[分享]地铁上盖结构隔振与抗震设计案例

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随着社会的发展，人们对于建筑的要求已经不仅限于安全性，对于舒适度的要求也在提高，这不仅是我们在住宅、学校、办公室等生活场景中的体感需求，也是存有精密设备仪器的科研、实验室建筑的实际需求。本期向大家介绍的是某地铁上盖建筑隔振/抗震工程项目——北京大学景观楼项目。

1 项目概况

       该项目位于中关村北大街北京大学东门的东北方向，兼具教学与科研功能，北京地铁4号线沿纵向穿过项目下方，若不采取隔振措施，建成后建筑内结构振动超标，无法进行正常的教学及科研工作。

       结构主体为混凝土框架结构，地下1层，地上4层，基底标高-5m，筏板距地铁隧道顶最近处5m，该段地铁轨道未做任何隔振措施。

       

2 减振方案

      经研究，将原地下室由1层变为2层，将地下室结构柱断开设置钢质弹簧减振器，确保增设后整体建筑结构的竖向振动频率低于3.5Hz，实测表明该段地面和轨道交通荷载卓越频段为10~80Hz。根据结构抗震要求和减振要求，采用振/震合一设计，适当在首层梁和隔振层拉梁之间设置阻尼器。

       使用SAP2000建立分析模型，使用LINK单元模拟弹簧，弹簧竖向刚度由竖向荷载下节点变形一致的原则确定。

      在布置弹簧支座的基础上，加设粘滞阻尼器以减少结构受到的地震作用，同时对隔振支座起限位作用，减少隔振支座在地震作用下的水平位移。为提高阻尼器的工作效率，将阻尼器布置在结构侧向变形最大的支座处。建筑两端部区域的弹簧支座变形最大，因此，将阻尼器布置在此处。同时，将阻尼器沿建筑周边双向布置，提高结构在地震作用下的抗扭能力，共布置30个阻尼器。

        罕遇地震作用下，有若干弹簧支座的变形过大，超过弹簧的设计极限变形，此情形下，弹簧刚度增加较大，在结构构件中产生较大的冲击荷载。为了减小下弹簧支座的竖向变形，使弹簧竖向变形满足设计要求，在每个限位墩上布置聚氨酯减振垫，在地震作用下，当弹簧竖向变形超过某一阈值（本设计取40mm）后，由弹簧支座和聚氨酯减振垫构成并联弹簧共同承担地震作用。

3 减振计算结果

       隔振后，结构的周期对比如下，可见，竖向基频变为了3.344Hz，避开了原轨道交通荷载的卓越周期。

       同时将楼板细分，输入实测的基底加速度，进行结构动力时程分析，评价楼板竖向振动加速度的变化。

       隔振前后评价点的竖向加速度频谱分解后的对比结果如下，可见在主要的频段上，幅值都有明显下降，隔振效果良好。

4 抗震计算结果

       该项目位于8度0.2g地区，场地类别为III类，特征周期0.55s。设计时对弹簧支座在中震和大震下的竖向和水平变形进行严格限制，同时保证钢弹簧与结构的连接螺栓强度满足抗拉、抗剪要求。

        选取小震7条波（2条人工波和5条天然波）和大震7条波（2条人工波和5条天然波）进行三向输入的时程分析。弹簧支座最大变形验算结果如下：

       支座变形验算结果如下：

       基底剪力验算结果如下，可见，隔振结构的基底剪力小于未隔振结构的基底剪力。

       小震、中震和大震下，黏滞阻尼器的出力情况如下所示，可见，阻尼器滞回曲线饱满，发挥了良好的耗能特性。

       黏滞阻尼器在小震、中震、大震下的耗能情况如下图所示，小震下附加阻尼比平均值为0.023，中震下为0.02，大震下为0.015。

5 结语

       随着城市化进程，越来越多的城市将发展地下轨道交通工程，今后会有更多项目毗邻或跨越地铁，不可避免地会涉及振动问题，而作为建筑结构，同时也要考虑地震作用，特别是高烈度地区。目前来说，二者兼顾是有一定技术难度的，本篇文章设计师在这方面做了很多尝试，希望能对相关领域的发展有所贡献。