宁波杨柳郡幼儿园结构设计方案探讨

王杰辉，俞 涵，2，匡仁铮，胡小兵

（1.宁波市房屋建筑设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000；2.宁波东衡工程科技发展有限公司，浙江 宁波 315000）

1 工程概况

杨柳郡幼儿园项目位于宁波市鄞州区，为宁波轨道交通1号线天童庄车辆段上盖平台（JGC8）的上部续建项目，建筑面积5 027 m2，共3层，结构形式为框架结构，新设防烈度为7度（0.10 g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅳ类，特征周期0.65 s，50年重现期基本风压为0.30 kN／m2，属重点抗震设防类建筑。

已建地铁上盖平台共两层，地铁上盖平台1层为地铁检修用房，2层为汽车停车库，层高各为10 m和4.5 m，按抗震设防烈度6度0.05 g设计，考虑后续在其上部建造幼儿园，已预留相应荷载。地铁上盖平台于2010年设计完成，2014年建成并投入使用。

2 设计难点

1）根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》（2016年版）［1］规定，宁波地区抗震设防烈度由6度（0.05 g）调整为7度（0.10 g），已建成地铁上盖平台的抗震承载力存在无法满足现行设防要求的可能。

2）轨道交通1号线已经运营，地铁上盖平台1层为地铁检修用房［2］，平时不能中断运营，因此无法对其进行加固改造，只能加固2层汽车停车库［3］。

3）因续建幼儿园建筑方案调整，局部柱网无法与地铁上盖平台柱网对齐，需通过转换构件把荷载传至底部既有结构，转换梁、柱均按设防烈度6度设计（未按转换梁、柱设计）并已建成，无法满足现行抗震设防烈度的要求，加固工程量大。

4）因地铁上盖平台柱截面尺寸偏小，续建结构采用框架结构体系，柱截面尺寸受到限制，7度设防要求下结构位移角难以控制。

3 方案比较及分析模型

结合本项目设计难点，验证结构的抗震性能，取以下3个模型方案进行抗震性能分析和评估，对比各结构形式的抗震性能，以确定续建幼儿园结构形式的最佳抗震方案。

表1 3个结构模型方案介绍

应用YJK及Midas Gen有限元软件将上述3个结构方案模型准确建立。YJK软件建模便捷，且方便与Midas Gen软件的模型互导。Midas Gen软件能考虑边界和材料的双非线性，同时可以相对准确地模拟粘滞阻尼器单元、橡胶隔震支座以及铅芯橡胶隔震支座，并通过动力时程分析模拟结构的抗震性能。本次分析采用1组人工地震动和2组天然地震动进行设防地震及罕遇地震分析。多遇地震采用振型分解法分析。

4 方案分析

4.1 地铁上盖平台结构（仅已建2层）模型分析

4.1.1 层间位移角

地铁上盖平台结构在6度和7度设防烈度多遇、设防、罕遇地震作用下的位移角对比，见图1。虚线表示6度设防，实线表示7度设防，从左至右依次为多遇、设防、罕遇地震作用下的位移角折线。

图1 位移角对比一

在6度中震作用下，结构的层间位移角X向和Y向的最大值分别为1／314和1／361，结构整体处于刚进入屈服状态。在6度大震作用下，结构的层间位移角X向和Y向的最大值分别为1／112和1／119，结构整体处于屈服后强化阶段，尚未达到极限承载力状态，满足大震不倒的设防目标。

在7度中震作用下，结构的层间位移角X向和Y向的最大值分别为1／143和1／159，结构整体处于屈服后强化阶段，尚未达到极限承载力状态，满足大震不倒的设防目标。7度大震作用下，结构的层间位移角X向和Y向的最大值分别为1／44和1／54，结构整体基本达到极限承载力状态，勉强可以满足大震不倒的设防目标。

4.1.2 结构塑性铰开展情况

地铁上盖平台结构（仅已建2层）在地震作用下的塑性铰开展情况见图2。

图2 结构整体塑性铰分布

从塑性铰看，6度中震作用下，结构的塑性铰基本处于Level1阶段，少数为Level2阶段，结构的整体性能良好。6度大震作用下，结构的塑性铰基本处于Level2和Level3阶段，结构的整体性能仍能保持良好承载力状态。

7度中震作用下，结构的塑性铰基本处于Level2和Level3阶段，结构的整体性能仍能保持良好承载力状态。7度大震作用下，结构整体塑性铰绝大多数处于Level4以下，有少数几个处于Level5状态，出现破坏的塑性铰。整个结构的承载力接近达到承载力极限值，结构出现明显的开裂情况，但整个结构处于大震不倒状态。

