地铁上盖建筑抗震设计研究与实践

余祥兴

（贵阳市城市轨道交通集团有限公司，贵州贵阳550081）

0 引言

随着城市不断发展，轨道交通系统在城市公共交通体系中的作用日渐突出。在地铁里程不断增加的情况下，地铁上盖建筑的数量也有所增加[1]。在地铁上盖建筑建成以后，地铁车辆运行所带来的震动效应会给建筑主体带来一定影响。抗震设计在地铁上盖建筑中的应用，有助于降低建筑下部地铁运行所导致的建筑层间剪力与位移，实现保护建筑主体结构的目标[2]。

1 工程概况

本次研究选取的研究项目为某高层建筑项目。建筑设计基准期与使用年限均为50年。抗震设防烈度为7度（0.15g），场地特征周期为0.65s，场地的基本风压为0.8kN/m2。该建筑结构为钢筋混凝土框架结构，建筑结构高40.9m，宽14.4m，建筑的应用库层高度为10m，车库库层高度为5m，建筑首层高度为3.2m，其余各层的高度为2.8m，建筑总高度为57.9m。

2 抗震方案设计

通过对该工程项目的建筑特点与结构特点进行分析，该项目建筑平面及立面设计较规整，抗震设计的结构基本周期为1.597s，整体刚度相对较大，建筑施工区域的风压相对较大。就该工程项目的实际情况而言，若使用基础隔震技术，运用库内存在的检查坑会让地梁无法拉结，故而此种抗震措施无法满足抗震需求。该工程的结构为大底盘结构，在柱顶抗震措施应用以后，施工人员需在建筑施工中安装大量的抗震支座。此种抗震方案的施工成本相对较高。为在控制工程施工成本的基础上实现抗震目标，该建筑所使用的抗震方案为层间抗震与传统抗震措施相结合的设计方案[3]。相关人员在车库顶层的转换层与上部结构之间设置隔震层。建筑的设计结构为底部框架结构，车库设计中应用有转换层结构，上部框架采用以剪力墙结构为主的设计形式。建筑大平台柱与框支柱的设计目标为在中震环境下，正截面与斜截面均具有承载力弹性；在大震环境下，斜面层具有承载力不屈服性，且斜截面具有承载力弹性。转换梁在中震环境下需具备正截面承载力弹性与斜截面承载力弹性，在大震环境下，转换梁以正界面承载力不屈服与斜截面承载力不屈服为主。仿真结构布置如图1所示。

图1 仿真结构

3 结构抗震试验

3.1 地震波的截取

在城市轨道交通线路沿线，地铁列车运行过程中引起的震动可以沿着道床、立柱活动平台传导至地铁上盖建筑。地铁列车运行过程中产生的震动多以振动波的形式传播。一般情况下，地铁车辆运行所导致的建筑物震动多以微振动为主。根据我国建筑施工技术的发展现状，相关人员主要从建筑结构的柱网体系、基础结构构件等因素入手进行抗震设计。在该工程的结构抗震试验实施过程中，相关人员选取了5条强震记录及2条人工波记录，并根据建筑项目的抗震要求，将地震峰值调整为0.15g。地震波截取过程中采用分解反应谱法，根据分解反应谱法的计算结果，多条波动记录验算后的水平向比例为0.92，竖直向的比例为0.82，与国家相关要求相吻合，故而本次研究中所选取的地震波为有效地震波[4]。

3.2 结构基本周期

根据建筑项目的实际需要，建筑的抗震条件为7度抗震，研究期间利用ETABS软件对抗震模型与非抗震模型进行分析。根据ETABS软件的分析结果，抗震技术在地铁上盖建筑结构中的应用有助于延长建筑结构的自振周期，可以让建筑结构表现出相对规则的状态。在抗震设计应用以后，水平方向前两阶的振型分布为平动状态，竖直方向前两阶的振型分布仍为平动状态。根据隔震前后的结构周期可得出结构周期差值为0.093，符合国家相关标准要求。

3.3 抗震与非抗震结构性能分析

以建筑项目的上部结构为例，通过对建筑抗震结构性能与非抗震结构性能进行对比，抗震结构的性能目标与减震后的地震作用之间具有一定的联系，建筑的墙厚度需控制在200～250mm，柱构件的构件尺寸为2 000mm×1 800mm，方钢构件的构件尺寸为1 000mm×1 000mm×34mm×34mm。在非抗震结构下，建筑底部为加强部位剪力墙，中震环境下需保证正截面承载力不屈服，斜截面需要具备承载力弹性。建筑的墙厚度在200～500mm，柱构件的尺寸为2 200mm×1 800mm，方钢构件的构件尺寸为1 300mm×1 000mm×34mm×34mm。与抗震结构相比，地铁上盖建筑的非抗震上部结构需进行抗震性能化设计，结构底部的地震力高于抗震结构底部的地震力，故建筑结构的整体截面尺寸与配筋相对较大。抗震结构与非抗震结构的抗震性能目标具有一致性，由于非抗震机构的地震力相对较大，故而建筑结构的界面尺寸相对较大[5]。

