地鐵車輛段大平臺(tái)上部土地開發(fā)上的應(yīng)用研究文庫(kù).doc

層間隔震技術(shù)在地鐵車輛段大平臺(tái)上部土地開發(fā)上的應(yīng)用研究摘要:為開發(fā)北京地鐵八王墳車輛段大平臺(tái)上部空間,層間隔震技術(shù)被采用。通過非線性時(shí)程 分析 和模擬地震動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn), 研究 了此層間隔震結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。研究結(jié)果表明采用隔震技術(shù)后,結(jié)構(gòu)體系抗震性能得到很大提高,其地震響應(yīng)滿足規(guī)范要求。關(guān)鍵詞:層間隔震;地鐵車輛段;上部空間開發(fā);大平臺(tái)結(jié)構(gòu)1 前言 近年來,隨著大都市土地價(jià)格的不斷增加,人們開始尋求提高城市土地的有效利用率 方法 ,其中一個(gè)有效途徑是開發(fā)地鐵上部空間。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)已出現(xiàn)了一些成功開發(fā)地鐵上部空間的工程實(shí)例1。作為一種特殊的結(jié)構(gòu)形式,這種工程通常面臨著許多不同于常規(guī)建筑的困難2。特別當(dāng)結(jié)構(gòu)處于高烈度地震區(qū)時(shí),其抗震設(shè)計(jì)極為困難。如果按常規(guī)方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),則極有可能導(dǎo)致原有地鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抗震承載力的嚴(yán)重不足,而且受地鐵線路及其正常運(yùn)營(yíng)要求的限制,對(duì)地鐵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固幾乎是不可行的。正在建設(shè)中北京地鐵八王墳車輛段開發(fā)工程就面臨著此難題,為解決這個(gè)工程難題,本文提出在地鐵車輛段大平臺(tái)上部空間開發(fā)時(shí)采用鉛芯橡膠墊隔震技術(shù),將上部建筑結(jié)構(gòu)通過隔震層與下部大平臺(tái)連接,使得整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際成為一種層間隔震結(jié)構(gòu)形式。隔震是一種新型抗震技術(shù),它通過調(diào)整原有結(jié)構(gòu)體系的自振周期,使其遠(yuǎn)離地震地面運(yùn)動(dòng)的卓越周期,從而顯著的降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。對(duì)于隔震技術(shù),國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究36,并已出現(xiàn)了很多工程 應(yīng)用 ,其中一些在地震中表現(xiàn)出了良好的抗震性能7。層間隔震作為一種新型隔震形式,因其在已有結(jié)構(gòu)增層加固工程以及一些不宜進(jìn)行采用基礎(chǔ)隔震的特殊結(jié)構(gòu)工程中的特有優(yōu)勢(shì),近年來逐漸受到了人們的重視8,9,并且國(guó)內(nèi)現(xiàn)已建造了少量層間隔震結(jié)構(gòu)的房屋。 為研究在此工程中采用層間隔震技術(shù)的減震效果,本文對(duì)隔震結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了非線性時(shí)程分析,隨后又對(duì)1/30比例的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了模擬地震動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。 理論 分析和試驗(yàn)結(jié)果表明隔震結(jié)構(gòu)體系抗震性能良好,完全能夠滿足規(guī)范要求,具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。2 工程概況 正在建設(shè)中的北京地鐵八王墳車輛段開發(fā)工程是為提高土地資源利用率,充分利用地鐵車輛段上部空間的市級(jí)重點(diǎn)工程。工程位于北京市朝陽區(qū)高碑店鄉(xiāng),開發(fā)平臺(tái)用地29.4公頃,主體平臺(tái)東西長(zhǎng)1291m,南北寬226m。平臺(tái)為兩層純框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)主要為117.2(m),柱斷面以11(m)為主。平臺(tái)首層層高7.5m,為車輛段層,提供北京復(fù)八線地鐵車輛停車列檢、維修、洗刷保養(yǎng)等服務(wù);平臺(tái)二層層高4.1m,為設(shè)備管道層,平臺(tái)住宅區(qū)的變電所、水泵房、熱力站、機(jī)動(dòng)車停車場(chǎng)、各種管理用房和設(shè)備管道設(shè)置在該層。住宅小區(qū)位于距地面約11.6m的2層平臺(tái)上,總建筑面積54.6萬m2,是以6層、9層為主的 經(jīng)濟(jì) 適用住宅小區(qū)。3 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn) 該工程將功能、性質(zhì)完全不同的地鐵車輛段和居民住宅小區(qū)結(jié)合在一起,此開發(fā)形式在國(guó)內(nèi)尚屬首例,在開發(fā)規(guī)模、技術(shù)難度等方面都是少見的。