层间隔震技术在地铁车辆段大平台上部土地开发上的应用研究

1前言

近年来,随着大都市土地价格的不断增加,人们开始寻求提高城市土地的有效利用率方法,其中一个有效途径是开发地铁上部空间。国内外现已出现了一些成功开发地铁上部空间的工程实例[1]。作为一种特殊的结构形式,这种工程通常面临着许多不同于常规建筑的困难[2]。特别当结构处于高烈度地震区时,其抗震设计极为困难。如果按常规方法进行抗震设计,则极有可能导致原有地铁系统结构的抗震承载力的严重不足,而且受地铁线路及其正常运营要求的限制,对地铁系统的结构进行加固几乎是不可行的。正在建设中北京地铁八王坟车辆段开发工程就面临着此难题,为解决这个工程难题,本文提出在地铁车辆段大平台上部空间开发时采用铅芯橡胶垫隔震技术,将上部建筑结构通过隔震层与下部大平台连接,使得整个系统实际成为一种层间隔震结构形式。隔震是一种新型抗震技术,它通过调整原有结构体系的自振周期,使其远离地震地面运动的卓越周期,从而显著的降低结构地震响应。对于隔震技术,国内外已进行了大量的研究[3～6],并已出现了很多工程应用,其中一些在地震中表现出了良好的抗震性能[7]。层间隔震作为一种新型隔震形式,因其在已有结构增层加固工程以及一些不宜进行采用基础隔震的特殊结构工程中的特有优势,近年来逐渐受到了人们的重视[8,9],并且国内现已建造了少量层间隔震结构的房屋。

为研究在此工程中采用层间隔震技术的减震效果,本文对隔震结构体系进行了非线性时程分析,随后又对1/30比例的结构模型进行了模拟地震动振动台试验研究。理论分析和试验结果表明隔震结构体系抗震性能良好,完全能够满足规范要求,具有很好的应用推广价值。

2工程概况

正在建设中的北京地铁八王坟车辆段开发工程是为提高土地资源利用率,充分利用地铁车辆段上部空间的市级重点工程。工程位于北京市朝阳区高碑店乡,开发平台用地29.4公顷,主体平台东西长1291m,南北宽226m。平台为两层纯框架结构,结构柱网主要为11-7.2(m),柱断面以1-1(m)为主。平台首层层高7.5m,为车辆段层,提供北京复八线地铁车辆停车列检、维修、洗刷保养等服务;平台二层层高4.1m,为设备管道层,平台住宅区的变电所、水泵房、热力站、机动车停车场、各种管理用房和设备管道设置在该层。住宅小区位于距地面约11.6m的2层平台上,总建筑面积54.6万m2,是以6层、9层为主的经济适用住宅小区。

3工程设计特点

该工程将功能、性质完全不同的地铁车辆段和居民住宅小区结合在一起,此开发形式在国内尚属首例,在开发规模、技术难度等方面都是少见的。由于下部两层大平台以地铁车辆段为主,受地铁线路、车辆限界和功能划分影响,下部平台的柱网、柱断面受到严格限制。为保证地铁及时通车运营,两层混凝土平台已基本施工完毕,若按常规抗震设计,在此大平台上建筑9层住宅,将有以下问题:①已施工平台框架柱抗震能力不足;②上部9层住宅设计超限,若单独对9层住宅进行抗震加强,例如,增加抗震墙或加大柱断面等,又导致下部平台抗震剪力增加,使下部平台抗震能力更加不足。所以在不对下部平台柱补强、加固,又不减少上部开发面积的前提下,拟在平台9层住宅部分采用层间橡胶隔震技术,以期既提高9层住宅的抗震安全性,同时改善和降低下部平台的地震作用,使其满足抗震要求。

本工程在距地面约11.6m的2层平台和9层住宅首层之间设置铅芯橡胶垫隔震支座,属于层间隔震技术。该项目已申报国家高技术产业化推进项目,相关的研究课题《超大平台结构抗震及车辆段开发区减振降噪技术研究》为北京市科委资助支持的重大科研项目。

本文仅以最具代表性小区为例,进行隔震计算分析和振动台试验分析研究。该区位于整个八王坟大平台的11区北侧,三类场地,8度设防,在大平台上建筑一幢9层和6层住宅。计算和试验输入的地震波采用北京市勘察设计研究院和中国地震局地质研究所联合提供的地震波,包括1条人工地震波和3条实际强震记录(ElCentro、Taft和八户地震记录),其中人工波为经场地地震安全性评估得到的场地波。地震波水平加速度峰值为:8度小震取0.07g,8度中震取0.20g,8度大震取0.40g。

