层间隔震技术在地铁车辆段上盖结构中的应用分析

张 硕

(北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044)

1 概述

进入21世纪以来，随着城市的快速建设与发展，城市的土地资源日益紧缺，为了更合理的利用土地资源，借鉴我国香港城市发展的相关案例，发展地铁车辆段上盖空间就成为了一个有效的途径。地铁作为当下城市里快捷与方便的交通方式，深受人们的青睐。地铁车辆段作为城市轨道交通的停车库与检修库，其通常来说需要占用很大的城市土地面积，因此可以在其上盖空间规划建设住宅小区和商业区，充分利用其商业价值，使居民享受到便利的交通方式与完善的生活设施[1]。

地铁车辆段上盖建筑作为一种特殊的结构体系，通常来说，其设计往往会面临许多与常规建筑不同的问题。特别对于如北京这样的高烈度地震区时，其抗震设计更显得尤为重要。若按常规方法进行抗震设计，势必会导致原有结构的抗震承载力不足，同时由于地铁相关规范的要求，对于下部大平台结构(车辆段的运营区域为大跨度大空间结构)，其结构竖向构件的布置位置和截面均有严格的限制。因此，为解决这一困难，我们拟选用层间隔震技术与地铁车辆段上盖建筑相结合。

隔震技术是指将隔震层设立在上部结构与基础或结构标准层之间，使地震作用被隔震层所阻断，延长结构的自振周期，避开场地的卓越周期，从而使结构的地震反应降低，结构的安全得以保证。通过对隔震层的位置不同进行划分，我们可以将隔震体系分为基础隔震与层间隔震。层间隔震是将隔震层设置在建筑物某层(下部几层)，其设置较为灵巧，使建筑使用方面的要求得以满足。对于地铁车辆段上盖空间开发，根据已有工程经验，多采用层间隔震。主要原因在于运用库内存在检查坑使得地梁无法拉结，对于基础隔震方案来说是无法满足隔震构造要求的，所以不推荐使用[2，3]。

2 模型建立

2.1 工程背景

模型采用一栋12层的大平台框剪结构，模型见图1，根据车辆段使用功能要求，大平台层高为13.5 m，分为1层9 m高的运用库；2层4.5 m高的小汽车库。大平台柱网尺寸为9.8 m×8.9 m，见图2，上部塔楼层高均为3.5 m，见图3。利用YJK软件进行建模，隔震模型与非隔震模型的区别在于第三层，即隔震层柱底的不同。隔震模型在第三层柱底设置隔震支座，非隔震模型在第三层柱底设为铰接。该工程抗震设防烈度为8度(0.20g)，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，场地特征周期为0.45 s。

2.2 隔震支座的布置与选型

由于大平台结构与上部单塔结构之间存在刚度突变，且上部住宅剪力墙无落地条件，只能置于小汽车库顶板，上部结构墙、柱需要进行全部转换，因此将隔震转换层设置在住宅底部，使上部框架剪力墙结构的地震反应得以减小。同时下部框架结构也因上部结构地震响应的降低，其受力状况得到改善，提高了整个结构体系的抗震性能[4]。隔震层由隔震支座组成，根据水平向减震系数确定支座的数量，本文选用某隔震技术公司生产的铅芯橡胶支座，型号为G4.0-LRB600，具体参数如表1所示。

表1 隔震支座参数

3 抗震结构与隔震结构的地震响应分析

3.1 地震波的选取

根据《建筑结构抗震设计规范》，该工程选取实际5条天然波和2条人工波。7条波的平均谱与规范谱在统计意义上是相符的，且经过计算，弹性时程分析时每条波计算所得结构底部剪力是不小于振型分解反应谱法计算的65%，7条波平均值也是不小于80%，满足规范要求。规范谱与平均谱如图4所示。

3.2 隔震与非隔震结构自振特性分析

结构自振周期和振型是其固有的动力特性，与结构所受的外荷载和动力激励无关，只取决于结构的刚度、质量大小及分布。用YJK建立隔震模型后，隔震前与隔震后结构的主要周期对比如表2所示，可见隔震后的结构自振周期明显延长，隔震效果明显。

表2 隔震与非隔震模型周期对比

3.3 地震作用下分析

在8度设防的地震作用下，对非隔震结构和隔震结构进行了7个工况下的动力时程分析，得到了两种结构的层间剪力平均值及其比值,如表3所示。

表3 隔震模型与非隔震模型层间剪力比值

由表3可知，隔震模型与非隔震模型的最大剪力比值在第4层出现，其数值为0.347 7，上部结构地震力显著降低，减震效果良好。

隔震结构与非隔震结构，其层间倾覆力矩平均比值如表4所示。

表4 隔震模型与非隔震模型层间倾覆力矩比值

由表4可知，隔震模型与非隔震模型的楼层倾覆力矩比值的平均值最大为0.341 6，且结构层间剪力及其比值的平均最大值为0.347 7，减震系数0.27<β=0.347 7<0.40。此模型设置隔震垫之后结构能达到降低1度目标，即从8度0.2g降低到7度0.10g。可按抗规要求上部计算水平地震影响系数按7度0.10g取0.08。

4 结语

1)隔震技术应用于地铁车辆段上盖结构具有较强的安全性，结构的自振周期延长，且在地震作用下结构的楼层剪力和层间倾覆力矩减小明显，可以满足工程抗震能力的承载力要求。2)本工程采用隔震技术后，隔震层上部结构设防烈度可以降低1度，但若上部结构隔震与非隔震层间剪力或层间倾覆力矩比超过0.40则不能降低设防烈度，此时可考虑对隔震支座的平面布置进行优化。3)利用层间隔震技术，与传统抗震设计方法相比，可较好解决地铁车辆段上部空间开发中遇到的刚度和质量突变问题，希望给类似的实际工程以参考。