沈阳地铁车辆段上盖双子楼隔震性能的振动台试验研究

李绿宇, 国 巍, 蒋丽忠, 王春丽, 郭 伟, 焦晨贝

(1.中南大学 土木工程学院，长沙 410075；2.高速铁路建造技术国家工程实验室，长沙 410075；3.铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天律 300142)

沈阳地铁车辆段上盖双子楼隔震性能的振动台试验研究

李绿宇1,2, 国 巍1,2, 蒋丽忠1,2, 王春丽3, 郭 伟3, 焦晨贝1,2

(1.中南大学 土木工程学院，长沙 410075；2.高速铁路建造技术国家工程实验室，长沙 410075；3.铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天律 300142)

模拟地震振动台试验是研究地震作用下结构性能的重要试验手段，相比拟静力、拟动力试验各具优势和特色。为了验证沈阳地铁车辆段上盖双子楼结构的隔震性能，根据相似理论设计结构模型，开展了模拟地震振动台试验研究。试验表明：小比例振动台模型存在尺寸效应，但宏观破坏现象足可反映结构薄弱部位和破坏机制；结构模型在双向地震作用下主要以双子楼平动为主，扭转振动不明显；随着隔震上部结构损伤积累，在7.5度地震作用下模型结构发生显著损坏，隔震支座发生不可恢复变形，顶部机顶房柱端开裂；试验验证了隔震后的建筑可满足规范设防要求。

地铁上盖双子楼；隔震性能；振动台试验；缩尺模型

隔震技术的应用研究在土木工程领域中占有重要的地位，在国内外有很多成功的应用实例[1-2]。不少学者通过计算机分析和振动台试验对高层建筑隔震的效果进行了探讨。DERHAM等[3]基于层间隔震体系的减震机理和减震性能，对于隔震支座的基本力学原理和设计方法及其稳定性进行了分析。VILLAVERDE[4-5]研究了对一个15层的钢筋混凝土结构进行层间隔震的可行性。结果表明，选取合适的橡胶隔震支座参数，采用合理设计的隔震结构的延性系数同传统抗震结构相比大幅下降，结构在经过地震作用后仍在弹性范围内，减震效果明显。同时，随着层间隔震技术的日渐成熟和工程应用的广泛推广，目前世界各国(如美国、日本、新西兰等)相继制订了隔震设计相关规范[6]，并不断更新修订和深入研究。苏键等[7]采用弹塑性时程分析法研究了高层隔震建筑的性能，曲哲等[8]从周期延长原理和隔震层滤波原理两个方面分析了高层建筑物隔震的原理。层间隔震技术是继高层建筑基础隔震之后的另一个研究热点。周福霖等[9]对层间隔震体系随隔震层位置变化时其相应的减震工作机理进行了系统研究，徐忠根等[10-11]分别对屋顶隔震或加层减震的设计方法和减震效果进行了理论分析和数值优化。

由于结构隔震研究对设备技术条件的要求，国内外对整体隔震结构体系的振动台试验研究尚少。徐忠根等[12]对于北京地铁复八线上盖北京通惠家园住宅小区开发层间隔震结构进行分析，结果表明，采用隔震技术后，上部结构的基底剪力和结构的最大层间位移角明显减小。丁永君等[13]对于天津市某地铁停车列检库上盖开发的高层住宅结构研究发现，上部结构隔震效果明显，降低设防烈度半度进行设计，但是下部结构的减震效果不明显。郑国琛等[14]对一加层减震模型结构对隔震层进行了优化设计，结果表明，层间隔震装置有明显减震效果，可有效降低层间位移。层间隔震在国内外众多工程实例中已经得到了应用，并取得了良好的抗震效果，对于设计地铁上盖建筑层间隔震具有重要的指导意义。本文通过地震模拟振动台试验研究，分析了地铁上盖双子楼结构的隔震性能，研究了结构的破坏形式、动力特性、在不同地震水平作用下的地震响应，验证了结构层间隔震体系在控制地震反应下的有效性。

1 试验概况

层间隔震是继基础隔震研究后的另一个研究热点，理论分析和试验结果表明，采用层间隔震能有效减小上部结构的地震作用，隔震层具有对上部隔震、下部消能的双重减震效应。层间隔震试验原型为辽宁沈阳地铁二号线一期工程公租房结构设计，包含1#～10#高层住宅和车辆段上部架空层结构。高层住宅1#、2#楼地上9层，3#～10#楼地上10层。在标高13.0 m处通过转换梁进行转换，转换梁下设有隔震支座。按7度 (0.10g) 进行设计，场地类别 为III类，场地特征周期为0.35 s，建筑抗震设防类别为丙类，地震分组为第一组。本试验取地铁轨道段至9.3 m标高处、车辆段上部架空层(隔震支座转换梁层)，以及1#和3#楼公租房整体结构(见图1)进行模拟地震振动台试验。

