大底盘双塔层间隔震结构加速度响应研究

时间：2024-12-27

崔俊伟

（中国中元国际工程有限公司，北京 100089）

0 引言

大底盘多塔结构是一种被广泛应用于地铁上盖的结构体系。相较于一般钢筋混凝土结构，地铁上盖结构具有底盘尺寸大、底盘竖向构件分布不均、底盘首层高度大、转换结构和多塔结构等特点。层间隔震体系是一种新型的隔震结构形式，隔震层将整体结构分为上部隔震结构与下部抗震结构两部分，属于“硬抗”与“软隔”两种方式的结合。

祁皑等［1］通过建立层间隔震结构动力模型分析发现，位置较低时，上部加速度与下部位移无明显变化，与基础隔震机理相似。周福霖等［2］通过对层间隔震结构进行参数优化发现，随着隔震层位置下移，减震机理由TMD过渡为基础隔震。隔震层位置越低，上部结构的减震效果越明显，而下部子结构的加速度响应有放大现象。高剑平等［3］从随机振动理论出发，建立了基于能量的分段隔震参数优化方法，通过对多参数进行分析，得到了隔震层与总能量比值的规律。曹加良等［4］研究了双质点系简化模型的动力特性和地震响应对参数的敏感性。杜晓磊等［5］研究了近断层脉冲地震作用下基础隔震体系动力响应。相关研究主要集中于此类结构在地震下的力和位移响应，对加速度响应的研究较少，加速度控制是保证结构在地震中正常使用的重要手段，有必要对此类结构的加速度响应规律进行探究，并对加速度响应的控制进行研究。

文中首先介绍了大底盘双塔结构的上下部结构之间关系、体量、构件截面及隔震支座参数及布置原则等信息，随后采用ETABS软件运用弹性时程法对结构的加速度响应进行分析，探究了此类结构的加速度响应规律，之后针对下部结构加速度响应较大的情况，提出了解决此问题的方法，并通过变换隔震支座参数研究了隔震层刚度对结构加速度的影响。

1 工程概况

地铁上盖建筑由下部大底盘与盖上塔楼组成。大底盘首层主要功能为列车检修库，层高为12m；2层为小汽车库，层高为6m。大底盘采用钢筋混凝土框架结构，在塔楼投影范围内的框架柱与大跨度转换梁采用型钢混凝土构件。上部两栋塔楼均为8层，塔楼长度均为36.0m，宽度均为16.8m，采用钢筋混凝土剪力墙结构，地铁上盖结构见图1，塔楼及下部结构的构件尺寸见表1、表2。

图1 地铁上盖模型

表1 塔楼剪力墙规格

表2 下部结构截面规格mm

在底盘与塔楼之间设置隔震层形成层间隔震结构，工程选用普通橡胶支座（LNR）和铅芯橡胶支座（LRB）两种类型的隔震支座。普通橡胶支座的水平剪切刚度接近线弹性，阻尼比为0.01～0.02；铅芯橡胶支座的水平剪切刚度为双线性，阻尼比为0.20左右，隔震支座布置见图2。为了改善结构的抗扭性能，将20个铅芯橡胶垫沿周边布置，7个普通叠层橡胶垫布置在中间。隔震垫在长期荷载作用下的面压不大于15MPa，在罕遇地震作用下的面压不大于30MPa，隔震支座参数见表3。

表3 隔震支座参数

图2 隔震支座布置图（单位：mm）

文中模型采用ETABS软件进行建模计算，下部结构为框架结构，梁柱采用杆单元模型，楼板采用壳单元；上部结构采用剪力墙结构，墙肢、连梁和楼板采用壳单元，框架梁为杆单元；隔震支座均采用Rubber Isolator与Gap单元共同模拟竖向拉压非线性刚度，LNR为水平向线性，LRB具有水平向非线性属性。

拟建场地8度设防，地震基本加速为0.2g，设计地震分组第二组，Ⅲ类场地，场地特征周期Tg=0.55s，地震影响系数αmax=0.45。选用两条天然波与一条人工波进行弹性时程分析，经验算该地震波满足相关规范［6］的要求，时程曲线与反应谱对比见图3，小震峰值加速度为70cm/s2，中震峰值加速度为200cm/s2，大震峰值加速度为400cm/s2，计算结构为3条地震波的包络值。

