某地铁上盖学校隔震设计

王晓哲

(广州大学土木工程学院)

某地铁上盖学校隔震设计

王晓哲

(广州大学土木工程学院)

随着城市地下交通网络的不断发展，越来越多的城市拥有了地铁。本文以某地铁上盖学校为例进行隔震设计，通过添加橡胶隔震支座使学校在地震作用下承受的剪力和弯矩大大地减小，以此来减轻地下地铁对上部结构的影响，保证上部结构的安全。本文给地铁上盖建筑的隔震设计提供一个示例。

地铁上盖；隔震设计；时程分析

1　引言

随着城市的不断发展，中国城市的地铁也越来越多，随之而来的就是地铁上盖建筑的增加。而地铁上盖建筑会因受到建筑下部地铁经过震动的影响而对建筑造成损坏。为了避免由于地铁经过而对建筑造成的破坏，可以采用隔震设计，以此来减小建筑层间剪力和位移，达到对结构的保护。

本文采用有限元软件对地铁上盖学校进行隔震设计，以此为例分析地铁上建筑的隔震设计。

2　工程概况

该项目位于广州市，工程用途是学校。设计基准期和使用年限都为50年，建筑类别为乙类，基本风压为0.5kN/m2，风荷载体型系数为1.4，二类场地场地特征周期为0.35s，7度设防基本地震加速度为0.1g，地震分组为第一组，场地粗糙度为B类。该建筑为钢筋混凝土框架结构，第一层为隔震层，层高1.95m，隔震层以上三层，层高分别为4.5m、4.2m、4.2m。图1为隔震层和第一层的平面图，图2为第二层和第三层的平面图。

图1　隔震层和第一层的平面图

图2　第二层和第三层的平面图

本项目利用中国建筑科学院开发的商业软件PKPM/SATWE进行结构的常规分析和设计，利用美国CSI公司开发的商业有限元软件ETABS的非线性版本进行常规结构分析和隔震结构的非线性时程分析。其中ETABS模型是依据PKPM的模型建立得到的。

2　隔震支座的布置和选型

结构属于乙类建筑，根据《建筑抗震设计规范》[1]（GB50011-2010，以下简称《抗规》）12.2.3条规定，隔震橡胶支座在重力荷载代表值的竖向压应力不应超过12MPa。我们依据从PKPM和ETABS中提取的竖向轴力来确定隔震橡胶支座的选型。隔震支座布置图如图3所示。

图3　水平隔震支座布置图

该结构隔震层共布置了58个橡胶隔震支座，共选择了8个型号。其中LNR-G4-D500-Tr68-C25共18个，LRB-G4-D500-Tr68-C90共6个，LNR-G4-D600-Tr80-C30共3个，LRB-G4-D600-Tr80-C120共4个，LNR-G4-D700-Tr95-C35共3个，LRB-G4-D700-Tr95-C140共12个，LNR-G4-D800-Tr102-C40共10个，LNR-G4-D900-Tr120-C45共2个，共计58个。

3　隔震结构静力特性计算

3.1隔震结构参数

该隔震结构参数见表1。采用隔震支座变形100%等效刚度对应的周期为1.934s，屈重比设置为2.5%。

表1　隔震结构参数

3.2隔震支座压应力设计

该隔震结构在重力荷载代表值下支座压应力设计值见表2。

表2　隔震支座压应力设计值

3.3隔震支座性能设计

橡胶隔震支座性能设计值见表3。

表3　水平隔震用橡胶隔震支座设计值

3.4隔震结构偏心率

布置隔震支座后，结构X、Y方向整体偏心率计算结果参见表4。结构X向和Y向的偏心率分别为-0.04%、-0.29%，隔震结构偏心很小。

表4　隔震结构偏心率的计算

3.5隔震结构抗风计算

对隔震结构，在设计风荷载作用下，隔震结构应不产生水平位移，即要求隔震结构所受风荷载的设计值应小于隔震结构各支座的屈服力。表5为隔震结构风荷载验算结果。

表5　隔震结构风荷载验算

4　隔震结构动力计算分析

4.1地震波的选择

该隔震建筑属乙类建筑，按《建筑抗震设计规范》[1]（GB50011-2010）要求不少于3条地震波，本工程设计拟采用7条地震波。其中，人工合成加速度时程曲线3条，与规范地震影响系数曲线在统计意义上相符的强震记录4条，如图4所示。

图4　七条地震波与规范反应谱的对比

4.2设防烈度地震作用下结构反应对比

隔震后结构周期由1.178增加到1.934。设防烈度地震作用下，隔震上部结构X向、Y向层间剪力计算对比分别见表6、表7。上部结构X向、Y向倾覆弯矩计算对比分别见表8、表9。

