(jié)構(gòu)X向、Y向?qū)娱g位移角倒數(shù)分別見表10、表11。

由表10和表11可見，7度罕遇地震下，隔震后上部結(jié)構(gòu)層間位移角（各波平均值）最大值為1/391。即7度罕遇地震作用下，隔震后上部結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范關(guān)于框架結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下層間彈塑性位移角1/100的限值的要求。

7度罕遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)隔震層的最大水平位移見表12。

《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[2]規(guī)定的隔震橡膠支座的最大容許位移為0.55Dr和3Tr中的最小值，即隔震支座最大容許位移為min{0.55Dr，3Tr}=min {0.55×500，3×68}=204mm。由表12可知，7度設(shè)防烈度罕遇地震下，隔震層最大位移滿足支座最大允許位移的要求。

4.4罕遇地震作用下隔震支座拉壓應(yīng)力校核

隔震支座的面壓由長期面壓和短期面壓分別控制，長期面壓考慮了重力荷載代表值的作用。短期面壓同時(shí)考慮了水平罕遇地震的作用。長期極大面壓的軸力計(jì)算為：1.2×恒載+0.5×活+罕遇水平地震力產(chǎn)生的最大軸力+0.3×豎向地震力產(chǎn)生的軸力。隔震支座在罕遇地震下拉應(yīng)力（即短期極小面壓）驗(yàn)算，主要考慮的水平地震、豎向地震、恒載及活載的作用，拉力計(jì)算公式為：1.0×恒載+0.5×活載-1.0×罕遇水平地震力產(chǎn)生的最大軸力-0.5×豎向地震力產(chǎn)生的軸力。經(jīng)計(jì)算，該結(jié)構(gòu)隔震支座的拉壓應(yīng)力均滿足規(guī)范的要求。

5　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)考慮豎向地震作用按原設(shè)防烈度進(jìn)行驗(yàn)算。上部結(jié)構(gòu)抗震措施按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）可不降低樓面采用現(xiàn)澆梁板。首層樓面梁板尺寸均比一般樓面的梁板尺寸加大（可按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求厚度大于等于160mm）。

5.2下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

隔震支座的柱頭(包括隔震支座上、下柱頭)的驗(yàn)算，考慮罕遇地震時(shí)地震作用以及隔震支座最大水平位移時(shí)附加彎矩的影響。依據(jù)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）12.2.9條和《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》(CECS 126:2001)4.5.1條規(guī)定，隔震層以下結(jié)構(gòu)（包括支墩，柱子，墻體，地下室等）的地震作用和抗震驗(yàn)算，應(yīng)按罕遇地震作用下隔震支座底部的水平剪力、豎向力及其偏心距進(jìn)行驗(yàn)算。依據(jù)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）12.2.9條的規(guī)定，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。

6　結(jié)論

本文對該地鐵上蓋學(xué)校進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)，可以得到以下結(jié)論：

⑴同一建筑，采用隔振技術(shù)能有效地降低地震作用，同樣，也可以非常有效地降低由于地鐵經(jīng)過產(chǎn)生振動對結(jié)構(gòu)的影響。

⑵7度設(shè)防烈度地震（0.1g）作用下，隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層剪力比最大值和傾覆力矩之比最大值為0.624，上部結(jié)構(gòu)水平地震作用減少了40%。

⑶7度罕遇地震作用下，上部結(jié)構(gòu)層間位移角最大值分別為1/391，上部結(jié)構(gòu)在7度罕遇地震作用下層間位移角滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于框架結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角限值的要求。

⑷7度罕遇地震作用下，隔震層最大位移滿足支座最大容許位移的要求。

⑸隔震結(jié)構(gòu)雖然減小了地震力的作用，但考慮豎向地震力的影響，仍按原有設(shè)防烈度進(jìn)行設(shè)計(jì)。●

[1]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]CECS 126-2001，疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2001.