地鐵上蓋建筑抗震設計研究與實踐

余祥興

（貴陽市城市軌道交通集團有限公司，貴州貴陽550081）

0 引言

隨著城市不斷發展，軌道交通系統在城市公共交通體系中的作用日漸突出。在地鐵里程不斷增加的情況下，地鐵上蓋建筑的數量也有所增加[1]。在地鐵上蓋建筑建成以后，地鐵車輛運行所帶來的震動效應會給建筑主體帶來一定影響。抗震設計在地鐵上蓋建筑中的應用，有助于降低建筑下部地鐵運行所導致的建筑層間剪力與位移，實現保護建筑主體結構的目標[2]。

1 工程概況

本次研究選取的研究項目為某高層建筑項目。建筑設計基準期與使用年限均為50年。抗震設防烈度為7度（0.15g），場地特征周期為0.65s，場地的基本風壓為0.8kN/m2。該建筑結構為鋼筋混凝土框架結構，建筑結構高40.9m，寬14.4m，建筑的應用庫層高度為10m，車庫庫層高度為5m，建筑首層高度為3.2m，其余各層的高度為2.8m，建筑總高度為57.9m。

2 抗震方案設計

通過對該工程項目的建筑特點與結構特點進行分析，該項目建筑平面及立面設計較規整，抗震設計的結構基本周期為1.597s，整體剛度相對較大，建筑施工區域的風壓相對較大。就該工程項目的實際情況而言，若使用基礎隔震技術，運用庫內存在的檢查坑會讓地梁無法拉結，故而此種抗震措施無法滿足抗震需求。該工程的結構為大底盤結構，在柱頂抗震措施應用以后，施工人員需在建筑施工中安裝大量的抗震支座。此種抗震方案的施工成本相對較高。為在控制工程施工成本的基礎上實現抗震目標，該建筑所使用的抗震方案為層間抗震與傳統抗震措施相結合的設計方案[3]。相關人員在車庫頂層的轉換層與上部結構之間設置隔震層。建筑的設計結構為底部框架結構，車庫設計中應用有轉換層結構，上部框架采用以剪力墻結構為主的設計形式。建筑大平臺柱與框支柱的設計目標為在中震環境下，正截面與斜截面均具有承載力彈性；在大震環境下，斜面層具有承載力不屈服性，且斜截面具有承載力彈性。轉換梁在中震環境下需具備正截面承載力彈性與斜截面承載力彈性，在大震環境下，轉換梁以正界面承載力不屈服與斜截面承載力不屈服為主。仿真結構布置如圖1所示。

圖1 仿真結構

3 結構抗震試驗

3.1 地震波的截取

在城市軌道交通線路沿線，地鐵列車運行過程中引起的震動可以沿著道床、立柱活動平臺傳導至地鐵上蓋建筑。地鐵列車運行過程中產生的震動多以振動波的形式傳播。一般情況下，地鐵車輛運行所導致的建筑物震動多以微振動為主。根據我國建筑施工技術的發展現狀，相關人員主要從建筑結構的柱網體系、基礎結構構件等因素入手進行抗震設計。在該工程的結構抗震試驗實施過程中，相關人員選取了5條強震記錄及2條人工波記錄，并根據建筑項目的抗震要求，將地震峰值調整為0.15g。地震波截取過程中采用分解反應譜法，根據分解反應譜法的計算結果，多條波動記錄驗算后的水平向比例為0.92，豎直向的比例為0.82，與國家相關要求相吻合，故而本次研究中所選取的地震波為有效地震波[4]。

3.2 結構基本周期

根據建筑項目的實際需要，建筑的抗震條件為7度抗震，研究期間利用ETABS軟件對抗震模型與非抗震模型進行分析。根據ETABS軟件的分析結果，抗震技術在地鐵上蓋建筑結構中的應用有助于延長建筑結構的自振周期，可以讓建筑結構表現出相對規則的狀態。在抗震設計應用以后，水平方向前兩階的振型分布為平動狀態，豎直方向前兩階的振型分布仍為平動狀態。根據隔震前后的結構周期可得出結構周期差值為0.093，符合國家相關標準要求。

3.3 抗震與非抗震結構性能分析

以建筑項目的上部結構為例，通過對建筑抗震結構性能與非抗震結構性能進行對比，抗震結構的性能目標與減震后的地震作用之間具有一定的聯系，建筑的墻厚度需控制在200～250mm，柱構件的構件尺寸為2 000mm×1 800mm，方鋼構件的構件尺寸為1 000mm×1 000mm×34mm×34mm。在非抗震結構下，建筑底部為加強部位剪力墻，中震環境下需保證正截面承載力不屈服，斜截面需要具備承載力彈性。建筑的墻厚度在200～500mm，柱構件的尺寸為2 200mm×1 800mm，方鋼構件的構件尺寸為1 300mm×1 000mm×34mm×34mm。與抗震結構相比，地鐵上蓋建筑的非抗震上部結構需進行抗震性能化設計，結構底部的地震力高于抗震結構底部的地震力，故建筑結構的整體截面尺寸與配筋相對較大。抗震結構與非抗震結構的抗震性能目標具有一致性，由于非抗震機構的地震力相對較大，故而建筑結構的界面尺寸相對較大[5]。