在满足工艺要求的前提下研究隔震设计的有益效果，除了采取有效的计算分析设计手段和构造措施外，还可对该整体隔震结构体系进行模拟地震振动台试验[15-18]，从试验角度研究以各种结构形式进行隔震设计的地铁车辆段上盖建筑，在一定地震水平作用下能达到的极限设计高度，并能够根据试验结果对理论和数值分析进行修正并提出建议。

图1 结构模型实体全景图Fig.1 Panoramic view of the structure model in entity

2 试验设计

2.1 试验设计与模型制作

选用微粒混凝土模拟原型结构的混凝土，镀锌铁丝来模拟框架中的钢筋，并对镀锌铁丝和施工过程中同步制作的混凝土试块进行材性试验，最终确定材料实测弹性模量相似比为0.584。

根据振动台试验室振动台试验条件及原型结构规模、抗震设防烈度等，依据相似关系理论，确定模型长度相似系数为Sl=1/20，加速度相似系数为Sa=3.26，并根据似量纲分析法确定本试验最终相似关系见表1所示。

表1 结构模型相似关系表Tab.1 Structural model’s similar relationships

按照附加质量分布比例布置配重。经计算，模型总质量为21.48 t，其中模型和附加质量12.48 t，底座质量9.0 t。模型吊装就位并布置配重后的全景见图2。

图2 结构模型就位后全景图Fig.2 Panoramic view of the model in position

振动台试验模型采用的隔震垫性能参数是根据相似理论由原型结构参数计算得到的。本文选取工程原型结构隔震层设计采用叠层橡胶支座，每栋公租房下部隔震层各包括3个直径为1 000 mm的天然橡胶支座(LNR)、3个直径为1 000 mm和9个直径为800 mm的铅芯橡胶支座(LRB)。各类型隔震支座性能参数见表2。基于相似理论，参考原型结构隔震层设计方案，试验模型隔震层设计采用低硬度的天然橡胶隔震支座和铅芯橡胶隔震支座，并与原型布置方式相同。本试验模型其几何尺寸基本参数见表3，力学特性参数见表4。

表2 原型结构隔震支座性能参数Tab.2 Actual structure isolation bearing’sperformance parameter

表3 试验模型隔震支座几何尺寸Tab.3 Test model isolation bearing’s measurements

表4 试验模型隔震支座力学特性参数Tab.4 Test model isolation bearing’s mechanical property

2.2 试验方案

该试验在中南大学土木工程高速铁路建造技术国家工程实验室振动台实验室的4 m×4 m大型高性能三向六自由度振动台上进行。因为该项目7度抗震设防及场地要求，根据文献[18]中5.1.2规定，选用EL Centro、Pasadena和Chi Chi三条地震波作为台面激励输入。分别按7度多遇、7度基本、7度罕遇和7.5度罕遇的顺序依次单双向输入地震激励。

根据沈阳地铁-丽水新城地铁车辆段上盖物业建筑的结构特点，在结构典型楼层和关键部位，如转换层上下梁柱、隔震支座上下部、楼层顶部等位置布置相应的加速度、位移、应变传感器(见图3、图4)，试验过程中IMC数据采集系统自动采集模型结构在输入不同台面激励下的加速度、位移和应变等数据。

3 试验结果

3.1 试验现象

在7度多遇和7度基本地震作用下，结构隔震层下部动力响应不明显，无明显振动变形。7度罕遇地震试验阶段，1#及3#楼整体振动形式相同，以隔震层上部结构整体平动为主，隔震支座上下部有明显相对变形，扭转效应不明显。7.5度罕遇地震作用下，隔震支座变形明显，支座水平向出现偏移变形积累，支座发生剪切破坏(见图4、图5)，机顶房柱裂缝发展(见图6)。

图3 测点布置图Fig.3 Arrangement of measuring points

图4 隔震支座剪切破坏Fig.4 Shear failure of isolation bearing

图5 隔震支座相对变形Fig.5 Deformation of the isolation bearing

图6 机顶房柱裂缝发展形式

图6中1～8工况分别为7度多遇、7度基本、7度罕遇，及7.5度罕遇X向、XY双向(X向为主)工况。由图可知，隔震支座相对剪切位移增长速率逐渐加大，直至趋于峰值点，隔震支座发生剪切破坏。

