王杰輝，俞 涵，2，匡仁錚，胡小兵

（1.寧波市房屋建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2.寧波東衡工程科技發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315000）

1 工程概況

楊柳郡幼兒園項(xiàng)目位于寧波市鄞州區(qū)，為寧波軌道交通1號(hào)線天童莊車輛段上蓋平臺(tái)（JGC8）的上部續(xù)建項(xiàng)目，建筑面積5 027 m2，共3層，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，新設(shè)防烈度為7度（0.10 g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅳ類，特征周期0.65 s，50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.30 kN／m2，屬重點(diǎn)抗震設(shè)防類建筑。

已建地鐵上蓋平臺(tái)共兩層，地鐵上蓋平臺(tái)1層為地鐵檢修用房，2層為汽車停車庫，層高各為10 m和4.5 m，按抗震設(shè)防烈度6度0.05 g設(shè)計(jì)，考慮后續(xù)在其上部建造幼兒園，已預(yù)留相應(yīng)荷載。地鐵上蓋平臺(tái)于2010年設(shè)計(jì)完成，2014年建成并投入使用。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1）根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》（2016年版）［1］規(guī)定，寧波地區(qū)抗震設(shè)防烈度由6度（0.05 g）調(diào)整為7度（0.10 g），已建成地鐵上蓋平臺(tái)的抗震承載力存在無法滿足現(xiàn)行設(shè)防要求的可能。

2）軌道交通1號(hào)線已經(jīng)運(yùn)營，地鐵上蓋平臺(tái)1層為地鐵檢修用房［2］，平時(shí)不能中斷運(yùn)營，因此無法對(duì)其進(jìn)行加固改造，只能加固2層汽車停車庫［3］。

3）因續(xù)建幼兒園建筑方案調(diào)整，局部柱網(wǎng)無法與地鐵上蓋平臺(tái)柱網(wǎng)對(duì)齊，需通過轉(zhuǎn)換構(gòu)件把荷載傳至底部既有結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換梁、柱均按設(shè)防烈度6度設(shè)計(jì)（未按轉(zhuǎn)換梁、柱設(shè)計(jì)）并已建成，無法滿足現(xiàn)行抗震設(shè)防烈度的要求，加固工程量大。

4）因地鐵上蓋平臺(tái)柱截面尺寸偏小，續(xù)建結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)體系，柱截面尺寸受到限制，7度設(shè)防要求下結(jié)構(gòu)位移角難以控制。

3 方案比較及分析模型

結(jié)合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)難點(diǎn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的抗震性能，取以下3個(gè)模型方案進(jìn)行抗震性能分析和評(píng)估，對(duì)比各結(jié)構(gòu)形式的抗震性能，以確定續(xù)建幼兒園結(jié)構(gòu)形式的最佳抗震方案。

表1 3個(gè)結(jié)構(gòu)模型方案介紹

應(yīng)用YJK及Midas Gen有限元軟件將上述3個(gè)結(jié)構(gòu)方案模型準(zhǔn)確建立。YJK軟件建模便捷，且方便與Midas Gen軟件的模型互導(dǎo)。Midas Gen軟件能考慮邊界和材料的雙非線性，同時(shí)可以相對(duì)準(zhǔn)確地模擬粘滯阻尼器單元、橡膠隔震支座以及鉛芯橡膠隔震支座，并通過動(dòng)力時(shí)程分析模擬結(jié)構(gòu)的抗震性能。本次分析采用1組人工地震動(dòng)和2組天然地震動(dòng)進(jìn)行設(shè)防地震及罕遇地震分析。多遇地震采用振型分解法分析。

4 方案分析

4.1 地鐵上蓋平臺(tái)結(jié)構(gòu)（僅已建2層）模型分析

4.1.1 層間位移角

地鐵上蓋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在6度和7度設(shè)防烈度多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下的位移角對(duì)比，見圖1。虛線表示6度設(shè)防，實(shí)線表示7度設(shè)防，從左至右依次為多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下的位移角折線。

圖1 位移角對(duì)比一

在6度中震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角X向和Y向的最大值分別為1／314和1／361，結(jié)構(gòu)整體處于剛進(jìn)入屈服狀態(tài)。在6度大震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角X向和Y向的最大值分別為1／112和1／119，結(jié)構(gòu)整體處于屈服后強(qiáng)化階段，尚未達(dá)到極限承載力狀態(tài)，滿足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)。

