阻尼器在地铁上盖物业设计中的应用

左迎辉，胡峥辉

（浙江青墨工程设计有限公司，浙江 杭州310012）

1 工程概况

随着城市建设的不断推进，地铁作为高效的交通工具在越来越多的城市兴建运行，与此同时，如何提高土地利用率，发展地铁上盖物业也越来越成为地铁建设的重点［1-2］。

本工程位于浙江省宁波市鄞州区，下部两层为已建地铁维修车间（0～9.5 m）和汽车停车库（9.5～14 m）。地铁维修车间已投入使用，地铁上盖平台平面为矩形，东西方向约384 m，南北方向约182 m，以抗震缝将大底盘划分为8个独立结构，分别为JGB1～JGB8。大底盘上共有13栋10层住宅，结构总高度44.5 m，14 m以下已建成的底部两层为框架结构，上部新建单体采用现浇混凝土框架结构。根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2016）》［3］《高层建筑混凝土结构技术规程》［4］，框架抗震等级为二级。平面示意见图1。

图1 项目平面示意

2 结构布置

由于项目的一些自身特点，设计存在较大难度：1）本工程在盖下结构设计时，抗震设防烈度为6度，现由于《建筑抗震设计规范（GB 50011—2016）》更新，抗震设防烈度增加到7度，于是盖上新建住宅应满足现行规范的要求，盖下已建成的结构也应按现行规范的要求进行复核；2）上部单体的位置相对于原始设计有较大改变，上部结构需要经过两次转换；3）下部两层已建成投入使用，尤其是0～9.5 m层地铁维修车间难以进入改造加固。

基于上述原因，需要对上部结构采取一定的减震措施，降低结构的地震作用，增加一定的附加阻尼比。一方面，保证小震结构的整体指标满足规范的要求，避免或减少1层地铁用房的加固量和基础的负担；另一方面，提高整个结构的抗震性能，保证大震作用下结构的整体性能指标。

目前常用的减震技术有屈曲约束支撑，摩擦阻尼器，剪切型金属阻尼器，粘弹性阻尼器，黏滞阻尼器。其中剪切型金属阻尼器的原理是利用剪切板平面内产生剪切变形以达到消能减震的目的，其滞回曲线稳定，疲劳性能好，变形能力强，性能方面兼顾增加刚度和阻尼比。黏滞阻尼器为速度型相关阻尼器，滞回曲线饱满，具有非常好的耗能能力，在结构设计布置的时候，一般布置在结构响应位移最大的位置。针对本工程的设计目标，结合现有减震技术的发展情况，最终选择在9.5～14 m的车库层设置黏滞阻尼器，上部住宅单体的山墙、分户墙、楼梯、电梯间墙体设置金属阻尼器。本工程采用的阻尼器参数见表1～3。

表1 X向剪切型阻尼器参数

表2 Y向剪切型阻尼器参数

表3 黏滞阻尼器参数

由于车库层层间位移角较小，设置肘型布置，放大黏滞阻尼器的位移。见图2。

图2 阻尼器布置示意

3 结构计算分析

3.1 结构性能目标

对本工程不同类型的构件进行性能化设计，参考《建筑抗震设计规范（GB 50011—2016）》和《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3—2010）》的相关要求，选取D级作为本楼的抗震性能目标，具体性能目标见表4。

表4 结构性能目标

3.2 附加阻尼比

根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2016）》2010版12.3.4的要求，消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算：

式中：ξα为消能减震结构的附加有效阻尼比；

Wcj为第j个消能部件在结构预期层间位移Δμj下往复循环一周所消耗的能量，即滞回曲线的面积；

Ws为设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。

根据《建筑消能减震技术规程（JGJ 297—2013）》［5］规定：采用时程分析时，计算消能器附加阻尼比时，消能器两端的相对水平位移Δμcj，质点i的水平地震作用标准值Fi，质点i对应于水平地震作用标准值的位移μi采用分析结果的包络值。采用阻尼器后两个方向的结构附加阻尼比结果见表5。

表5 结构附加阻尼比

3.3 多遇地震振型分解反应谱分析

采用盈建科公司的YJK进行了多遇地震的计算分析，采用CSI公司的ETABS进行复核对比。表6给出了对比结果，计算结果基本吻合。

表6 多遇地震YJK与ETABS结果对比

表7给出了YJK软件计算的楼层侧向刚度及比值，从表中数值可以看到，转换层（2层）上下层侧向刚度比为10.4，首层由于层高较高，侧向刚度比为0.76，因此软弱层出现在首层，设计时对1层考虑地震剪力放大系数1.25。

