高烈度區(qū)某大型火車站高位隔震方案分析

歐旻韜，廖旭釗，吳桂廣，焦 柯

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510010）

0 前言

本文主要對(duì)處于高烈度區(qū)的某大型車站站房抗震性能進(jìn)行研究，討論了高位隔震應(yīng)用的可能性，并探索適用于大跨度站臺(tái)的高位隔震減震新體系，供設(shè)計(jì)人員參考。

該站房跨越多個(gè)地貌單元，場(chǎng)區(qū)屬于巖溶區(qū)，且多條斷層從場(chǎng)區(qū)穿過，地震烈度高。整個(gè)站房建筑面積384 006 m2，從下至上分為出站層、站臺(tái)層和高架層。由于地形起伏，底部的嵌固部位不在同一平面上，導(dǎo)致底部剛度分布不均勻。站臺(tái)層的建筑要求較高，不允許設(shè)置斜撐、剪力墻等抗側(cè)力構(gòu)件，導(dǎo)致該層的抗側(cè)力剛度較弱。高架層是候車區(qū)，利用懸臂柱支承頂部的雙層網(wǎng)架［1］。柱徑1.8 m，高23.6 m，懸臂柱抗彎剛度較弱。導(dǎo)致地震作用下，高架層至屋蓋間的層間位移角難以滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）：GB 50011——2010》［2］要求。

該站房?？扛咚倭熊嚕瑹o法采用底部隔震技術(shù)來降低地震力。經(jīng)過多番論證，初步?jīng)Q定對(duì)該站房主體結(jié)構(gòu)采用高位隔震技術(shù)，隔震區(qū)共使用80個(gè)疊層橡膠支座。因在H軸和R軸設(shè)置2道結(jié)構(gòu)縫［3］，分縫位置兩側(cè)的屋架支承在同一根柱上，導(dǎo)致該處柱頂需設(shè)置2個(gè)隔震支座。站房各層布置如圖1所示。

圖1 站房各層示意圖Fig.1 Each Floor of the Station

1 計(jì)算方案概述

該火車站房采用Midas/Gen中搭建整體模型，然后通過自主開發(fā)的StructInter軟件［4］快速導(dǎo)入到SAP2000［5］進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。梁、柱用梁?jiǎn)卧M，拉索采用索單元（只受拉單元）模擬，樓板、擋土墻采用殼單元模擬。搭建好的模型很龐大，構(gòu)件截面類型共153個(gè)。全模型共29 153個(gè)節(jié)點(diǎn)，87 242個(gè)單元。其中，索單元1 188個(gè)，梁?jiǎn)卧?8 741個(gè)，殼單元17 313個(gè)，這對(duì)計(jì)算機(jī)和計(jì)算軟件處理規(guī)模都是一個(gè)挑戰(zhàn)。各建筑層的荷載均按實(shí)際布置施加，而屋蓋由于節(jié)點(diǎn)較多，為加快計(jì)算速度，將其面荷載均換算為節(jié)點(diǎn)荷載施加在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

1.1 隔震支座的布置

圖2 高位隔震支座的平面位置Fig.2 Plane Position of High Isolation （m）

圖3 隔震支座布置示意圖Fig.3 Vibration Isolator Layout

表1 隔震墊參數(shù)Tab.1 Parameter List of Vibration Isolator

1.2 地震作用參數(shù)

地震作用依據(jù)文獻(xiàn)［2］確定，地震設(shè)防烈度為8度（0.20g），設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)特征周期為0.65 s，阻尼比為0.04。人工波--RH1，加速度峰值：（小震）70 cm/s2；（大震）400 cm/s2，計(jì)算時(shí)間取20 s。X向（順軌向）、Y向（橫軌向）地震波均采用單向加載。

