層間隔震技術在地鐵車輛段大平臺上部土地開發上的應用研究

摘要:為開發北京地鐵八王墳車輛段大平臺上部空間,層間隔震技術被采用。通過非線性時程分析和模擬地震動振動臺試驗,研究了此層間隔震結構體系的抗震性能。研究結果表明采用隔震技術后,結構體系抗震性能得到很大提高,其地震響應滿足規范要求。
關鍵詞:層間隔震;地鐵車輛段;上部空間開發;大平臺結構

1 前言
近年來,隨著大都市土地價格的不斷增加,人們開始尋求提高城市土地的有效利用率方法,其中一個有效途徑是開發地鐵上部空間。國內外現已出現了一些成功開發地鐵上部空間的工程實例[1]。作為一種特殊的結構形式,這種工程通常面臨著許多不同于常規建筑的困難[2]。特別當結構處于高烈度地震區時,其抗震設計極為困難。如果按常規方法進行抗震設計,則極有可能導致原有地鐵系統結構的抗震承載力的嚴重不足,而且受地鐵線路及其正常運營要求的限制,對地鐵系統的結構進行加固幾乎是不可行的。正在建設中北京地鐵八王墳車輛段開發工程就面臨著此難題,為解決這個工程難題,本文提出在地鐵車輛段大平臺上部空間開發時采用鉛芯橡膠墊隔震技術,將上部建筑結構通過隔震層與下部大平臺連接,使得整個系統實際成為一種層間隔震結構形式。隔震是一種新型抗震技術,它通過調整原有結構體系的自振周期,使其遠離地震地面運動的卓越周期,從而顯著的降低結構地震響應。對于隔震技術,國內外已進行了大量的研究[3～6],并已出現了很多工程應用,其中一些在地震中表現出了良好的抗震性能[7]。層間隔震作為一種新型隔震形式,因其在已有結構增層加固工程以及一些不宜進行采用基礎隔震的特殊結構工程中的特有優勢,近年來逐漸受到了人們的重視[8,9],并且國內現已建造了少量層間隔震結構的房屋。
為研究在此工程中采用層間隔震技術的減震效果,本文對隔震結構體系進行了非線性時程分析,隨后又對1/30比例的結構模型進行了模擬地震動振動臺試驗研究。理論分析和試驗結果表明隔震結構體系抗震性能良好,完全能夠滿足規范要求,具有很好的應用推廣價值。
2 工程概況
正在建設中的北京地鐵八王墳車輛段開發工程是為提高土地資源利用率,充分利用地鐵車輛段上部空間的市級重點工程。工程位于北京市朝陽區高碑店鄉,開發平臺用地29.4公頃,主體平臺東西長1291m,南北寬226m。平臺為兩層純框架結構,結構柱網主要為11×7.2(m),柱斷面以1×1(m)為主。平臺首層層高7.5m,為車輛段層,提供北京復八線地鐵車輛停車列檢、維修、洗刷保養等服務;平臺二層層高4.1m,為設備管道層,平臺住宅區的變電所、水泵房、熱力站、機動車停車場、各種管理用房和設備管道設置在該層。住宅小區位于距地面約11.6m的2層平臺上,總建筑面積54.6萬m2,是以6層、9層為主的經濟適用住宅小區。
3 工程設計特點　　
該工程將功能、性質完全不同的地鐵車輛段和居民住宅小區結合在一起,此開發形式在國內尚屬首例,在開發規模、技術難度等方面都是少見的。由于下部兩層大平臺以地鐵車輛段為主,受地鐵線路、車輛限界和功能劃分影響,下部平臺的柱網、柱斷面受到嚴格限制。為保證地鐵及時通車運營,兩層混凝土平臺已基本施工完畢,若按常規抗震設計,在此大平臺上建筑9層住宅,將有以下問題:①已施工平臺框架柱抗震能力不足;②上部9層住宅設計超限,若單獨對9層住宅進行抗震加強,例如,增加抗震墻或加大柱斷面等,又導致下部平臺抗震剪力增加,使下部平臺抗震能力更加不足。所以在不對下部平臺柱補強、加固,又不減少上部開發面積的前提下,擬在平臺9層住宅部分采用層間橡膠隔震技術,以期既提高9層住宅的抗震安全性,同時改善和降低下部平臺的地震作用,使其滿足抗震要求。
本工程在距地面約11.6m的2層平臺和9層住宅首層之間設置鉛芯橡膠墊隔震支座,屬于層間隔震技術。該項目已申報國家高技術產業化推進項目,相關的研究課題《超大平臺結構抗震及車輛段開發區減振降噪技術研究》為北京市科委資助支持的重大科研項目。
本文僅以最具代表性小區為例,進行隔震計算分析和振動臺試驗分析研究。該區位于整個八王墳大平臺的11區北側,三類場地,8度設防,在大平臺上建筑一幢9層和6層住宅。計算和試驗輸入的地震波采用北京市勘察設計研究院和中國地震局地質研究所聯合提供的地震波,包括1條人工地震波和3條實際強震記錄(ElCentro、Taft和八戶地震記錄),其中人工波為經場地地震安全性評估得到的場地波。地震波水平加速度峰值為:8度小震取0.07g,8度中震取0.20g,8度大震取0.40g。
4 計算結果與減震效果分析
計算采用三維空間有限元時程分析程序SAP2000非線性版。計算時考慮非線性變形集中在隔震層,而結構構件均保持線彈性階段。
計算結果分析整理如下:　　
綜合上述表中數據,9層住宅V隔/V不隔在0.17～0.29之間,小于0.35,可以認為水平減震系數按0.5設計,大平臺上9層住宅水平地震作用按降一度即7度設計;大平臺V隔/V不隔最大值在0.62～0.79之間,水平地震剪力降低21%～38%,其抗震性能得到改善。　　
表3顯示,9層住宅隔震時最大層間位移角為1/2857,大平臺隔震時最大層間位移角為1/1003,均小于1/550,處于彈性狀態,滿足規范層間彈性位移角限值要求。

