層間隔震技術在地鐵車輛段上蓋結構中的應用分析

張 碩

(北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044)

1 概述

進入21世紀以來，隨著城市的快速建設與發展，城市的土地資源日益緊缺，為了更合理的利用土地資源，借鑒我國香港城市發展的相關案例，發展地鐵車輛段上蓋空間就成為了一個有效的途徑。地鐵作為當下城市里快捷與方便的交通方式，深受人們的青睞。地鐵車輛段作為城市軌道交通的停車庫與檢修庫，其通常來說需要占用很大的城市土地面積，因此可以在其上蓋空間規劃建設住宅小區和商業區，充分利用其商業價值，使居民享受到便利的交通方式與完善的生活設施[1]。

地鐵車輛段上蓋建筑作為一種特殊的結構體系，通常來說，其設計往往會面臨許多與常規建筑不同的問題。特別對于如北京這樣的高烈度地震區時，其抗震設計更顯得尤為重要。若按常規方法進行抗震設計，勢必會導致原有結構的抗震承載力不足，同時由于地鐵相關規范的要求，對于下部大平臺結構(車輛段的運營區域為大跨度大空間結構)，其結構豎向構件的布置位置和截面均有嚴格的限制。因此，為解決這一困難，我們擬選用層間隔震技術與地鐵車輛段上蓋建筑相結合。

隔震技術是指將隔震層設立在上部結構與基礎或結構標準層之間，使地震作用被隔震層所阻斷，延長結構的自振周期，避開場地的卓越周期，從而使結構的地震反應降低，結構的安全得以保證。通過對隔震層的位置不同進行劃分，我們可以將隔震體系分為基礎隔震與層間隔震。層間隔震是將隔震層設置在建筑物某層(下部幾層)，其設置較為靈巧，使建筑使用方面的要求得以滿足。對于地鐵車輛段上蓋空間開發，根據已有工程經驗，多采用層間隔震。主要原因在于運用庫內存在檢查坑使得地梁無法拉結，對于基礎隔震方案來說是無法滿足隔震構造要求的，所以不推薦使用[2，3]。

2 模型建立

2.1 工程背景

模型采用一棟12層的大平臺框剪結構，模型見圖1，根據車輛段使用功能要求，大平臺層高為13.5 m，分為1層9 m高的運用庫；2層4.5 m高的小汽車庫。大平臺柱網尺寸為9.8 m×8.9 m，見圖2，上部塔樓層高均為3.5 m，見圖3。利用YJK軟件進行建模，隔震模型與非隔震模型的區別在于第三層，即隔震層柱底的不同。隔震模型在第三層柱底設置隔震支座，非隔震模型在第三層柱底設為鉸接。該工程抗震設防烈度為8度(0.20g)，場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第一組，場地特征周期為0.45 s。

2.2 隔震支座的布置與選型

由于大平臺結構與上部單塔結構之間存在剛度突變，且上部住宅剪力墻無落地條件，只能置于小汽車庫頂板，上部結構墻、柱需要進行全部轉換，因此將隔震轉換層設置在住宅底部，使上部框架剪力墻結構的地震反應得以減小。同時下部框架結構也因上部結構地震響應的降低，其受力狀況得到改善，提高了整個結構體系的抗震性能[4]。隔震層由隔震支座組成，根據水平向減震系數確定支座的數量，本文選用某隔震技術公司生產的鉛芯橡膠支座，型號為G4.0-LRB600，具體參數如表1所示。

表1 隔震支座參數

3 抗震結構與隔震結構的地震響應分析

3.1 地震波的選取

根據《建筑結構抗震設計規范》，該工程選取實際5條天然波和2條人工波。7條波的平均譜與規范譜在統計意義上是相符的，且經過計算，彈性時程分析時每條波計算所得結構底部剪力是不小于振型分解反應譜法計算的65%，7條波平均值也是不小于80%，滿足規范要求。規范譜與平均譜如圖4所示。

3.2 隔震與非隔震結構自振特性分析

結構自振周期和振型是其固有的動力特性，與結構所受的外荷載和動力激勵無關，只取決于結構的剛度、質量大小及分布。用YJK建立隔震模型后，隔震前與隔震后結構的主要周期對比如表2所示，可見隔震后的結構自振周期明顯延長，隔震效果明顯。

表2 隔震與非隔震模型周期對比

3.3 地震作用下分析

在8度設防的地震作用下，對非隔震結構和隔震結構進行了7個工況下的動力時程分析，得到了兩種結構的層間剪力平均值及其比值,如表3所示。

表3 隔震模型與非隔震模型層間剪力比值

由表3可知，隔震模型與非隔震模型的最大剪力比值在第4層出現，其數值為0.347 7，上部結構地震力顯著降低，減震效果良好。

隔震結構與非隔震結構，其層間傾覆力矩平均比值如表4所示。

表4 隔震模型與非隔震模型層間傾覆力矩比值

由表4可知，隔震模型與非隔震模型的樓層傾覆力矩比值的平均值最大為0.341 6，且結構層間剪力及其比值的平均最大值為0.347 7，減震系數0.27<β=0.347 7<0.40。此模型設置隔震墊之后結構能達到降低1度目標，即從8度0.2g降低到7度0.10g。可按抗規要求上部計算水平地震影響系數按7度0.10g取0.08。

4 結語

1)隔震技術應用于地鐵車輛段上蓋結構具有較強的安全性，結構的自振周期延長，且在地震作用下結構的樓層剪力和層間傾覆力矩減小明顯，可以滿足工程抗震能力的承載力要求。2)本工程采用隔震技術后，隔震層上部結構設防烈度可以降低1度，但若上部結構隔震與非隔震層間剪力或層間傾覆力矩比超過0.40則不能降低設防烈度，此時可考慮對隔震支座的平面布置進行優化。3)利用層間隔震技術，與傳統抗震設計方法相比，可較好解決地鐵車輛段上部空間開發中遇到的剛度和質量突變問題，希望給類似的實際工程以參考。