由于下部?jī)蓪哟笃脚_(tái)以地鐵車輛段為主,受地鐵線路、車輛限界和功能劃分 影響 ,下部平臺(tái)的柱網(wǎng)、柱斷面受到嚴(yán)格限制。為保證地鐵及時(shí)通車運(yùn)營(yíng),兩層混凝土平臺(tái)已基本施工完畢,若按常規(guī)抗震設(shè)計(jì),在此大平臺(tái)上建筑9層住宅,將有以下 問題 :已施工平臺(tái)框架柱抗震能力不足;上部9層住宅設(shè)計(jì)超限,若單獨(dú)對(duì)9層住宅進(jìn)行抗震加強(qiáng),例如,增加抗震墻或加大柱斷面等,又導(dǎo)致下部平臺(tái)抗震剪力增加,使下部平臺(tái)抗震能力更加不足。所以在不對(duì)下部平臺(tái)柱補(bǔ)強(qiáng)、加固,又不減少上部開發(fā)面積的前提下,擬在平臺(tái)9層住宅部分采用層間橡膠隔震技術(shù),以期既提高9層住宅的抗震安全性,同時(shí)改善和降低下部平臺(tái)的地震作用,使其滿足抗震要求。 本工程在距地面約11.6m的2層平臺(tái)和9層住宅首層之間設(shè)置鉛芯橡膠墊隔震支座,屬于層間隔震技術(shù)。該項(xiàng)目已申報(bào)國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目,相關(guān)的研究課題超大平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗震及車輛段開發(fā)區(qū)減振降噪技術(shù)研究為北京市科委資助支持的重大科研項(xiàng)目。 本文僅以最具代表性小區(qū)為例,進(jìn)行隔震 計(jì)算 分析和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析研究。該區(qū)位于整個(gè)八王墳大平臺(tái)的11區(qū)北側(cè),三類場(chǎng)地,8度設(shè)防,在大平臺(tái)上建筑一幢9層和6層住宅。計(jì)算和試驗(yàn)輸入的地震波采用北京市勘察設(shè)計(jì)研究院和 中國(guó) 地震局地質(zhì)研究所聯(lián)合提供的地震波,包括1條人工地震波和3條實(shí)際強(qiáng)震記錄(ElCentro、Taft和八戶地震記錄),其中人工波為經(jīng)場(chǎng)地地震安全性評(píng)估得到的場(chǎng)地波。地震波水平加速度峰值為:8度小震取0.07g,8度中震取0.20g,8度大震取0.40g。4 計(jì)算結(jié)果與減震效果分析 計(jì)算采用三維空間有限元時(shí)程分析程序SAP2000非線性版。計(jì)算時(shí)考慮非線性變形集中在隔震層,而結(jié)構(gòu)構(gòu)件均保持線彈性階段。 計(jì)算結(jié)果分析整理如下: 綜合上述表中數(shù)據(jù),9層住宅V隔/V不隔在0.170.29之間,小于0.35,可以認(rèn)為水平減震系數(shù)按0.5設(shè)計(jì),大平臺(tái)上9層住宅水平地震作用按降一度即7度設(shè)計(jì);大平臺(tái)V隔/V不隔最大值在0.620.79之間,水平地震剪力降低21%38%,其抗震性能得到改善。 表3顯示,9層住宅隔震時(shí)最大層間位移角為1/2857,大平臺(tái)隔震時(shí)最大層間位移角為1/1003,均小于1/550,處于彈性狀態(tài),滿足規(guī)范層間彈性位移角限值要求。5 結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 研究 5.1 模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案 根據(jù)工程分區(qū)大小、高度及試驗(yàn)條件, 應(yīng)用 相似 理論 ,設(shè)計(jì)模型與原型的比例為1:30。由于微?；炷敛牧系膹椥阅Ａ枯^小,泊松比和阻尼特性與原型混凝土接近,可反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂等造成的內(nèi)力重分布的 影響 ,故模型采用微粒混凝土制作。模型采用M7.5、M10微?；炷聊M原型C30、C40混凝土,模型材料抽樣試驗(yàn)結(jié)果:M7.5強(qiáng)度平均值5.09MPa、彈性模量平均值10000MPa,M10強(qiáng)度平均值7.36MPa、彈性模量平均值10700MPa。模型鋼筋采用回火鍍鋅鐵絲,根據(jù)相似關(guān)系選用直徑為22#-8#等多種規(guī)格。試驗(yàn)在廣州大學(xué)工程抗震研究中心進(jìn)行,地震波的峰值按相似比換算后分別為8度小震取0.155g,8度中震取0.444g,8度大震取0.888g。5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和 分析 表4表6給出了隔震前后結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)將其與 計(jì)算 結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。 從表4看出,隔震后,上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)顯著下降,頂層的下降幅度達(dá)74.5%;同時(shí)大平臺(tái)結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)也得到一定程度的削減。有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差不是很大。 