1.3 SAP2000時(shí)程分析方法

1.3.1 線性直接積分法

線性直接積分法［6-7］又稱為逐步求解法，其本質(zhì)是在一系列時(shí)間間隔范圍內(nèi)求解平衡方程。結(jié)構(gòu)中使用了阻尼器、隔震器等非線性連接單元時(shí)，SAP2000將在動(dòng)力分析過程中考慮這些阻尼的影響，并把連接單元屬性中指定的線性有效阻尼系數(shù)或者非線性阻尼自動(dòng)轉(zhuǎn)換為振型阻尼。

1.3.2 非線性振型疊加

非線性振型疊加［8-9］又被稱為FNA（快速非線性分析方法），是以模態(tài)積分的方式進(jìn)行時(shí)程分析。模態(tài)積分方式是以結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果為基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)不同模態(tài)的積分求解來得到結(jié)構(gòu)總的響應(yīng)值。這種方法的主要優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)算速度，一般情況下可比傳統(tǒng)方法快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

當(dāng)使用模態(tài)積分非線性分析時(shí)，只能考慮結(jié)構(gòu)中邊界及連接單元的非線性，包括縫、鉤、彈簧等分線性連接單元和阻尼器、隔震器等非線性連接單元。

2 不同分析方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.1 基于鉸接模型的結(jié)果對(duì)比

由于高架層以上的懸臂柱比較細(xì)長(zhǎng)，地震作用下柱頂位移較大，是站房的抗震薄弱位置。下面基于懸臂住與網(wǎng)架之間為鉸接的模型，對(duì)比反應(yīng)譜法、非線性振型疊加法（FNA）、線性直接積分法的懸臂柱柱頂位移，如表2所示。各種方法的基底剪力對(duì)比如表3所示。

表2 順軌向懸臂柱柱頂位移Tab.2 Displacement along the Track to Column Top（m）

表3 最大基底剪力Tab.3 Maximum Base Shear Force（k N）

從結(jié)果對(duì)比中可得到如下結(jié)論：

治未病是中醫(yī)學(xué)術(shù)思想的基本內(nèi)容之一，是中醫(yī)學(xué)的突出特色和優(yōu)勢(shì)。從國(guó)家新醫(yī)改政策推動(dòng)大健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，政府已經(jīng)認(rèn)識(shí)到“治未病”的重要性，各地涌現(xiàn)了一批治未病中心，也出現(xiàn)了全國(guó)治未病專委會(huì)，推動(dòng)了中醫(yī)藥學(xué)預(yù)防為先的思想觀念的普及。中醫(yī)強(qiáng)調(diào)“未病先防、已病防變、已變防漸、瘥后防復(fù)”。對(duì)腫瘤患者經(jīng)手術(shù)和放化療后的治療，通常屬于已病防變范疇。原位腫瘤在轉(zhuǎn)移前能夠在特定器官組織誘導(dǎo)形成有利于腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的微環(huán)境，該腫瘤轉(zhuǎn)移前微環(huán)境的形成需要腫瘤分泌因子、抑制性免疫細(xì)胞的動(dòng)員募集以及該組織部位基質(zhì)組分炎性極化3方面要素的相互作用。因此，本文從這3個(gè)角度綜述了中藥抗腫瘤轉(zhuǎn)移微環(huán)境的現(xiàn)狀。

⑴基于該模型，反應(yīng)譜算出的基底剪力最大，非線性振型疊加和線性直接積分法算出的基底剪力接近。時(shí)程分析時(shí)，計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%，滿足文獻(xiàn)［2］要求。

⑵非線性振型疊加法與反應(yīng)譜相比：順軌向位移平均值相差7.15%，最大值相差28.21%；橫軌向位移平均值相差1.39%，最大值相差4.69%。線性直接積分法與反應(yīng)譜相比：順軌向位移平均值相差7.89%，最大值相差28.21%；橫軌向位移平均值相差2.39%，最大值相差3.13%。

⑶柱頂與屋蓋鉸接時(shí)，非線性振型疊加法與線性直接積分法計(jì)算結(jié)果基本一致。橫軌向這兩種方法的結(jié)果與反應(yīng)譜的比較一致，但順軌向在位移最大值上有差別。這種差別原因在所以選用地震波的頻譜與反應(yīng)譜不能完全一致，在順軌向的最大響應(yīng)值與反應(yīng)譜的有差別。

