某高烈度區(qū)地鐵控制中心結(jié)構(gòu)選型研究

史月珍

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 工程概況

筆者主持設(shè)計(jì)的某地鐵控制中心為地下兩層、地上五層建筑，建筑高度25.35 m，建筑面積21 532 m2，具有行車調(diào)度、電力調(diào)度、環(huán)境與設(shè)備調(diào)度、防災(zāi)指揮等運(yùn)營調(diào)度和指揮功能，并對地鐵運(yùn)營的全過程進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，同時兼做防災(zāi)和應(yīng)急指揮中心，要求結(jié)構(gòu)具有較高的安全性和可靠性。

建筑剖面圖如圖1 所示。

圖1 建筑剖面圖（僅示出地上）

2 設(shè)計(jì)依據(jù)及主要建筑分類等級

該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8 度（0.20 g），設(shè)計(jì)地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅱ類?？拐鹪O(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，安全等級為一級，重要性系數(shù)為1.1?？刂浦行氖堑罔F運(yùn)營管理最為重要的建筑之一，GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，按100 年使用年限設(shè)計(jì)。

由于目前房屋建筑規(guī)范可變荷載（作用）都是基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50 值取值。對于設(shè)計(jì)使用年限為100 年的建筑，其可變荷載（作用）尤其是地震作用需要調(diào)整。參考相關(guān)書籍文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)使用年限為100 年時，該項(xiàng)目相當(dāng)于設(shè)防烈度為8.49 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.28 g。設(shè)計(jì)使用年限為100年地震參數(shù)如表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)使用年限為100 年地震參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)選型

由于本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度較高，純框架結(jié)構(gòu)體系試算時當(dāng)框架柱采用1 100 mm×1 100 mm 截面尺寸時，在小震作用下的層間位移角僅為1/299，很難滿足地震作用下層間位移角1/550 規(guī)范限值的要求。因此在結(jié)構(gòu)選型初期，重點(diǎn)研究了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、帶隔震層的框架結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系。

3.1 框剪-剪力墻結(jié)構(gòu)

主要構(gòu)件截面：墻厚850 mm，750 mm；框架柱1 000 mm×1 000 mm；框架梁450 mm×900 mm。

采用盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件得到結(jié)構(gòu)在小震作用下的主要計(jì)算控制指標(biāo)：扭轉(zhuǎn)周期比為0.279 9/0.437 2=0.64；最大層間位移角X向地震作用為1/1 188，Y向地震作用為1/1 013；偶然偏心的位移比為1.36。

該結(jié)構(gòu)在小震作用下的主要計(jì)算指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求。鑒于控制中心的重要性，設(shè)計(jì)補(bǔ)充了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下彈塑性變形計(jì)算，采用了三維靜力彈塑性push-over 分析方法。該方法是一種考慮材料非線性對建筑物的抗震性能進(jìn)行評價的方法，push-over 分析后，可以得出結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件在水平側(cè)移下的出鉸情況。

X方向整體推覆破壞如圖2 所示。Y方向首層推覆破壞如圖3 所示。

圖2 X 方向整體推覆破壞

圖3 Y 方向首層推覆破壞

推覆分析結(jié)果可以看出，無論是X向還是Y向的地震作用下，結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件剪力墻、框架柱、框架梁在罕遇地震作用下破壞均較嚴(yán)重，建筑物在罕遇地震作用下使用功能會中斷。

3.2 帶隔震層的框架結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)高寬比小于4，體系以框架結(jié)構(gòu)為主，接近剪切變形的特征；建筑場地類別不超過Ⅲ類；風(fēng)荷載及其他非地震作用的水平荷載產(chǎn)生的水平力不超過結(jié)構(gòu)總重力的10%，因此，本工程采用隔震技術(shù)具備可行性。

本工程借助地下室布置隔震層及隔震支座，以地下室頂板（零層板）作為隔震層，并作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。隔振支座在每個框架柱底設(shè)置，隔振支座采用鉛芯橡膠支座LRB1100-240 和天然橡膠支座NRB1100 兩種類型。隔震支座參數(shù)如表2 所示。

表2 隔震支座參數(shù)表

本工程采用ETABS 有限元分析軟件對隔震與非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震下的彈性時程分析。地震波采用5 組天然波和2 組人工波。平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符，在結(jié)構(gòu)主要振型對應(yīng)的周期點(diǎn)上，相差不超過20%。時程分析均采用雙向輸入（1.00∶0.85），天然波、人工波的峰值加速度修正值取主方向98 cm/s2，次方向83.3 cm/s2。

通過計(jì)算分析，時程分析時選用的每條地震波所得基底剪力均大于反應(yīng)譜法所得基底剪力的65%，小于反應(yīng)譜法的135%；平均值大于反應(yīng)譜法的80%且小于反應(yīng)譜法的120%，符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，所選用地震波滿足工程需要。

非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的周期對比如表3 所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，隔震結(jié)構(gòu)的周期較非隔震結(jié)構(gòu)增大比較明顯，結(jié)構(gòu)第一周期從0.698 s 延長至2.212 s，增大了3.2 倍，已經(jīng)遠(yuǎn)離了建筑場地的特征周期（0.40 s），地震作用影響系數(shù)大大降低，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

表3 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)周期對比

采用ETABS 有限元分析軟件對隔震與非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)防地震下的彈性時程分析，以期得到結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)后的水平減震系數(shù)。設(shè)防地震下隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力對比如表4 所示。

表4 設(shè)防地震下隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力對比

綜合X、Y向地震作用計(jì)算，采用隔震技術(shù)后水平減震系數(shù)β=0.24。根據(jù)抗規(guī)規(guī)定，根據(jù)αmax1=βαmax/ψ計(jì)算得到隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmax1為0.063。結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)時，偏于安全考慮，地震影響系數(shù)最大值按7 度（0.15 g）取值，取為0.12。水平減震系數(shù)小于0.38，上部結(jié)構(gòu)的抗震措施可降低一度。

隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性分析亦表明，結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)后，梁柱均無塑性鉸出現(xiàn)，可保證控制中心結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系中剪力墻布置會影響建筑平面布局和功能使用，空間布置不靈活，并且在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能不高，地震過程中使用功能會中斷。而采用隔震技術(shù)后由于上部結(jié)構(gòu)改為框架結(jié)構(gòu)體系，空間開敞，功能布置靈活，能夠很好滿足使用功能要求，并且結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用抗震性能良好，地震過程中能夠保證使用功能不中斷，滿足地鐵控制中心重要建筑物的功能定位。

近年來，一些應(yīng)用了減隔震技術(shù)的工程在幾次大地震中經(jīng)受住了實(shí)際地震的考驗(yàn)，保證了人民生命財產(chǎn)安全，產(chǎn)生了良好的社會效益。國家也相繼出臺了一些文件鼓勵高烈度區(qū)重要建筑采用減隔震技術(shù)。本文的研究對高烈度區(qū)重要建筑隔震技術(shù)的應(yīng)用可提供一定的參考價值。