4计算结果与减震效果分析

计算采用三维空间有限元时程分析程序SAP2000非线性版。计算时考虑非线性变形集中在隔震层,而结构构件均保持线弹性阶段。

计算结果分析整理如下:

综合上述表中数据,9层住宅V隔/V不隔在0.17～0.29之间,小于0.35,可以认为水平减震系数按0.5设计,大平台上9层住宅水平地震作用按降一度即7度设计;大平台V隔/V不隔最大值在0.62～0.79之间,水平地震剪力降低21%～38%,其抗震性能得到改善。

表3显示,9层住宅隔震时最大层间位移角为1/2857,大平台隔震时最大层间位移角为1/1003,均小于1/550,处于弹性状态,满足规范层间弹性位移角限值要求。

5结构模型的振动台试验研究

5.1模型设计和试验方案

根据工程分区大小、高度及试验条件,应用相似理论,设计模型与原型的比例为1:30。由于微粒混凝土材料的弹性模量较小,泊松比和阻尼特性与原型混凝土接近,可反映结构构件开裂等造成的内力重分布的影响,故模型采用微粒混凝土制作。模型采用M7.5、M10微粒混凝土模拟原型C30、C40混凝土,模型材料抽样试验结果:M7.5强度平均值5.09MPa、弹性模量平均值10000MPa,M10强度平均值7.36MPa、弹性模量平均值10700MPa。模型钢筋采用回火镀锌铁丝,根据相似关系选用直径为22#-8#等多种规格。

试验在广州大学工程抗震研究中心进行,地震波的峰值按相似比换算后分别为8度小震取0.155g,8度中震取0.444g,8度大震取0.888g。

5.2试验数据整理和分析

表4～表6给出了隔震前后结构地震响应的试验结果,同时将其与计算结果进行了对比。

从表4看出,隔震后,上部结构的加速度响应显著下降,顶层的下降幅度达74.5%;同时大平台结构的加速度响应也得到一定程度的削减。有限元分析结果与试验结果相差不是很大。

由表中数据看出,在8度小震作用下,与不隔震结构相比,隔震后,9层住宅最大层间位移角明显减小;不隔震结构在中震时已不能满足规范要求,而隔震结构在大震时绝大部分楼层的层间位移角都在规范允许范围之内,可见隔震效果之显著。

另外在试验中观察到,不隔震时,中震试验后,部分大平台边柱的底部和顶部出现裂缝,大震时9层住宅剪力墙根部出现裂缝,柱子底部折断,平台多根边柱出现破损性裂缝,整个结构发生严重破坏;隔震时,中震、大震作用下结构未出现裂缝。对试验前后结构模型的动力特性进行比较发现,不隔震结构在经历中震作用以后,一阶频率下降了47%,而隔震结构在经历中震和大震以后,一阶频率仅下降了5%,动力特性基本没有变化。这说明隔震后,结构构件在大震作用下基本处于弹性阶段,其抗震性能大大得到了提高。

6结语和前景展望

通过进行隔震和不隔震振动台对比试验,同时用SAP2000进行三维动力分析,将理论分析和试验结果进行对比,得到以下两点结论:

采用隔震技术后,减震效果明显,结构的抗震性能大大得到改善。大平台上9层住宅水平地震作用可按降一度即7度设计;

从试验和程序计算结果对比来看,虽然存在一定的误差,但考虑到试验环境的复杂性和计算模型的近似性,存在这样的误差在工程上可以接受,所以试验和程序计算成果可以作为上部住宅结构设计、隔震方案设计的依据。

橡胶垫隔震作为新兴的工程减震技术由于在我国仍处于探索应用阶段,但随着我国第一部隔震技术规范即将颁布,橡胶垫隔震技术必将在我国得到广泛的应用和发展,橡胶隔震技术在地铁车辆段上部空间开发大平台上的应用,既可对隔震技术进行完善和补充,又可应用于拟建设的北京地铁5号线和八通线车辆段上盖开发,同时对国内其他城市的地铁车辆段、其他类似公交停车场、铁路站场的上盖开发亦有指导和借鉴意义。