在7度中震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角X向和Y向的最大值分別為1／143和1／159，結(jié)構(gòu)整體處于屈服后強(qiáng)化階段，尚未達(dá)到極限承載力狀態(tài)，滿足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)。7度大震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角X向和Y向的最大值分別為1／44和1／54，結(jié)構(gòu)整體基本達(dá)到極限承載力狀態(tài)，勉強(qiáng)可以滿足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)。

4.1.2 結(jié)構(gòu)塑性鉸開展情況

地鐵上蓋平臺(tái)結(jié)構(gòu)（僅已建2層）在地震作用下的塑性鉸開展情況見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)整體塑性鉸分布

從塑性鉸看，6度中震作用下，結(jié)構(gòu)的塑性鉸基本處于Level1階段，少數(shù)為Level2階段，結(jié)構(gòu)的整體性能良好。6度大震作用下，結(jié)構(gòu)的塑性鉸基本處于Level2和Level3階段，結(jié)構(gòu)的整體性能仍能保持良好承載力狀態(tài)。

7度中震作用下，結(jié)構(gòu)的塑性鉸基本處于Level2和Level3階段，結(jié)構(gòu)的整體性能仍能保持良好承載力狀態(tài)。7度大震作用下，結(jié)構(gòu)整體塑性鉸絕大多數(shù)處于Level4以下，有少數(shù)幾個(gè)處于Level5狀態(tài)，出現(xiàn)破壞的塑性鉸。整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力接近達(dá)到承載力極限值，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的開裂情況，但整個(gè)結(jié)構(gòu)處于大震不倒?fàn)顟B(tài)。

4.1.3 小結(jié)

抗震設(shè)防烈度由6度（0.05 g）調(diào)整為7度（0.10 g），地鐵上蓋平臺(tái)的抗震承載力勉強(qiáng)能滿足現(xiàn)行規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求，但有較多梁、柱出現(xiàn)配筋不足情況，需適量加固。

4.2 原幼兒園結(jié)構(gòu)模型（無隔震）分析

4.2.1 層間位移角

原幼兒園結(jié)構(gòu)在6度和7度設(shè)防烈度多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下的位移角對(duì)比見圖3。虛線表示6度設(shè)防，實(shí)線表示7度設(shè)防，從左至右依次為多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下的位移角折線。

圖3 位移角對(duì)比二

結(jié)構(gòu)在6度小震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的1／550；在中震作用下X向和Y向的層間位移角分別為1／233和1／242；大震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角X向和Y向的最大值分別為1／54和1／59，結(jié)構(gòu)整體基本屈服后承載力接近極限狀態(tài)，可以滿足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)在7度中震作用下X向和Y向的層間位移角分別為1／75和1／86；在大震作用下X向和Y向的層間位移角分別為1／35和1／36，結(jié)構(gòu)已超越極限承載力點(diǎn)，無法滿足結(jié)構(gòu)大震不倒的性能目標(biāo)。

4.2.2 結(jié)構(gòu)塑性鉸開展情況

原幼兒園結(jié)構(gòu)模型（無隔震）在地震作用下的塑性鉸開展情況見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)整體塑性鉸分布

從結(jié)構(gòu)的塑性鉸開展情況看，6度中震作用下，結(jié)構(gòu)整體塑性鉸絕大多數(shù)處于Level1至Level2之間，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于剛進(jìn)入屈服狀態(tài)。6度大震作用下，結(jié)構(gòu)整體塑性鉸開展絕大多數(shù)處于Level3以下，有少部分處于Level4狀態(tài)，接近極限承載力狀態(tài)。整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力接近達(dá)到承載力極限值，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的開裂情況，但整個(gè)結(jié)構(gòu)處于大震不倒?fàn)顟B(tài)。

7度中震作用下，結(jié)構(gòu)整體塑性鉸開展絕大多數(shù)處于Level3以下，有少部分處于Level4狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于承載力屈服后上升階段。從結(jié)構(gòu)的塑性鉸開展情況看，結(jié)構(gòu)在7度大震下底部層柱均出現(xiàn)一定數(shù)量LEVEL5水平的塑性鉸，承載力開始下降，剩余部分柱的塑性鉸基本處于LEVEL4水平，達(dá)到極限承載力狀態(tài)。

4.2.3 小結(jié)

抗震設(shè)防烈度由6度（0.05g）調(diào)整為7度（0.10g），地鐵上蓋平臺(tái)的底層位移角較僅兩層地鐵上蓋平臺(tái)在大震作用工況下X、Y方向各增大30%和50%，采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的原幼兒園結(jié)構(gòu)抗震承載力無法滿足現(xiàn)行規(guī)范“大震不倒”的要求。