5 結構模型的振動臺試驗研究
5.1 模型設計和試驗方案
根據工程分區大小、高度及試驗條件,應用相似理論,設計模型與原型的比例為1:30。由于微粒混凝土材料的彈性模量較小,泊松比和阻尼特性與原型混凝土接近,可反映結構構件開裂等造成的內力重分布的影響,故模型采用微粒混凝土制作。模型采用M7.5、M10微粒混凝土模擬原型C30、C40混凝土,模型材料抽樣試驗結果:M7.5強度平均值5.09MPa、彈性模量平均值10000MPa,M10強度平均值7.36MPa、彈性模量平均值10700MPa。模型鋼筋采用回火鍍鋅鐵絲,根據相似關系選用直徑為22#-8#等多種規格。
試驗在廣州大學工程抗震研究中心進行,地震波的峰值按相似比換算后分別為8度小震取0.155g,8度中震取0.444g,8度大震取0.888g。
5.2 試驗數據整理和分析
表4～表6給出了隔震前后結構地震響應的試驗結果,同時將其與計算結果進行了對比。

從表4看出,隔震后,上部結構的加速度響應顯著下降,頂層的下降幅度達74.5%;同時大平臺結構的加速度響應也得到一定程度的削減。有限元分析結果與試驗結果相差不是很大。
由表中數據看出,在8度小震作用下,與不隔震結構相比,隔震后,9層住宅最大層間位移角明顯減小;不隔震結構在中震時已不能滿足規范要求,而隔震結構在大震時絕大部分樓層的層間位移角都在規范允許范圍之內,可見隔震效果之顯著。
另外在試驗中觀察到,不隔震時,中震試驗后,部分大平臺邊柱的底部和頂部出現裂縫,大震時9層住宅剪力墻根部出現裂縫,柱子底部折斷,平臺多根邊柱出現破損性裂縫,整個結構發生嚴重破壞;隔震時,中震、大震作用下結構未出現裂縫。對試驗前后結構模型的動力特性進行比較發現,不隔震結構在經歷中震作用以后,一階頻率下降了47%,而隔震結構在經歷中震和大震以后,一階頻率僅下降了5%,動力特性基本沒有變化。這說明隔震后,結構構件在大震作用下基本處于彈性階段,其抗震性能大大得到了提高。
6結語和前景展望
通過進行隔震和不隔震振動臺對比試驗,同時用SAP2000進行三維動力分析,將理論分析和試驗結果進行對比,得到以下兩點結論:
采用隔震技術后,減震效果明顯,結構的抗震性能大大得到改善。大平臺上9層住宅水平地震作用可按降一度即7度設計;
從試驗和程序計算結果對比來看,雖然存在一定的誤差,但考慮到試驗環境的復雜性和計算模型的近似性,存在這樣的誤差在工程上可以接受,所以試驗和程序計算成果可以作為上部住宅結構設計、隔震方案設計的依據。
橡膠墊隔震作為新興的工程減震技術由于在我國仍處于探索應用階段,但隨著我國第一部隔震技術規范即將頒布,橡膠墊隔震技術必將在我國得到廣泛的應用和發展,橡膠隔震技術在地鐵車輛段上部空間開發大平臺上的應用,既可對隔震技術進行完善和補充,又可應用于擬建設的北京地鐵5號線和八通線車輛段上蓋開發,同時對國內其他城市的地鐵車輛段、其他類似公交停車場、鐵路站場的上蓋開發亦有指導和借鑒意義。

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