3.2 模型结构动力响应

该模型在经历从小震到大震地震作用过程中，模型的自振特性发生了相应的变化。在每个不同地震水准作用后对模型进行X向及Y向白噪声激励，可得到各级地震动后模型的自振特性见表5和表6。

表5 白噪声激励下模型X向自振特性Tab.5 The model’s natural vibration in X direction underthe motivation of white noise

表6 白噪声激励下模型Y向自振特性Tab.6 The model’s natural vibration in Y direction underthe motivation of white noise

3.3 模型结构加速度反应

7度多遇、基本、罕遇水准地震作用下，模型1#和3#楼X向各层加速度反应最大值沿楼层的变化曲线见图7。其中-1层为模型底座，0层为地下地铁车辆段顶，1层为上部公租房结构1层，即隔震支座上部结构层。由图7可知，在结构模型输入地震波后，地下车辆段顶有加速度放大效应，近似放大1.5倍～2倍，经过隔震支座层阻尼耗能作用，1层及以上楼层加速度有明显减小，说明结构隔震支座起到了明显的减隔震效果。虽然隔震，但由于鞭梢效应的影响，1#及3#楼顶层加速度有所放大，机顶房层加速度放大效应最为明显，以致机顶房层的外柱上端混凝土由于反复拉压出现了受拉裂缝。

(a) 7度多遇地震作用

(b) 7度基本地震作用

(c) 7度罕遇地震作用

4 原型结构抗震性能

4.1 原型结构动力特性

根据相似关系推算出原型结构在不同水准地震作用下的自振频率和振动形态，如表7和表8所示。结构地震前的前三阶振型分别为隔震支座上部公租房结构整体X向平动、Y向平动和扭转，前三阶频率分别为0.314 Hz、0.318 Hz和0.797 Hz，相应的周期分别为3.214 s、3.14 s和1.248 s。

表7 白噪声激励下原型X向自振特性Tab.7 The prototype’s natural vibration in X directionunder the motivation of white noise

表8 白噪声激励下原型Y向自振特性Tab.8 The prototype’s natural vibration in Y directionunder the motivation of white noise

4.2 原型结构加速度反应

在不同水准地震作用下，原型结构各层在X、Y方向的最大加速度反应和动力放大系数如表9所示。由表9可知，在7度多遇及基本地震水准作用下，由于隔震层和鞭梢效应的作用，隔震支座上部结构1层及9、10层加速度较下部结构有所放大，中间层加速度有所减小，隔震效果明显；在7度罕遇水准地震作用下，隔震支座进入弹塑性耗能曲线段，隔震效果较弹性阶段更为显著；在7.5度罕遇水准地震作用下，加速度放大系数继续增大，这是由于隔震支座不可恢复剪切变形积累，导致支座发生剪切破坏，耗能能力下降引起隔震效果削弱。

表9 原型结构最大加速度反应及加速度放大系数Tab.9 The prototype’s maximum acceleration response andamplification coefficient on acceleration

4.3 原型结构有限元分析

利用SAP2000建立原型结构的有限元模型并进行模态分析，发现总体的竖向振动并不明显，且受高阶频率影响较大。考虑到振动台尺寸和模型的复杂程度，选用与荷载相关的改进Ritz特征向量法计算结构模态，模态分析振型见图8，结构原型前三阶计算周期分别为3.670 75 s、3.652 s、1.446 s，与试验推算原型值分别相差14.2%、16.3%、15.8%，说明试验模型设计符合相似原理，模型设计与制作比较成功，前八阶振型周期见表10。

