某高烈度區(qū)地鐵控制中心結(jié)構(gòu)選型研究

史月珍

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

1 工程概況

筆者主持設計的某地鐵控制中心為地下兩層、地上五層建筑，建筑高度25.35 m，建筑面積21 532 m2，具有行車調(diào)度、電力調(diào)度、環(huán)境與設備調(diào)度、防災指揮等運營調(diào)度和指揮功能，并對地鐵運營的全過程進行集中監(jiān)控和管理，同時兼做防災和應急指揮中心，要求結(jié)構(gòu)具有較高的安全性和可靠性。

建筑剖面圖如圖1 所示。

圖1 建筑剖面圖（僅示出地上）

2 設計依據(jù)及主要建筑分類等級

該地區(qū)抗震設防烈度為8 度（0.20 g），設計地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅱ類。抗震設防類別為重點設防類，安全等級為一級，重要性系數(shù)為1.1。控制中心是地鐵運營管理最為重要的建筑之一，GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定，按100 年使用年限設計。

由于目前房屋建筑規(guī)范可變荷載（作用）都是基于設計基準期50 值取值。對于設計使用年限為100 年的建筑，其可變荷載（作用）尤其是地震作用需要調(diào)整。參考相關書籍文獻，設計使用年限為100 年時，該項目相當于設防烈度為8.49 度，設計基本地震加速度為0.28 g。設計使用年限為100年地震參數(shù)如表1 所示。

表1 設計使用年限為100 年地震參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)選型

由于本項目抗震設防烈度較高，純框架結(jié)構(gòu)體系試算時當框架柱采用1 100 mm×1 100 mm 截面尺寸時，在小震作用下的層間位移角僅為1/299，很難滿足地震作用下層間位移角1/550 規(guī)范限值的要求。因此在結(jié)構(gòu)選型初期，重點研究了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、帶隔震層的框架結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系。

3.1 框剪-剪力墻結(jié)構(gòu)

主要構(gòu)件截面：墻厚850 mm，750 mm；框架柱1 000 mm×1 000 mm；框架梁450 mm×900 mm。

采用盈建科結(jié)構(gòu)計算軟件得到結(jié)構(gòu)在小震作用下的主要計算控制指標：扭轉(zhuǎn)周期比為0.279 9/0.437 2=0.64；最大層間位移角X向地震作用為1/1 188，Y向地震作用為1/1 013；偶然偏心的位移比為1.36。

該結(jié)構(gòu)在小震作用下的主要計算指標基本滿足規(guī)范要求。鑒于控制中心的重要性，設計補充了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下彈塑性變形計算，采用了三維靜力彈塑性push-over 分析方法。該方法是一種考慮材料非線性對建筑物的抗震性能進行評價的方法，push-over 分析后，可以得出結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件在水平側(cè)移下的出鉸情況。

X方向整體推覆破壞如圖2 所示。Y方向首層推覆破壞如圖3 所示。

圖2 X 方向整體推覆破壞

圖3 Y 方向首層推覆破壞

推覆分析結(jié)果可以看出，無論是X向還是Y向的地震作用下，結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件剪力墻、框架柱、框架梁在罕遇地震作用下破壞均較嚴重，建筑物在罕遇地震作用下使用功能會中斷。

3.2 帶隔震層的框架結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)高寬比小于4，體系以框架結(jié)構(gòu)為主，接近剪切變形的特征；建筑場地類別不超過Ⅲ類；風荷載及其他非地震作用的水平荷載產(chǎn)生的水平力不超過結(jié)構(gòu)總重力的10%，因此，本工程采用隔震技術具備可行性。

本工程借助地下室布置隔震層及隔震支座，以地下室頂板（零層板）作為隔震層，并作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。隔振支座在每個框架柱底設置，隔振支座采用鉛芯橡膠支座LRB1100-240 和天然橡膠支座NRB1100 兩種類型。隔震支座參數(shù)如表2 所示。

表2 隔震支座參數(shù)表

本工程采用ETABS 有限元分析軟件對隔震與非隔震結(jié)構(gòu)進行了多遇地震下的彈性時程分析。地震波采用5 組天然波和2 組人工波。平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應譜所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符，在結(jié)構(gòu)主要振型對應的周期點上，相差不超過20%。時程分析均采用雙向輸入（1.00∶0.85），天然波、人工波的峰值加速度修正值取主方向98 cm/s2，次方向83.3 cm/s2。

通過計算分析，時程分析時選用的每條地震波所得基底剪力均大于反應譜法所得基底剪力的65%，小于反應譜法的135%；平均值大于反應譜法的80%且小于反應譜法的120%，符合《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定，所選用地震波滿足工程需要。

非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的周期對比如表3 所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，隔震結(jié)構(gòu)的周期較非隔震結(jié)構(gòu)增大比較明顯，結(jié)構(gòu)第一周期從0.698 s 延長至2.212 s，增大了3.2 倍，已經(jīng)遠離了建筑場地的特征周期（0.40 s），地震作用影響系數(shù)大大降低，達到了預期目標。

表3 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)周期對比

采用ETABS 有限元分析軟件對隔震與非隔震結(jié)構(gòu)進行了設防地震下的彈性時程分析，以期得到結(jié)構(gòu)采用隔震技術后的水平減震系數(shù)。設防地震下隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力對比如表4 所示。

表4 設防地震下隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力對比

綜合X、Y向地震作用計算，采用隔震技術后水平減震系數(shù)β=0.24。根據(jù)抗規(guī)規(guī)定，根據(jù)αmax1=βαmax/ψ計算得到隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmax1為0.063。結(jié)構(gòu)承載力設計時，偏于安全考慮，地震影響系數(shù)最大值按7 度（0.15 g）取值，取為0.12。水平減震系數(shù)小于0.38，上部結(jié)構(gòu)的抗震措施可降低一度。

隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性分析亦表明，結(jié)構(gòu)采用隔震技術后，梁柱均無塑性鉸出現(xiàn)，可保證控制中心結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的正常運行。

4 結(jié)語

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系中剪力墻布置會影響建筑平面布局和功能使用，空間布置不靈活，并且在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能不高，地震過程中使用功能會中斷。而采用隔震技術后由于上部結(jié)構(gòu)改為框架結(jié)構(gòu)體系，空間開敞，功能布置靈活，能夠很好滿足使用功能要求，并且結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用抗震性能良好，地震過程中能夠保證使用功能不中斷，滿足地鐵控制中心重要建筑物的功能定位。

近年來，一些應用了減隔震技術的工程在幾次大地震中經(jīng)受住了實際地震的考驗，保證了人民生命財產(chǎn)安全，產(chǎn)生了良好的社會效益。國家也相繼出臺了一些文件鼓勵高烈度區(qū)重要建筑采用減隔震技術。本文的研究對高烈度區(qū)重要建筑隔震技術的應用可提供一定的參考價值。