4.3 續(xù)建幼兒園減隔震結(jié)構(gòu)模型分析

4.3.1 減隔震設(shè)計(jì)思路

以減隔震裝備作為項(xiàng)目重要的耗能部件，從小震到大震全過程發(fā)生耗能作用。隔震技術(shù)采用2種隔震產(chǎn)品，普通橡膠支座和鉛芯橡膠支座。普通橡膠支座的水平剛度很小，主要起支承上部結(jié)構(gòu)重力的作用；鉛芯橡膠支座的作用分為兩個(gè)階段：第一階段，當(dāng)?shù)卣鹱饔幂^小時(shí)鉛芯不會(huì)發(fā)生屈服，整個(gè)結(jié)構(gòu)變形幅度相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)的耗能以黏滯阻尼器為主；第二階段，當(dāng)?shù)卣鹱饔迷龃螅U芯逐步屈服，隔震層的剛度迅速下降，隔震層的變形量加大，上部結(jié)構(gòu)下傳的地震作用明顯減小，整個(gè)續(xù)建幼兒園結(jié)構(gòu)以一個(gè)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的作用消耗地震能量，保護(hù)地鐵上蓋平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

4.3.2 減隔震裝置的布置方案

隔震層支座及粘滯阻尼器布置見圖5、圖6，粘滯阻尼器及橡膠支座見表2、表3。

圖5 隔震層減隔震裝置布置

圖6 大底盤車庫層減震裝置布置

表2 黏滯阻尼器參數(shù)

表3 普通（鉛芯）橡膠支座參數(shù)

4.3.3 周期

結(jié)構(gòu)減隔震前后周期對(duì)比見表4。

表4 結(jié)構(gòu)減隔震前后周期對(duì)比

續(xù)建幼兒園結(jié)構(gòu)采用減隔震技術(shù)較傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的周期增長至2.22～2.47倍，大幅度減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

4.3.4 附加阻尼比

根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程（JGJ 297—2013）》［5］分析計(jì)算，結(jié)構(gòu)在各條波不同大小地震作用下所計(jì)算的附加阻尼比見圖7。

圖7 附加阻尼比

由圖7可知，隨著地震作用不斷的增大，結(jié)構(gòu)的附加阻尼比不斷增大，在小震作用下結(jié)構(gòu)的附加阻尼比為5%～6%，大震作用下附加阻尼比在10%～12%。附加阻尼比不斷增大，主要是由于鉛芯橡膠支座屈服，與黏滯阻尼器一起耗能，使得耗能增加。

圖7 內(nèi)部流線分析

4.3.5 層間位移角

續(xù)建幼兒園減隔震結(jié)構(gòu)在6度和7度設(shè)防烈度設(shè)防、罕遇地震作用下的位移角對(duì)比，見圖8。虛線表示6度設(shè)防，實(shí)線表示7度設(shè)防，從左至右依次為設(shè)防、罕遇地震作用下的位移角折線。

圖8 浙一余杭院區(qū)門診大廳外部實(shí)景（圖片來源：章魚攝影工作室）

圖8 位移角對(duì)比三

結(jié)構(gòu)在6度中震作用下，三條波的最大層間位移角分別為X向1／368和Y向1／354，結(jié)構(gòu)處于屈服后承載力開始上升階段。結(jié)構(gòu)在6度大震作用下，最大層間位移角分別為X向1／149和Y向1／134。兩個(gè)方向結(jié)構(gòu)層間位移角均遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的1／50，從結(jié)構(gòu)的變形量上看遠(yuǎn)小于倒塌狀態(tài)，有較高安全余量。

結(jié)構(gòu)在7度中震作用下，三條波的最大層間位移角分別為X向1／198和Y向1／178。兩個(gè)方向結(jié)構(gòu)層間位移角均遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的1／50，從結(jié)構(gòu)的變形量上看遠(yuǎn)小于倒塌狀態(tài)，有較高安全余量；結(jié)構(gòu)在7度大震作用下，X向的最大層間位移角分別為1／89、1／90和1／71；Y向的最大層間位移角分別為1／81、1／79和1／61。兩個(gè)方向結(jié)構(gòu)層間位移角均遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的1／50，從結(jié)構(gòu)的變形量上看遠(yuǎn)小于倒塌狀態(tài)，有較高安全余量。

4.3.6 樓層剪力

由表5可知，整個(gè)續(xù)建幼兒園結(jié)構(gòu)以一個(gè)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的作用消耗地震能量，保護(hù)下部地鐵上蓋平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