(a)第一阶振型 (b)第二阶振型

(c)第三阶振型 (d)第四阶振型

(e)第五阶振型 (f)第六阶振型

振型阶次周期/s振型阶次周期/s一3.671五1.356二3.652六1.287三1.446七0.875四1.437八0.812

4.4 设防地震下隔震性能

本文通过SAP2000建立有限元分析模型，对在设防烈度7度(0.10g)下，结构整体不隔震下的地震响应与层间隔震体系进行了对比分析。图9表示在隔震和非隔震结构形式下的水平层间剪力沿楼层分布对比图。图10表示上部结构1#和3#公租房水平减震系数随楼层的变化趋势。由图9可知，整体隔震下的隔震层上部结构层间剪力远小于整体不隔震结构，隔震体系对上部结构层间剪力削弱明显；整体不隔震结构的1#和3#公租房层间剪力较小值出现在3～5层，最大值位于下部结构，说明层间剪力受楼层质量分布影响较大；整体隔震的隔震层上部结构层间剪力比较接近，且大致呈线性分布减小，说明上部结构层间相对变形较小，基本呈整体平移振动，隔震效果良好。由图10可知，隔震层上部结构3#和1#楼在相同地震波作用下，层水平层间剪力峰值几乎相同，隔震后的水平地震影响系数最大值αmax 1=βαmax/ψ,其中αmax为非隔震的水平地震影响系数最大值，ψ为调整系数，取 0.8，β为水平减震系数，其值为弹性计算所得的隔震结构与非隔震结构各层的层间剪力比的最大值。1#楼和3#楼相应的最大水平减震系数分别为βmax 1=0.19、βmax 3=0.20，上部结构水平减震系数均小于0.4，根据αmax 1=βαmax/ψ计算得到隔震后水平地震影响系数最大值αmax1分别为0.019和0.020，大幅小于文献[18]中7度(0.10g)时的0.08，甚至比6度( 0.10g) 时的0.04还小。上部结构隔震效果良好，所以可以明显降低对隔震后的上部结构的抗震构造措施，设防烈度至少可降低1度，按照6度( 0.10g)进行设计和采取相应抗震措施。

图9 层间剪力楼层分布图Fig.9 Story shear force floor distribution

图10 水平减震系数随楼层的变化Fig.10 Horizontal seismic decrease coefficientchange with floor

5 结 论

通过模拟振动台试验，分析了结构模型的破坏形式、动力特性、加速度反应，并根据试验现象及测得的试验数据，得出以下结论：

(1)结构的加速度反应表明，隔震支座下部结构刚度较大，隔震支座上部结构加速度峰值及动力放大系数较下部结构有明显减小，加速度放大系数最大值出现在公租房结构顶部，有明显的鞭梢效应。

(2)层间减震后上部结构有明显减震效果，在7度(0.10g)作用下地震影响系数最大值为0.02，远远小于7度(0.10g)时，甚至小于6度(0.10g)时的0.04，上部结构的水平地震作用和抗震措施均至少可以按降低设防烈度1度进行计算和设计，而下部结构水平地震作用降低不明显，不应降低其设计水准。

(3)结构在经历了7度小震作用后，结构整体保持弹性状态，主要构件无损伤；经历了7度中震作用后，模型一阶平动频率均有所下降，结构发生轻微损伤，以公租房结构机顶房柱受拉裂缝为主；7度罕遇及7.5度罕遇地震作用后，机顶房柱裂缝发展，损伤加剧；试验结束后，由于隔震支座变形积累，支座上部结构发生明显整体偏移，但其主框架梁柱未发生明显破坏，符合抗震性能指标要求。

(4)结构薄弱部位存在于机顶房框架柱及隔震支座层，在反复水平地震作用下，机顶房框架柱受反复拉压而开裂破坏，隔震支座变形增大并积累，产生剪切破坏，隔震效果减弱但整体框架完好，结构总体可达到预设抗震目标。

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Shaking table tests on the isolation performance of two buildings builton the top head of Shenyang metro depot

LI Lüyu1,2, GUO Wei1,2, JIANG Lizhong1,2, WANG Chunli3, GUO Wei3, JIAO Chenbei1,2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China;3. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

A simulated earthquake shaking table test is an important experiment in the study of structural performances under seismic action which has its advantage and characteristic compared with pseudo-static and pseudo dynamic tests. In order to verify the structural isolation performance of Shenyang metro depot top head two buildings, simulated earthquake shaking table tests based on the similarity theory and designed structural model were carried out. The tests show that the shaking table model in reduced scale has size effect, whereas, the model’s macro destruction phenomenon can show the structure’s weak parts and failure mechanism; the structural model mainly behaves as the twin towers vibrating transversely under bi-directional earthquake, while the model’s torsional vibration is not obvious. As the damage of the top structure accumulates, it will break down under 7.5 degrees earthquake, and the isolation bearing demonstrates irrecoverable deformation, meanwhile, the pillar on the top of the roof room is cracked. The tests verifiy that the architecture installed with seismic isolation devices can meet the Specification’s requirements.

metro depot top head two buildings; isolation performance; shaking table test; reduced scale model

铁道第三勘察设计院集团有限公司科技开发课题：地铁车辆段上盖物业建筑隔震设计研究

2015-11-20 修改稿收到日期：2016-02-25

李绿宇 男，硕士生，1990生

国巍 男，副教授，博士，1982生 E-mail：guowei@csu.edu.cn

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.06.009