抗震结构与非抗震结构的性能分析结果表明，墙体在建筑结构设计中发挥着较为重要的作用。墙体设计也是地铁上盖建筑施工过程中不可忽视的内容。在设计实施过程中，相关人员需要根据房屋建筑的实际刚度值，确定抗震墙墙体数量。在墙体横面与纵面的设计过程中，相关人员也需要对房屋建筑承重墙等问题进行关注。受地铁运行的影响，地铁上盖建筑施工区域的震动较为频繁，相关人员需通过增加墙体厚度的措施，提升建筑项目的稳定性，进而使地铁上盖建筑的抗震性能得到提升。

4 工程技术措施

地铁上盖建筑的抗震设计需遵循整体合理性原则，建筑结构设计的整体性与合理性是地铁上盖建筑抗震设计的基本要素。相关人员在建筑项目施工过程中，需要使抗震设计与房屋建筑的结构设计实现有效融合。地铁上盖建筑的抗震设计具有一定的特殊性，相关人员在房屋建筑结构设计过程中，需要对地铁上盖建筑的特殊性进行充分研究，并要根据此类建筑的特殊性，制定针对性措施。就抗震设计过程而言，房屋建筑的结构设计与房屋建筑的总体情况之间具有较为密切的联系，可以说，只有在符合房屋建筑设计要求的情况下，抗震设计才能真正为房屋建筑的安全性提供保证。根据地铁上盖建筑的实际情况，平面参数设置与抗风承载力参数计算是抗震设计中的重要工程技术措施。

4.1 平面与参数设置

根据国家建筑项目抗震标准的要求，地铁上盖建筑的抗震支座竖向压力值需低于丙类建筑的限值15MPa以内。在本次研究所涉及的施工项目中，工程施工方设置有16套LRB500型支座、12套LRB600型支座与6套LRB700型支座。本项目的上盖结构以框架-剪力墙结构为主，设计人员将转换梁设计在剪力墙的下方，应用于该建筑的抗震方案为柱下抗震方案。其中，LRB500型支座的有效直径为500mm，应用于工程项目的支座总高度为222mm，支座的内部橡胶总厚度为92mm，支座的铅芯直径为60mm，支座的第一形状系数需要控制在15以上，第二形状系数需要控制在5以上；LRB600的有效直径为600mm，支座的总高度为251mm，内部橡胶的总厚度需要控制在110mm左右，构件的铅芯直径需控制为100mm，构件的第一形状系数需要控制在15以上，第二形状系数不能低于5；LRB700型支座的有效直径为700mm，支座总高度为304mm，支座的内部橡胶总厚度需控制为129mm，支座的铅锌直径为120mm，支座的第一形状系数需要达到15以上，第二形状系数需达到5以上。通过对地铁运行给地铁上盖建筑的影响进行分析，地铁车辆正常运行所导致的上盖建筑楼板震动会随着楼层的增加而减小，在楼板自振频率与地铁运行所导致的楼板震动频率出现共振的情况下，该层楼板的震动反应会被放大。基础减震是地铁上盖建筑施工中不可忽视的内容，根据工程项目的实际情况，相关人员可以通过增加桩数量、调整地下室侧壁厚度等方式，实现基础抗震的目标。

4.2 抗风承载力参数计算

为避免因抗震结构自身高度所导致的风荷载条件下较大位移的出现，相关人员也需要对建筑结构整体的抗风承载力进行验算，并要将抗震结构的风荷载总体控制在自身总重量的10%以内。就本次研究所涉及的工程项目而言，该项目的抗震层以上结构的风荷载总水平为3 850kN，隔震层上方结构的总重约为88 300kN，为保证建筑结构的稳定性，相关人员也需在制作上方布设抗风装置，抗风装置所承载的剪力需控制在200kN以内，隔震层的水平承载力需要控制在5 630kN以内。

5 结语

抗震技术可为地铁上盖建筑的安全性提供保障，可使地铁上盖建筑更好地满足工程抗震承载力要求。针对地铁上盖建筑所具有的特殊性，此类建筑的抗震结构周期需延长至非抗震结构周期的2倍。地铁上盖建筑的抗震结构设计需降低结构底部的地震剪力。隔震层上部结构的设防烈度可适度降低。随着建筑技术的不断发展，地铁上盖建筑抗震设计的科学性会不断提升。