4.1.3 小结

抗震设防烈度由6度（0.05 g）调整为7度（0.10 g），地铁上盖平台的抗震承载力勉强能满足现行规范“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求，但有较多梁、柱出现配筋不足情况，需适量加固。

4.2 原幼儿园结构模型（无隔震）分析

4.2.1 层间位移角

原幼儿园结构在6度和7度设防烈度多遇、设防、罕遇地震作用下的位移角对比见图3。虚线表示6度设防，实线表示7度设防，从左至右依次为多遇、设防、罕遇地震作用下的位移角折线。

图3 位移角对比二

结构在6度小震作用下，结构的层间位移角远小于规范规定的1／550；在中震作用下X向和Y向的层间位移角分别为1／233和1／242；大震作用下，结构的层间位移角X向和Y向的最大值分别为1／54和1／59，结构整体基本屈服后承载力接近极限状态，可以满足大震不倒的设防目标。

结构在7度中震作用下X向和Y向的层间位移角分别为1／75和1／86；在大震作用下X向和Y向的层间位移角分别为1／35和1／36，结构已超越极限承载力点，无法满足结构大震不倒的性能目标。

4.2.2 结构塑性铰开展情况

原幼儿园结构模型（无隔震）在地震作用下的塑性铰开展情况见图4。

图4 结构整体塑性铰分布

从结构的塑性铰开展情况看，6度中震作用下，结构整体塑性铰绝大多数处于Level1至Level2之间，整个结构处于刚进入屈服状态。6度大震作用下，结构整体塑性铰开展绝大多数处于Level3以下，有少部分处于Level4状态，接近极限承载力状态。整个结构的承载力接近达到承载力极限值，结构出现明显的开裂情况，但整个结构处于大震不倒状态。

7度中震作用下，结构整体塑性铰开展绝大多数处于Level3以下，有少部分处于Level4状态，结构处于承载力屈服后上升阶段。从结构的塑性铰开展情况看，结构在7度大震下底部层柱均出现一定数量LEVEL5水平的塑性铰，承载力开始下降，剩余部分柱的塑性铰基本处于LEVEL4水平，达到极限承载力状态。

4.2.3 小结

抗震设防烈度由6度（0.05g）调整为7度（0.10g），地铁上盖平台的底层位移角较仅两层地铁上盖平台在大震作用工况下X、Y方向各增大30%和50%，采用传统抗震设计的原幼儿园结构抗震承载力无法满足现行规范“大震不倒”的要求。

4.3 续建幼儿园减隔震结构模型分析

4.3.1 减隔震设计思路

以减隔震装备作为项目重要的耗能部件，从小震到大震全过程发生耗能作用。隔震技术采用2种隔震产品，普通橡胶支座和铅芯橡胶支座。普通橡胶支座的水平刚度很小，主要起支承上部结构重力的作用；铅芯橡胶支座的作用分为两个阶段：第一阶段，当地震作用较小时铅芯不会发生屈服，整个结构变形幅度相对较小，结构的耗能以黏滞阻尼器为主；第二阶段，当地震作用增大，铅芯逐步屈服，隔震层的刚度迅速下降，隔震层的变形量加大，上部结构下传的地震作用明显减小，整个续建幼儿园结构以一个调谐质量阻尼器的作用消耗地震能量，保护地铁上盖平台结构。

4.3.2 减隔震装置的布置方案

隔震层支座及粘滞阻尼器布置见图5、图6，粘滞阻尼器及橡胶支座见表2、表3。

图5 隔震层减隔震装置布置

图6 大底盘车库层减震装置布置

表2 黏滞阻尼器参数

表3 普通（铅芯）橡胶支座参数

4.3.3 周期

结构减隔震前后周期对比见表4。

表4 结构减隔震前后周期对比

续建幼儿园结构采用减隔震技术较传统抗震设计的结构的周期增长至2.22～2.47倍，大幅度减小结构的地震响应。

4.3.4 附加阻尼比

根据《建筑消能减震技术规程（JGJ 297—2013）》［5］分析计算，结构在各条波不同大小地震作用下所计算的附加阻尼比见图7。

图7 附加阻尼比

由图7可知，随着地震作用不断的增大，结构的附加阻尼比不断增大，在小震作用下结构的附加阻尼比为5%～6%，大震作用下附加阻尼比在10%～12%。附加阻尼比不断增大，主要是由于铅芯橡胶支座屈服，与黏滞阻尼器一起耗能，使得耗能增加。