图3 时程曲线与反应谱对比

2 加速度响应

对层间隔震结构和非隔震结构进行了小中大震下的弹塑性分析，通过对比得出隔震结构加速度的响应特征，加速度响应见图4～图6，其中楼层0对应数值代表基底地震输入加速度，楼层1～2层为大底盘，楼层3为隔震层，5～11层为上部剪力墙。

图4 小震下隔震和非隔震结构加速度响应

图5 中震下隔震和非隔震结构加速度响应

图6 大震下隔震和非隔震结构加速度响应

由图3可以看出，在使用隔震技术后，小震下上部结构的加速度由1598mm/s2降至429mm/s2，加速度减震率为73.2%，下部结构的加速度由1097mm/s2降至904mm/s2，加速度减震率为17.6%;由图4可以看出，在使用隔震技术后，中震下上部结构的加速度由4565mm/s2降至1057mm/s2，加速度减震率为76.8%，下部结构的加速度由3062mm/s2增至3189mm/s2，加速度减震率为-4.15%；由图5可以看出，在使用隔震技术后，大震下上部结构的加速度由9131mm/s2降至2036mm/s2，加速度减震率为77.7%，下部结构的加速度由6125mm/s2增至6879mm/s2，加速度减震率为-12.3%。

由此可得，随着地震作用的增大，上部结构的加速度响应随之增大，采用隔震技术后，上部结构的加速度减震率增大，下部结构的加速度响应也增加，但是采用隔震技术后，加速度减震率逐渐减小，在中震及大震下，下部结构的加速度出现增大现象，对结构的加速度控制形成不利影响。

3 隔震层刚度对加速度响应的影响

3.1 变参数模型的建立

由文中分析可知，在采用层间隔震技术后，大底盘双塔结构上部结构的加速度得到显著抑制，地震作用的提高对其加速度减震效率有着有利影响；而下部结构的加速度在采用隔震后增大，且随着地震作用的增大，加速度减震效率逐渐降低。在通过调整参数，使层间隔震结构的上部及下部结构的加速度响应均小于非隔震结构。

相关研究表明，对于此类结构，上下部结构的质量比和刚度比是影响减震效率的关键参数。对于一般结构，上下结构的质量比基本确定，通过增减塔楼数量改变结构的质量比经济性较差；而上部结构的周期通常由隔震层的刚度决定，改变隔震层刚度可实现较小代价来改变结构周期比的目的。

通过调整隔震支座的刚度为原模型支座的0.5、0.75、1.25和1.5倍进行刚度的参数变化，分别建立刚度比为0.5、0.75、1、1.25和1.5的模型，验算其在小中大震下的加速度响应，从而验证隔震层刚度对于此类结构加速度响应的规律。

3.2 变参数模型的模拟结果

由图7～图9可看出，上部结构的加速度响应随着刚度比的增大而增大。当刚度比从0.5增至1.5，小震上部结构的加速度由329mm/s2增至543mm/s2，增幅为65.0%，中震上部结构的加速度由733mm/s2增至1706mm/s2，增幅为132.7%，大震上部结构的加速度由1540mm/s2增至3715mm/s2，增幅为141.2%。下部结构的加速度响应规律：当刚度比从0.5增至1.5，小震下部结构的加速度由978mm/s2降至921mm/s2，降幅为5.83%，中震下部结构的加速度由3256mm/s2降至3165mm/s2，降幅为2.8%，大震下部结构的加速度由6966mm/s2降至6859mm/s2，降幅为1.54%。

图7 小震下隔震和非隔震结构加速度响应

图8 中震下隔震和非隔震结构加速度响应

图9 大震下隔震和非隔震结构加速度响应

由此可得，增大隔震层刚度对此类结构加速度响应为，上部结构加速度增大，且随着地震力的增大，加速度增幅加大，但上部结构的加速度幅值仍未超过地面输入加速度；下部结构的加速度随着隔震层刚度增大而减小，地震力增大，加速度降幅减小。因此，增大隔震层刚度对协调上下部结构的加速度起到有利作用，上部结构加速度虽增大，但并未超过地面运动加速度，下部结构的加速度得到有效遏制。