由表中數(shù)據(jù)看出,在8度小震作用下,與不隔震結(jié)構(gòu)相比,隔震后,9層住宅最大層間位移角明顯減小;不隔震結(jié)構(gòu)在中震時(shí)已不能滿足規(guī)范要求,而隔震結(jié)構(gòu)在大震時(shí)絕大部分樓層的層間位移角都在規(guī)范允許范圍之內(nèi),可見隔震效果之顯著。 另外在試驗(yàn)中觀察到,不隔震時(shí),中震試驗(yàn)后,部分大平臺(tái)邊柱的底部和頂部出現(xiàn)裂縫,大震時(shí)9層住宅剪力墻根部出現(xiàn)裂縫,柱子底部折斷,平臺(tái)多根邊柱出現(xiàn)破損性裂縫,整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞;隔震時(shí),中震、大震作用下結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫。對(duì)試驗(yàn)前后結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力特性進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),不隔震結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷中震作用以后,一階頻率下降了47%,而隔震結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷中震和大震以后,一階頻率僅下降了5%,動(dòng)力特性基本沒有變化。這說明隔震后,結(jié)構(gòu)構(gòu)件在大震作用下基本處于彈性階段,其抗震性能大大得到了提高。6 結(jié)語和前景展望 通過進(jìn)行隔震和不隔震振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn),同時(shí)用SAP2000進(jìn)行三維動(dòng)力分析,將理論分析和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到以下兩點(diǎn)結(jié)論: 采用隔震技術(shù)后,減震效果明顯,結(jié)構(gòu)的抗震性能大大得到改善。大平臺(tái)上9層住宅水平地震作用可按降一度即7度設(shè)計(jì); 從試驗(yàn)和程序計(jì)算結(jié)果對(duì)比來看,雖然存在一定的誤差,但考慮到試驗(yàn)環(huán)境的復(fù)雜性和計(jì)算模型的近似性,存在這樣的誤差在工程上可以接受,所以試驗(yàn)和程序計(jì)算成果可以作為上部住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隔震方案設(shè)計(jì)的依據(jù)。 橡膠墊隔震作為新興的工程減震技術(shù)由于在我國(guó)仍處于探索應(yīng)用階段,但隨著我國(guó)第一部隔震技術(shù)規(guī)范即將頒布,橡膠墊隔震技術(shù)必將在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用和 發(fā)展 ,橡膠隔震技術(shù)在地鐵車輛段上部空間開發(fā)大平臺(tái)上的應(yīng)用,既可對(duì)隔震技術(shù)進(jìn)行完善和補(bǔ)充,又可應(yīng)用于擬建設(shè)的北京地鐵5號(hào)線和八通線車輛段上蓋開發(fā),同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)其他城市的地鐵車輛段、其他類似公交停車場(chǎng)、鐵路站場(chǎng)的上蓋開發(fā)亦有指導(dǎo)和借鑒意義。參考文獻(xiàn) :1趙新衛(wèi).淺談地鐵車輛段上部空間綜合開發(fā)在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展A.第13屆地鐵年會(huì)優(yōu)秀論文集C.2蓮田常雄,國(guó)弘仁,季小蓮.利用鐵路上部空間建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J.鋼結(jié)構(gòu),1997,12(1):28-35.3IzawaK,TachibanaE,InoueY.Evaluationofbaseisolatedeffectinbuildingstructureforearthquakeexcitations(Part1.BehaviorofthebaseisolatedbuildingfortheHyogoKenNambuEarthquake)R.TechnologyReportsoftheOsakaUniversity,1998,48(2301-2318).65-72.4MokC,NambaH.FrequencyresponsecharacteristicsandresponsespectraofbaseisolatedandunisolatedstructuresA.ASME,PressureVesselsandPipingDivision(Publication)C,1995,319,45-58.5ForniM.Analysisofinsituforcedvibrationtestsoftwinseismicallyisolatedandnon isolatedbuildingsA.ASME,PressureVesselsandPipingDivision(Publication)C,1993,256,217-22.6TakedaM.StudyonseismicreliabilityofbaseisolatedbuildingcomparingwithnonbaseisolatedbuildingA.ProceedingsofICOSSAR89,the5thInternati