图7 内部流线分析

4.3.5 层间位移角

续建幼儿园减隔震结构在6度和7度设防烈度设防、罕遇地震作用下的位移角对比，见图8。虚线表示6度设防，实线表示7度设防，从左至右依次为设防、罕遇地震作用下的位移角折线。

图8 浙一余杭院区门诊大厅外部实景（图片来源：章鱼摄影工作室）

图8 位移角对比三

结构在6度中震作用下，三条波的最大层间位移角分别为X向1／368和Y向1／354，结构处于屈服后承载力开始上升阶段。结构在6度大震作用下，最大层间位移角分别为X向1／149和Y向1／134。两个方向结构层间位移角均远小于规范要求的1／50，从结构的变形量上看远小于倒塌状态，有较高安全余量。

结构在7度中震作用下，三条波的最大层间位移角分别为X向1／198和Y向1／178。两个方向结构层间位移角均远小于规范要求的1／50，从结构的变形量上看远小于倒塌状态，有较高安全余量；结构在7度大震作用下，X向的最大层间位移角分别为1／89、1／90和1／71；Y向的最大层间位移角分别为1／81、1／79和1／61。两个方向结构层间位移角均远小于规范要求的1／50，从结构的变形量上看远小于倒塌状态，有较高安全余量。

4.3.6 楼层剪力

由表5可知，整个续建幼儿园结构以一个调谐质量阻尼器的作用消耗地震能量，保护下部地铁上盖平台结构。

表5 结构减隔震前后楼层剪力对比 单位：kN

4.3.7 结构塑性铰开展情况

续建幼儿园减隔震结构在地震作用下的塑性铰开展情况见图9。

图9 结构整体塑性铰分布

从结构的塑性铰开展情况看，结构在7度中震作用下，结构整体塑性铰开展绝大多数处于Level3以下，有少数几个处于Level4状态，没有出现破坏的塑性铰。下部结构部分底层柱基本处于Level3以下状态，结构的性能状态良好，整个结构的性能处于刚进入屈服状态。

结构在7度大震作用下，由塑性铰分布情况可以看出，结构整体塑性铰开展绝大多数处于Level4以下，有少数几个处于Level5状态，进入承载力下降阶段。下部结构部分底层柱基本处于Level4以下状态，少数梁出现Level5阶段塑性铰，整个结构的性能处于屈服状态，处于承载力上升阶段，尚未进入承载力下降阶段，结构具有较大的安全余量。

4.3.8 铅芯橡胶支座及黏滞阻尼器滞回曲线

铅芯橡胶支座及黏滞阻尼器滞回曲线见图10。

图10 铅芯橡胶支座和粘滞阻尼器滞回曲线

结构在7度中震及大震作用下，铅芯橡胶支座和黏滞阻尼器的滞回曲线均比较饱满，耗能效果明显。随着地震作用的增大，铅芯橡胶支座最大行程在±200 mm左右，铅芯进入屈服阶段，隔震层刚度进一步减小，对续建幼儿园结构的隔震效果更加明显。

5 结 语

应用YJK及Midas Gen有限元软件对地铁上盖平台续建幼儿园项目的3个结构方案模型进行对比，通过周期、层间位移角、楼层剪力、结构塑性铰开展情况，结合本项目的设计难点，得到以下结论：

1）该项目由6度（0.05 g）调整为7度（0.10 g），已按6度设防设计、建造的建筑，主体结构指标基本能满足“中震可修、大震不倒”的要求。

2）采用传统抗震技术在地铁上盖平台续建幼儿园，虽地铁上盖平台设计时已考虑后续在其上部建造幼儿园，并预留相应荷载，但因地区抗震设防烈度的提高，小震作用下地铁上盖平台原设计指标远远无法满足新规范要求，且在大震作用下结构已超越极限承载力；同时，轨道交通1号线无法中断运行，地铁上盖平台1层检修用房无法进行加固改造，因此采用传统抗震设计无法实现在其上部续建幼儿园。

3）采用减隔震技术可以增加整体结构的周期，提高结构总阻尼比，可显著降低地震作用。无法加固改造的1层地铁检修用房在小震作用下，原设计指标可以满足新规范要求，无需采取加固措施。整体结构的大震性能指标较采用传统抗震技术续建结构有明显的提升，满足大震下的性能指标要求，并具有较大安全余量。整个续建幼儿园结构以一个调谐质量阻尼器的作用消耗地震能量，保护地铁上盖平台结构，解决了1层检修站无法加固的难题。

本文对地铁车辆段上盖物业开发的设计困难及解决办法的研究，可以为后续地铁车辆段上盖物业的续建设计提供一些参考。