抗震結構與非抗震結構的性能分析結果表明，墻體在建筑結構設計中發揮著較為重要的作用。墻體設計也是地鐵上蓋建筑施工過程中不可忽視的內容。在設計實施過程中，相關人員需要根據房屋建筑的實際剛度值，確定抗震墻墻體數量。在墻體橫面與縱面的設計過程中，相關人員也需要對房屋建筑承重墻等問題進行關注。受地鐵運行的影響，地鐵上蓋建筑施工區域的震動較為頻繁，相關人員需通過增加墻體厚度的措施，提升建筑項目的穩定性，進而使地鐵上蓋建筑的抗震性能得到提升。

4 工程技術措施

地鐵上蓋建筑的抗震設計需遵循整體合理性原則，建筑結構設計的整體性與合理性是地鐵上蓋建筑抗震設計的基本要素。相關人員在建筑項目施工過程中，需要使抗震設計與房屋建筑的結構設計實現有效融合。地鐵上蓋建筑的抗震設計具有一定的特殊性，相關人員在房屋建筑結構設計過程中，需要對地鐵上蓋建筑的特殊性進行充分研究，并要根據此類建筑的特殊性，制定針對性措施。就抗震設計過程而言，房屋建筑的結構設計與房屋建筑的總體情況之間具有較為密切的聯系，可以說，只有在符合房屋建筑設計要求的情況下，抗震設計才能真正為房屋建筑的安全性提供保證。根據地鐵上蓋建筑的實際情況，平面參數設置與抗風承載力參數計算是抗震設計中的重要工程技術措施。

4.1 平面與參數設置

根據國家建筑項目抗震標準的要求，地鐵上蓋建筑的抗震支座豎向壓力值需低于丙類建筑的限值15MPa以內。在本次研究所涉及的施工項目中，工程施工方設置有16套LRB500型支座、12套LRB600型支座與6套LRB700型支座。本項目的上蓋結構以框架-剪力墻結構為主，設計人員將轉換梁設計在剪力墻的下方，應用于該建筑的抗震方案為柱下抗震方案。其中，LRB500型支座的有效直徑為500mm，應用于工程項目的支座總高度為222mm，支座的內部橡膠總厚度為92mm，支座的鉛芯直徑為60mm，支座的第一形狀系數需要控制在15以上，第二形狀系數需要控制在5以上；LRB600的有效直徑為600mm，支座的總高度為251mm，內部橡膠的總厚度需要控制在110mm左右，構件的鉛芯直徑需控制為100mm，構件的第一形狀系數需要控制在15以上，第二形狀系數不能低于5；LRB700型支座的有效直徑為700mm，支座總高度為304mm，支座的內部橡膠總厚度需控制為129mm，支座的鉛鋅直徑為120mm，支座的第一形狀系數需要達到15以上，第二形狀系數需達到5以上。通過對地鐵運行給地鐵上蓋建筑的影響進行分析，地鐵車輛正常運行所導致的上蓋建筑樓板震動會隨著樓層的增加而減小，在樓板自振頻率與地鐵運行所導致的樓板震動頻率出現共振的情況下，該層樓板的震動反應會被放大。基礎減震是地鐵上蓋建筑施工中不可忽視的內容，根據工程項目的實際情況，相關人員可以通過增加樁數量、調整地下室側壁厚度等方式，實現基礎抗震的目標。

4.2 抗風承載力參數計算

為避免因抗震結構自身高度所導致的風荷載條件下較大位移的出現，相關人員也需要對建筑結構整體的抗風承載力進行驗算，并要將抗震結構的風荷載總體控制在自身總重量的10%以內。就本次研究所涉及的工程項目而言，該項目的抗震層以上結構的風荷載總水平為3 850kN，隔震層上方結構的總重約為88 300kN，為保證建筑結構的穩定性，相關人員也需在制作上方布設抗風裝置，抗風裝置所承載的剪力需控制在200kN以內，隔震層的水平承載力需要控制在5 630kN以內。

5 結語

抗震技術可為地鐵上蓋建筑的安全性提供保障，可使地鐵上蓋建筑更好地滿足工程抗震承載力要求。針對地鐵上蓋建筑所具有的特殊性，此類建筑的抗震結構周期需延長至非抗震結構周期的2倍。地鐵上蓋建筑的抗震結構設計需降低結構底部的地震剪力。隔震層上部結構的設防烈度可適度降低。隨著建筑技術的不斷發展，地鐵上蓋建筑抗震設計的科學性會不斷提升。