表7 楼层侧向刚度及比值

表8给出了YJK软件计算的楼层受剪承载力结果，楼层受剪承载力之比均大于0.8，满足规范要求，结构不存在薄弱层。

表8 楼层受剪承载力比值

3.4 罕遇地震分析

采用ABAQUS进行罕遇地震下的动力弹塑性分析。分析采用5组天然波和2组人工地震波，多遇地震波选用1条人工波复核阻尼器的屈服情况。地震波由中国地震局工程力学研究所（哈尔滨）提供。设防地震及罕遇地震波均采用三向输入（1∶0.85∶0.65）。

由于结构在承受地震作用之前已经承受了恒荷载、活荷载等作用，而且恒荷载和活荷载对结构产生的位移和内力对地震分析过程有较大影响，因此在地震分析之前需先进行静力分析。考虑到恒荷载是随着施工过程的进展逐步施加在结构之上，所以首先对结构进行施工过程模拟分析。在分析过程中结构构件随着施工阶段的进行逐步被引入模型，相应的恒荷载也同时被引入计算模型。在施工阶段完成之后，再把0.5倍的活荷载施加在整体结构上进行“附加恒＋0.5活”的荷载工况计算。在后续的地震分析中，重力荷载代表值（附加恒＋0.5活）一直作用在结构上。

在本工程的分析中，每1个楼层采用1个施工步，剪切型阻尼器后装作为一个施工步，上述施工步完成后，对结构进行“附加恒＋0.5活”加载，共有14个加载步。

罕遇地震弹塑性分析中7组地震波作用下，整体结构在X、Y两个主方向基底剪力平均值分别为111 319 kN和98 771 kN，对应的剪重比分别为19.6%和17.4%；上部结构在X、Y两个主方向基底剪力平均值分别为21 757 kN和25 473 kN，对应的剪重比分别为17.8%和20.8%。

罕遇地震下不同地震波组对应的结构弹塑性层间位移角曲线见图3。

图3 不同波组对应的层间位移角曲线

在X方向的层间位移角平均值为1／76，在4层位置；在Y方向的层间位移角平均值为1／98，在5层位置。该结构在X、Y两个方向最大层间位移角均满足层间位移角≤1／50的限值要求。

结构在1层和2层进行了两次转换。在罕遇地震作用下，1层转换梁未出现受压损伤，梁内钢筋未进入塑性，受力性能良好。1层转换柱出现受压损伤，最大受压损伤系数为0.18，柱内钢筋进入塑性，塑性应变最大值为1.439e－3，属于中度损坏，中度损坏的柱子主要位于住宅楼的正下方。2层转换梁未出现受压损伤，3根梁的钢筋进入塑性，塑性应变最大值为6.169e－4，小于1倍屈服应变，属于轻微损坏。2层转换柱出现受压损伤，最大受压损伤系数小于0.1，仅1根柱内钢筋进入塑性，塑性应变最大值为9.943e－5，属于轻度损坏。上部塔楼除与阻尼器连接的框架梁柱外，框架梁出现受压损伤，最大受压损伤系数为0.2，梁内钢筋进入塑性，塑性应变最大值为3.175e－3，属于中度损坏。框架柱出现受压损伤，最大受压损伤系数小于0.1，柱内钢筋进入塑性，塑性应变最大值为1.831e－3，属于轻度损坏。

在罕遇地震作用下，与剪切型阻尼器相连的框架梁未出现受压损伤，梁内钢筋未进入塑性，受力性能良好。2层结构中仅2根与黏滞阻尼器相连的框架柱出现受压损伤，最大受压损伤系数小于0.1，柱内钢筋未进入塑性，属于轻度损伤；其余柱未进入塑性，性能良好。

在罕遇地震作用下，剪切型阻尼器全部进入屈服，产生良好的耗能效果。

4 结 语

本文阐述了某地铁上盖物业工程使用阻尼器的结构设计与分析，得出以下结论：1）小震分析结构附加阻尼比X向为5.2%，Y向为6.14%。2）小震作用下黏滞阻尼器和底部楼层的剪切型阻尼器进入耗能状态，中震和大震下所有阻尼器均进入耗能状态。通过阻尼器耗能，消耗了地震能量，降低了地震力，并有效保护框架构件，实现了结构减震的目的。3）采用减震技术后，小震、大震作用下，结构的层间位移角均能满足设计要求，结构构件能满足设计要求，结构能实现预定的性能目标。

本文通过以上分析，论述了阻尼器在地铁上盖物业工程中的应用，可以为类似工程的结构设计提供参考。