2.2 基于隔震模型的結(jié)果對(duì)比

為方便對(duì)比各個(gè)計(jì)算方法的結(jié)果，支座全部統(tǒng)一為側(cè)剛3 000 kN/m系列，且支座不設(shè)置粘滯阻尼。各種分析方法的結(jié)果對(duì)比如表4、表5所示。

表4 順軌向懸臂柱柱頂位移Tab.4 Displacement along the Track to Column Top（m）

表5 最大基底剪力Tab.5 Maximum Base Shear Force（k N）

非線性振型疊加法與反應(yīng)譜相比：X向平均值相差3.25%，最大值相差8.45%；Y向平均值相差6.34%，最大值相差4.55%。線性直接積分法與反應(yīng)譜相比：X向平均值相差22.46%，最大值相差18.31%；Y向平均值相差19.03%，最大值相差19.70%。

但要注意，加上隔震支座后，基底剪力比鉸接時(shí)的還要大。反應(yīng)譜和振型疊加法隔震前后剪力相差較大，這種現(xiàn)象與常規(guī)的基底隔震結(jié)構(gòu)明顯不同。下面根據(jù)參與質(zhì)量與周期的關(guān)系來分析其原因。

2個(gè)方向的參與質(zhì)量與周期關(guān)系曲線如圖4所示，由圖4可知，在0.10～0.65（Tg）這個(gè)反應(yīng)譜峰值區(qū)內(nèi)，隔震模型的參與質(zhì)量比鉸接模型的要多，相應(yīng)的百分比如圖5?所示。因此從整體看，隔震模型在共振區(qū)激發(fā)出更多的地震力，如圖5?所示，導(dǎo)致隔震后的基底剪力比鉸接時(shí)的要大而柱頂剪力卻是隔震時(shí)比鉸接時(shí)要小。

圖4 振型參與質(zhì)量與周期的關(guān)系Fig.4 Mode Shapes Participate in the Relationship between Mass and Period

圖5 各振型的參與質(zhì)量百分比及對(duì)應(yīng)基底剪力分布Fig.5 Participating Mass Percentage of Each Mode Shape and Base Shear Force Corresponding to Each Mode Shape

3 多遇地震作用下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

多遇地震的時(shí)程計(jì)算基于線性直接積分法，柱頂設(shè)置的隔震支座各個(gè)位置都統(tǒng)一型號(hào)，剛度和阻尼系數(shù)根據(jù)表1選取。設(shè)置不同型號(hào)隔震支座時(shí)的高架層懸臂柱位移角結(jié)果如表6所示。順軌向的位移角和基底剪力是地震波沿順軌向加載，順軌向的計(jì)算結(jié)果。橫軌向亦同。

表6 高架層懸臂柱位移角對(duì)比Tab.6 Displacement Angles Comparison of Elevated Floors

懸臂柱位移角倒數(shù)的分布情況（數(shù)值越大越好）如圖6所示。

圖6 地震作用邊柱位移角分布Fig.6 Displacement Angle Distribution of Side Column

從懸臂柱位移角對(duì)比結(jié)果可以看出：

⑴隔震結(jié)構(gòu)比非隔震結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)明顯減少，剛度和阻尼搭配合適時(shí)，柱頂位移只有鉸接時(shí)的50%左右。小震時(shí)的位移角能滿足文獻(xiàn)［2］小于1/550的要求。

⑵由于結(jié)構(gòu)分縫（H軸、R軸），地震力作用下容易出現(xiàn)縫隙兩側(cè)屋蓋變形不協(xié)調(diào)，屋蓋各自以不同的形式震動(dòng)。

