某高烈度区地铁控制中心结构选型研究

史月珍

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

1 工程概况

笔者主持设计的某地铁控制中心为地下两层、地上五层建筑，建筑高度25.35 m，建筑面积21 532 m2，具有行车调度、电力调度、环境与设备调度、防灾指挥等运营调度和指挥功能，并对地铁运营的全过程进行集中监控和管理，同时兼做防灾和应急指挥中心，要求结构具有较高的安全性和可靠性。

建筑剖面图如图1 所示。

图1 建筑剖面图（仅示出地上）

2 设计依据及主要建筑分类等级

该地区抗震设防烈度为8 度（0.20 g），设计地震分组为第二组。建筑场地类别为Ⅱ类。抗震设防类别为重点设防类，安全等级为一级，重要性系数为1.1。控制中心是地铁运营管理最为重要的建筑之一，GB 50157—2013《地铁设计规范》规定，按100 年使用年限设计。

由于目前房屋建筑规范可变荷载（作用）都是基于设计基准期50 值取值。对于设计使用年限为100 年的建筑，其可变荷载（作用）尤其是地震作用需要调整。参考相关书籍文献，设计使用年限为100 年时，该项目相当于设防烈度为8.49 度，设计基本地震加速度为0.28 g。设计使用年限为100年地震参数如表1 所示。

表1 设计使用年限为100 年地震参数

3 结构选型

由于本项目抗震设防烈度较高，纯框架结构体系试算时当框架柱采用1 100 mm×1 100 mm 截面尺寸时，在小震作用下的层间位移角仅为1/299，很难满足地震作用下层间位移角1/550 规范限值的要求。因此在结构选型初期，重点研究了框架-剪力墙结构、带隔震层的框架结构两种结构体系。

3.1 框剪-剪力墙结构

主要构件截面：墙厚850 mm，750 mm；框架柱1 000 mm×1 000 mm；框架梁450 mm×900 mm。

采用盈建科结构计算软件得到结构在小震作用下的主要计算控制指标：扭转周期比为0.279 9/0.437 2=0.64；最大层间位移角X向地震作用为1/1 188，Y向地震作用为1/1 013；偶然偏心的位移比为1.36。

该结构在小震作用下的主要计算指标基本满足规范要求。鉴于控制中心的重要性，设计补充了结构在罕遇地震下弹塑性变形计算，采用了三维静力弹塑性push-over 分析方法。该方法是一种考虑材料非线性对建筑物的抗震性能进行评价的方法，push-over 分析后，可以得出结构中各构件在水平侧移下的出铰情况。

X方向整体推覆破坏如图2 所示。Y方向首层推覆破坏如图3 所示。

图2 X 方向整体推覆破坏

图3 Y 方向首层推覆破坏

推覆分析结果可以看出，无论是X向还是Y向的地震作用下，结构主要受力构件剪力墙、框架柱、框架梁在罕遇地震作用下破坏均较严重，建筑物在罕遇地震作用下使用功能会中断。

3.2 带隔震层的框架结构体系

结构高宽比小于4，体系以框架结构为主，接近剪切变形的特征；建筑场地类别不超过Ⅲ类；风荷载及其他非地震作用的水平荷载产生的水平力不超过结构总重力的10%，因此，本工程采用隔震技术具备可行性。

本工程借助地下室布置隔震层及隔震支座，以地下室顶板（零层板）作为隔震层，并作为上部结构的嵌固端。隔振支座在每个框架柱底设置，隔振支座采用铅芯橡胶支座LRB1100-240 和天然橡胶支座NRB1100 两种类型。隔震支座参数如表2 所示。

表2 隔震支座参数表

本工程采用ETABS 有限元分析软件对隔震与非隔震结构进行了多遇地震下的弹性时程分析。地震波采用5 组天然波和2 组人工波。平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，在结构主要振型对应的周期点上，相差不超过20%。时程分析均采用双向输入（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。

通过计算分析，时程分析时选用的每条地震波所得基底剪力均大于反应谱法所得基底剪力的65%，小于反应谱法的135%；平均值大于反应谱法的80%且小于反应谱法的120%，符合《建筑抗震设计规范》规定，所选用地震波满足工程需要。

非隔震结构和隔震结构的周期对比如表3 所示。通过对比可以发现，隔震结构的周期较非隔震结构增大比较明显，结构第一周期从0.698 s 延长至2.212 s，增大了3.2 倍，已经远离了建筑场地的特征周期（0.40 s），地震作用影响系数大大降低，达到了预期目标。

表3 隔震与非隔震结构周期对比

采用ETABS 有限元分析软件对隔震与非隔震结构进行了设防地震下的弹性时程分析，以期得到结构采用隔震技术后的水平减震系数。设防地震下隔震结构与非隔震结构层间剪力对比如表4 所示。

表4 设防地震下隔震结构与非隔震结构层间剪力对比

综合X、Y向地震作用计算，采用隔震技术后水平减震系数β=0.24。根据抗规规定，根据αmax1=βαmax/ψ计算得到隔震后水平地震影响系数最大值αmax1为0.063。结构承载力设计时，偏于安全考虑，地震影响系数最大值按7 度（0.15 g）取值，取为0.12。水平减震系数小于0.38，上部结构的抗震措施可降低一度。

隔震结构在罕遇地震下的弹塑性分析亦表明，结构采用隔震技术后，梁柱均无塑性铰出现，可保证控制中心结构在罕遇地震下的正常运行。

4 结语

框架-剪力墙结构体系中剪力墙布置会影响建筑平面布局和功能使用，空间布置不灵活，并且在罕遇地震作用下结构的抗震性能不高，地震过程中使用功能会中断。而采用隔震技术后由于上部结构改为框架结构体系，空间开敞，功能布置灵活，能够很好满足使用功能要求，并且结构在罕遇地震作用抗震性能良好，地震过程中能够保证使用功能不中断，满足地铁控制中心重要建筑物的功能定位。

近年来，一些应用了减隔震技术的工程在几次大地震中经受住了实际地震的考验，保证了人民生命财产安全，产生了良好的社会效益。国家也相继出台了一些文件鼓励高烈度区重要建筑采用减隔震技术。本文的研究对高烈度区重要建筑隔震技术的应用可提供一定的参考价值。