層間隔震技術(shù)在地鐵車輛段大平臺上部土地開發(fā)上的應用研究
摘要:為開發(fā)北京地鐵八王墳車輛段大平臺上部空間,層間隔震技術(shù)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(jié)構(gòu)體系的抗震性能。研究結(jié)果表明采用隔震技術(shù)后,結(jié)構(gòu)體系抗震性能得到很大提高,其地震響應滿足規(guī)范要求。
關(guān)鍵詞:層間隔震;地鐵車輛段;上部空間開發(fā);大平臺結(jié)構(gòu)
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(fā)地鐵上部空間。國內(nèi)外現(xiàn)已出現(xiàn)了一些成功開發(fā)地鐵上部空間的工程實例[1]。作為一種特殊的結(jié)構(gòu)形式,這種工程通常面臨著許多不同于常規(guī)建筑的困難[2]。特別當結(jié)構(gòu)處于高烈度地震區(qū)時,其抗震設(shè)計極為困難。如果按常規(guī)方法進行抗震設(shè)計,則極有可能導致原有地鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行加固幾乎是不可行的。正在建設(shè)中北京地鐵八王墳車輛段開發(fā)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(fā)時采用鉛芯橡膠墊隔震技術(shù),將上部建筑結(jié)構(gòu)通過隔震層與下部大平臺連接,使得整個系統(tǒng)實際成為一種層間隔震結(jié)構(gòu)形式。隔震是一種新型抗震技術(shù),它通過調(diào)整原有結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)地震響應。對于隔震技術(shù),國內(nèi)外已進行了大量的研究[3～6],并已出現(xiàn)了很多工程應用,其中一些在地震中表現(xiàn)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(jié)構(gòu)增層加固工程以及一些不宜進行采用基礎(chǔ)隔震的特殊結(jié)構(gòu)工程中的特有優(yōu)勢,近年來逐漸受到了人們的重視[8,9],并且國內(nèi)現(xiàn)已建造了少量層間隔震結(jié)構(gòu)的房屋。
為研究在此工程中采用層間隔震技術(shù)的減震效果,本文對隔震結(jié)構(gòu)體系進行了非線性時程分析,隨后又對1/30比例的結(jié)構(gòu)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(jié)果表明隔震結(jié)構(gòu)體系抗震性能良好,完全能夠滿足規(guī)范要求,具有很好的應用推廣價值。
2 工程概況
正在建設(shè)中的北京地鐵八王墳車輛段開發(fā)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(qū)高碑店鄉(xiāng),開發(fā)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(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)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(yǎng)等服務;平臺二層層高4.1m,為設(shè)備管道層,平臺住宅區(qū)的變電所、水泵房、熱力站、機動車停車場、各種管理用房和設(shè)備管道設(shè)置在該層。住宅小區(qū)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(jīng)濟適用住宅小區(qū)。
3 工程設(shè)計特點
該工程將功能、性質(zhì)完全不同的地鐵車輛段和居民住宅小區(qū)結(jié)合在一起,此開發(fā)形式在國內(nèi)尚屬首例,在開發(fā)規(guī)模、技術(shù)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(wǎng)、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(guī)抗震設(shè)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(shè)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(fā)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(shù),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(shè)置鉛芯橡膠墊隔震支座,屬于層間隔震技術(shù)。該項目已申報國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推進項目,相關(guān)的研究課題《超大平臺結(jié)構(gòu)抗震及車輛段開發(fā)區(qū)減振降噪技術(shù)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(qū)為例,進行隔震計算分析和振動臺試驗分析研究。該區(qū)位于整個八王墳大平臺的11區(qū)北側(cè),三類場地,8度設(shè)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(shè)計研究院和中國地震局地質(zhì)研究所聯(lián)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(jīng)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(jié)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(jié)構(gòu)構(gòu)件均保持線彈性階段。
計算結(jié)果分析整理如下:
綜合上述表中數(shù)據(jù),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(shù)按0.5設(shè)計,大平臺上9層住宅水平地震作用按降一度即7度設(shè)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(tài),滿足規(guī)范層間彈性位移角限值要求。
5 結(jié)構(gòu)模型的振動臺試驗研究
5.1 模型設(shè)計和試驗方案
根據(jù)工程分區(qū)大小、高度及試驗條件,應用相似理論,設(shè)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(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂等造成的內(nèi)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(jié)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(jù)相似關(guān)系選用直徑為22#-8#等多種規(guī)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(shù)據(jù)整理和分析
表4～表6給出了隔震前后結(jié)構(gòu)地震響應的試驗結(jié)果,同時將其與計算結(jié)果進行了對比。
從表4看出,隔震后,上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的加速度響應也得到一定程度的削減。有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果相差不是很大。
由表中數(shù)據(jù)看出,在8度小震作用下,與不隔震結(jié)構(gòu)相比,隔震后,9層住宅最大層間位移角明顯減小;不隔震結(jié)構(gòu)在中震時已不能滿足規(guī)范要求,而隔震結(jié)構(gòu)在大震時絕大部分樓層的層間位移角都在規(guī)范允許范圍之內(nèi),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(xiàn)裂縫,大震時9層住宅剪力墻根部出現(xiàn)裂縫,柱子底部折斷,平臺多根邊柱出現(xiàn)破損性裂縫,整個結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重破壞;隔震時,中震、大震作用下結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫。對試驗前后結(jié)構(gòu)模型的動力特性進行比較發(fā)現(xiàn),不隔震結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷中震作用以后,一階頻率下降了47%,而隔震結(jié)構(gòu)在經(jīng)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)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(jié)果進行對比,得到以下兩點結(jié)論:
采用隔震技術(shù)后,減震效果明顯,結(jié)構(gòu)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(shè)計;
從試驗和程序計算結(jié)果對比來看,雖然存在一定的誤差,但考慮到試驗環(huán)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(jié)構(gòu)設(shè)計、隔震方案設(shè)計的依據(jù)。
橡膠墊隔震作為新興的工程減震技術(shù)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(shù)規(guī)范即將頒布,橡膠墊隔震技術(shù)必將在我國得到廣泛的應用和發(fā)展,橡膠隔震技術(shù)在地鐵車輛段上部空間開發(fā)大平臺上的應用,既可對隔震技術(shù)進行完善和補充,又可應用于擬建設(shè)的北京地鐵5號線和八通線車輛段上蓋開發(fā),同時對國內(nèi)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(fā)亦有指導和借鑒意義。
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