⑶當(dāng)隔震支座側(cè)剛較小時(shí)，屋架對(duì)柱頂?shù)募s束作用降低，懸臂柱的鞭稍效應(yīng)增強(qiáng)。容易出現(xiàn)相鄰柱子之間的擺動(dòng)方向和頻率不一致，特別是分縫部位兩側(cè)的柱子。

單根懸臂柱的柱頂剪力最大值、所有懸臂柱的柱頂剪力之和的最大值及水平向減震系數(shù)如表7所示。

表7 懸臂柱剪力最大值Tab.7 Maximum Shear Force（k N）

懸臂柱柱頂剪力對(duì)比結(jié)果如圖7所示，由圖7可知：①隔震結(jié)構(gòu)比非隔震結(jié)構(gòu)的柱頂剪力明顯減少，剪力只有鉸接時(shí)的30%左右；②隨著隔震支座剛度增大，隔震層傳遞的剪力逐漸增大，隔震支座變形逐漸減小，而隔震位置的柱頂位移出現(xiàn)先逐漸減少然后逐漸增大，存在一定的最優(yōu)段（側(cè)剛3000系列）。在最優(yōu)段附近，改變隔震支座的剛度對(duì)隔震效果影響不明顯。

圖7 順軌向地震作用邊柱柱頂剪力分布Fig.7 Shear Force Distribution of Side Column Top

4 罕遇地震的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

罕遇地震的時(shí)程計(jì)算基于線性直接積分法，未考慮幾何非線性（P-δ效應(yīng)）和材料非線性（塑性鉸）。柱頂設(shè)置的隔震支座各個(gè)位置都統(tǒng)一型號(hào)，剛度和阻尼系數(shù)根據(jù)表1選取。懸臂柱位移角結(jié)果如表8所示。

表8 高架層懸臂柱位移角對(duì)比Tab.8 Displacement Angles Comparison of Elevated Floors

由表8可知，大震下懸臂柱的位移角仍能滿足文獻(xiàn)［2］小于1/100的要求。而柱頂與網(wǎng)架鉸接時(shí)只有1/59，可見高位隔震［10-12］效果明顯。

隔震支座上下側(cè)的相對(duì)變形量如圖8所示。大震下的支座位移較大，需采取可靠措施防止大震時(shí)支座滑落。要注意到分縫處兩側(cè)的屋架變形不協(xié)調(diào)，且大震時(shí)隔震支座變形較大，兩側(cè)屋架容易發(fā)生碰撞。

圖8 地震作用邊柱隔震支座變形分布Fig.8 Deformation Distribution of Side-column Isolation Support under Earthquake Action

5 結(jié)論

⑴在柱頂與網(wǎng)架間設(shè)置隔震支座后，懸臂柱在地震力作用下的位移角有顯著改善，小震時(shí)的位移角能小于1/550，大震時(shí)小于1/100，滿足文獻(xiàn)［2］要求。

⑵隔震結(jié)構(gòu)比非隔震結(jié)構(gòu)的柱頂剪力明顯減少，水平減震系數(shù)約30%。

⑶天然橡膠隔震支座耗能能力低下，單獨(dú)采用天然橡膠隔震支座作為隔震層的隔震結(jié)構(gòu)，地震時(shí)不能有效地吸收地震能量，此外隔震支座將產(chǎn)生過大的剪切變形而產(chǎn)生破壞。經(jīng)本工程驗(yàn)算，在隔震支座配合設(shè)置粘滯阻尼器，能有效減少地震力。但若阻尼器的阻尼比取得過大，則起不到耗能作用，且地震力作用局部會(huì)增大。

⑷該火車站站房結(jié)構(gòu)層數(shù)不高，但由于建筑功能需要不能在有效位置添加剪力墻和斜撐，因此下部結(jié)構(gòu)較柔。而對(duì)于高位隔震結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)底部的嵌固和下部結(jié)構(gòu)剛度，都能顯著增強(qiáng)隔震效果，減少懸臂柱的鞭稍效應(yīng)。可采用地下層的梁加短撐，樓梯、地下室擋土墻參與抗震等方法。