表5 結(jié)構(gòu)減隔震前后樓層剪力對(duì)比 單位：kN

4.3.7 結(jié)構(gòu)塑性鉸開展情況

續(xù)建幼兒園減隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下的塑性鉸開展情況見圖9。

圖9 結(jié)構(gòu)整體塑性鉸分布

從結(jié)構(gòu)的塑性鉸開展情況看，結(jié)構(gòu)在7度中震作用下，結(jié)構(gòu)整體塑性鉸開展絕大多數(shù)處于Level3以下，有少數(shù)幾個(gè)處于Level4狀態(tài)，沒有出現(xiàn)破壞的塑性鉸。下部結(jié)構(gòu)部分底層柱基本處于Level3以下狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)良好，整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能處于剛進(jìn)入屈服狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)在7度大震作用下，由塑性鉸分布情況可以看出，結(jié)構(gòu)整體塑性鉸開展絕大多數(shù)處于Level4以下，有少數(shù)幾個(gè)處于Level5狀態(tài)，進(jìn)入承載力下降階段。下部結(jié)構(gòu)部分底層柱基本處于Level4以下狀態(tài)，少數(shù)梁出現(xiàn)Level5階段塑性鉸，整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能處于屈服狀態(tài)，處于承載力上升階段，尚未進(jìn)入承載力下降階段，結(jié)構(gòu)具有較大的安全余量。

4.3.8 鉛芯橡膠支座及黏滯阻尼器滯回曲線

鉛芯橡膠支座及黏滯阻尼器滯回曲線見圖10。

圖10 鉛芯橡膠支座和粘滯阻尼器滯回曲線

結(jié)構(gòu)在7度中震及大震作用下，鉛芯橡膠支座和黏滯阻尼器的滯回曲線均比較飽滿，耗能效果明顯。隨著地震作用的增大，鉛芯橡膠支座最大行程在±200 mm左右，鉛芯進(jìn)入屈服階段，隔震層剛度進(jìn)一步減小，對(duì)續(xù)建幼兒園結(jié)構(gòu)的隔震效果更加明顯。

5 結(jié) 語

應(yīng)用YJK及Midas Gen有限元軟件對(duì)地鐵上蓋平臺(tái)續(xù)建幼兒園項(xiàng)目的3個(gè)結(jié)構(gòu)方案模型進(jìn)行對(duì)比，通過周期、層間位移角、樓層剪力、結(jié)構(gòu)塑性鉸開展情況，結(jié)合本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，得到以下結(jié)論：

1）該項(xiàng)目由6度（0.05 g）調(diào)整為7度（0.10 g），已按6度設(shè)防設(shè)計(jì)、建造的建筑，主體結(jié)構(gòu)指標(biāo)基本能滿足“中震可修、大震不倒”的要求。

2）采用傳統(tǒng)抗震技術(shù)在地鐵上蓋平臺(tái)續(xù)建幼兒園，雖地鐵上蓋平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)已考慮后續(xù)在其上部建造幼兒園，并預(yù)留相應(yīng)荷載，但因地區(qū)抗震設(shè)防烈度的提高，小震作用下地鐵上蓋平臺(tái)原設(shè)計(jì)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足新規(guī)范要求，且在大震作用下結(jié)構(gòu)已超越極限承載力；同時(shí)，軌道交通1號(hào)線無法中斷運(yùn)行，地鐵上蓋平臺(tái)1層檢修用房無法進(jìn)行加固改造，因此采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)在其上部續(xù)建幼兒園。

3）采用減隔震技術(shù)可以增加整體結(jié)構(gòu)的周期，提高結(jié)構(gòu)總阻尼比，可顯著降低地震作用。無法加固改造的1層地鐵檢修用房在小震作用下，原設(shè)計(jì)指標(biāo)可以滿足新規(guī)范要求，無需采取加固措施。整體結(jié)構(gòu)的大震性能指標(biāo)較采用傳統(tǒng)抗震技術(shù)續(xù)建結(jié)構(gòu)有明顯的提升，滿足大震下的性能指標(biāo)要求，并具有較大安全余量。整個(gè)續(xù)建幼兒園結(jié)構(gòu)以一個(gè)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的作用消耗地震能量，保護(hù)地鐵上蓋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，解決了1層檢修站無法加固的難題。

本文對(duì)地鐵車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的設(shè)計(jì)困難及解決辦法的研究，可以為后續(xù)地鐵車輛段上蓋物業(yè)的續(xù)建設(shè)計(jì)提供一些參考。