由表6、表7计算结果可知，7度设防地震作用下，隔震结构隔震层上部层剪力与非隔震结构层剪力比最大值为0.624；由表8、表9计算结果可知，7度设防地震作用下，隔震结构隔震层上部层倾覆弯矩与非隔震结构层倾覆弯矩之比最大值为0.624。

表6　设防烈度地震下上部结构X向层间剪力对比分析

表7　设防烈度地震下上部结构Y向层间剪力对比分析

表8　设防烈度地震下上部结构X向地震楼层倾覆力矩对比分析

表9　设防烈度地震下上部结构Y向地震楼层倾覆力矩对比分析

表10　 7度罕遇地震下上部结构X向层间位移角倒数（1/θ）

表11　 7度罕遇地震下上部结构Y向层间位移角倒数1/θ

表12　 7度罕遇地震下隔震层的最大水平位移

4.3罕遇地震作用下隔震结构反应

7度罕遇地震作用下学校结构隔震后隔震层上部结构X向、Y向层间位移角倒数分别见表10、表11。

由表10和表11可见，7度罕遇地震下，隔震后上部结构层间位移角（各波平均值）最大值为1/391。即7度罕遇地震作用下，隔震后上部结构满足规范关于框架结构罕遇地震作用下层间弹塑性位移角1/100的限值的要求。

7度罕遇地震作用下，隔震结构隔震层的最大水平位移见表12。

《叠层橡胶支座隔震技术规程》[2]规定的隔震橡胶支座的最大容许位移为0.55Dr和3Tr中的最小值，即隔震支座最大容许位移为min{0.55Dr，3Tr}=min {0.55×500，3×68}=204mm。由表12可知，7度设防烈度罕遇地震下，隔震层最大位移满足支座最大允许位移的要求。

4.4罕遇地震作用下隔震支座拉压应力校核

隔震支座的面压由长期面压和短期面压分别控制，长期面压考虑了重力荷载代表值的作用。短期面压同时考虑了水平罕遇地震的作用。长期极大面压的轴力计算为：1.2×恒载+0.5×活+罕遇水平地震力产生的最大轴力+0.3×竖向地震力产生的轴力。隔震支座在罕遇地震下拉应力（即短期极小面压）验算，主要考虑的水平地震、竖向地震、恒载及活载的作用，拉力计算公式为：1.0×恒载+0.5×活载-1.0×罕遇水平地震力产生的最大轴力-0.5×竖向地震力产生的轴力。经计算，该结构隔震支座的拉压应力均满足规范的要求。

5　结构设计

5.1上部结构设计

上部结构考虑竖向地震作用按原设防烈度进行验算。上部结构抗震措施按《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）可不降低楼面采用现浇梁板。首层楼面梁板尺寸均比一般楼面的梁板尺寸加大（可按《建筑抗震设计规范》要求厚度大于等于160mm）。

5.2下部结构及基础设计

隔震支座的柱头(包括隔震支座上、下柱头)的验算，考虑罕遇地震时地震作用以及隔震支座最大水平位移时附加弯矩的影响。依据规范《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）12.2.9条和《叠层橡胶支座隔震技术规程》(CECS 126:2001)4.5.1条规定，隔震层以下结构（包括支墩，柱子，墙体，地下室等）的地震作用和抗震验算，应按罕遇地震作用下隔震支座底部的水平剪力、竖向力及其偏心距进行验算。依据规范《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）12.2.9条的规定，隔震建筑地基基础的抗震验算和地基处理仍应按本地区抗震设防烈度进行。

6　结论

本文对该地铁上盖学校进行隔震设计，可以得到以下结论：

⑴同一建筑，采用隔振技术能有效地降低地震作用，同样，也可以非常有效地降低由于地铁经过产生振动对结构的影响。

⑵7度设防烈度地震（0.1g）作用下，隔震结构与非隔震结构层剪力比最大值和倾覆力矩之比最大值为0.624，上部结构水平地震作用减少了40%。

⑶7度罕遇地震作用下，上部结构层间位移角最大值分别为1/391，上部结构在7度罕遇地震作用下层间位移角满足《建筑抗震设计规范》关于框架结构层间弹塑性位移角限值的要求。

⑷7度罕遇地震作用下，隔震层最大位移满足支座最大容许位移的要求。

⑸隔震结构虽然减小了地震力的作用，但考虑竖向地震力的影响，仍按原有设防烈度进行设计。●

[1]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]CECS 126-2001，叠层橡胶支座隔震技术规程[S].北京：中国计划出版社，2001.