王杰輝，俞 涵，2，匡仁錚，胡小兵

（1.寧波市房屋建筑設計研究院有限公司，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

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

已建地鐵上蓋平臺共兩層，地鐵上蓋平臺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，按抗震設防烈度6度0.05 g設計，考慮后續(xù)在其上部建造幼兒園，已預留相應荷載。地鐵上蓋平臺于2010年設計完成，2014年建成并投入使用。

2 設計難點

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

2）軌道交通1號線已經(jīng)運營，地鐵上蓋平臺1層為地鐵檢修用房［2］，平時不能中斷運營，因此無法對其進行加固改造，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柱網(wǎng)對齊，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、柱均按設防烈度6度設計（未按轉(zhuǎn)換梁、柱設計）并已建成，無法滿足現(xiàn)行抗震設防烈度的要求，加固工程量大。

4）因地鐵上蓋平臺柱截面尺寸偏小，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)合本項目設計難點，驗證結(jié)構(gòu)的抗震性能，取以下3個模型方案進行抗震性能分析和評估，對比各結(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個結(jié)構(gòu)模型方案介紹

應用YJK及Midas Gen有限元軟件將上述3個結(jié)構(gòu)方案模型準確建立。YJK軟件建模便捷，且方便與Midas Gen軟件的模型互導。Midas Gen軟件能考慮邊界和材料的雙非線性，同時可以相對準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，并通過動力時程分析模擬結(jié)構(gòu)的抗震性能。本次分析采用1組人工地震動和2組天然地震動進行設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

地鐵上蓋平臺結(jié)構(gòu)在6度和7度設防烈度多遇、設防、罕遇地震作用下的位移角對比，見圖1。虛線表示6度設防，實線表示7度設防，從左至右依次為多遇、設防、罕遇地震作用下的位移角折線。

圖1 位移角對比一

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)整體處于屈服后強化階段，尚未達到極限承載力狀態(tài)，滿足大震不倒的設防目標。

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)整體處于屈服后強化階段，尚未達到極限承載力狀態(tài)，滿足大震不倒的設防目標。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)整體基本達到極限承載力狀態(tài)，勉強可以滿足大震不倒的設防目標。

4.1.2 結(jié)構(gòu)塑性鉸開展情況

地鐵上蓋平臺結(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)幾個處于Level5狀態(tài)，出現(xiàn)破壞的塑性鉸。整個結(jié)構(gòu)的承載力接近達到承載力極限值，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的開裂情況，但整個結(jié)構(gòu)處于大震不倒狀態(tài)。

4.1.3 小結(jié)

抗震設防烈度由6度（0.05 g）調(diào)整為7度（0.10 g），地鐵上蓋平臺的抗震承載力勉強能滿足現(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度設防烈度多遇、設防、罕遇地震作用下的位移角對比見圖3。虛線表示6度設防，實線表示7度設防，從左至右依次為多遇、設防、罕遇地震作用下的位移角折線。

圖3 位移角對比二

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防目標。

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，無法滿足結(jié)構(gòu)大震不倒的性能目標。

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，整個結(jié)構(gòu)處于剛進入屈服狀態(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)。整個結(jié)構(gòu)的承載力接近達到承載力極限值，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的開裂情況，但整個結(jié)構(gòu)處于大震不倒狀態(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，達到極限承載力狀態(tài)。

4.2.3 小結(jié)

抗震設防烈度由6度（0.05g）調(diào)整為7度（0.10g），地鐵上蓋平臺的底層位移角較僅兩層地鐵上蓋平臺在大震作用工況下X、Y方向各增大30%和50%，采用傳統(tǒng)抗震設計的原幼兒園結(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 減隔震設計思路

以減隔震裝備作為項目重要的耗能部件，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階段：第一階段，當?shù)卣鹱饔幂^小時鉛芯不會發(fā)生屈服，整個結(jié)構(gòu)變形幅度相對較小，結(jié)構(gòu)的耗能以黏滯阻尼器為主；第二階段，當?shù)卣鹱饔迷龃?，鉛芯逐步屈服，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，整個續(xù)建幼兒園結(jié)構(gòu)以一個調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的作用消耗地震能量，保護地鐵上蓋平臺結(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)減隔震前后周期對比見表4。

表4 結(jié)構(gòu)減隔震前后周期對比

續(xù)建幼兒園結(jié)構(gòu)采用減隔震技術較傳統(tǒng)抗震設計的結(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。

4.3.4 附加阻尼比

根據(jù)《建筑消能減震技術規(guī)程（JGJ 297—2013）》［5］分析計算，結(jié)構(gòu)在各條波不同大小地震作用下所計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度設防烈度設防、罕遇地震作用下的位移角對比，見圖8。虛線表示6度設防，實線表示7度設防，從左至右依次為設防、罕遇地震作用下的位移角折線。

圖8 浙一余杭院區(qū)門診大廳外部實景（圖片來源：章魚攝影工作室）

圖8 位移角對比三

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。兩個方向結(jié)構(gòu)層間位移角均遠小于規(guī)范要求的1／50，從結(jié)構(gòu)的變形量上看遠小于倒塌狀態(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。兩個方向結(jié)構(gòu)層間位移角均遠小于規(guī)范要求的1／50，從結(jié)構(gòu)的變形量上看遠小于倒塌狀態(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。兩個方向結(jié)構(gòu)層間位移角均遠小于規(guī)范要求的1／50，從結(jié)構(gòu)的變形量上看遠小于倒塌狀態(tài)，有較高安全余量。

4.3.6 樓層剪力

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

表5 結(jié)構(gòu)減隔震前后樓層剪力對比 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，整個結(jié)構(gòu)的性能處于剛進入屈服狀態(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)幾個處于Level5狀態(tài)，進入承載力下降階段。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，鉛芯進入屈服階段，隔震層剛度進一步減小，對續(xù)建幼兒園結(jié)構(gòu)的隔震效果更加明顯。

5 結(jié) 語

應用YJK及Midas Gen有限元軟件對地鐵上蓋平臺續(xù)建幼兒園項目的3個結(jié)構(gòu)方案模型進行對比，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)合本項目的設計難點，得到以下結(jié)論：

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

2）采用傳統(tǒng)抗震技術在地鐵上蓋平臺續(xù)建幼兒園，雖地鐵上蓋平臺設計時已考慮后續(xù)在其上部建造幼兒園，并預留相應荷載，但因地區(qū)抗震設防烈度的提高，小震作用下地鐵上蓋平臺原設計指標遠遠無法滿足新規(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，軌道交通1號線無法中斷運行，地鐵上蓋平臺1層檢修用房無法進行加固改造，因此采用傳統(tǒng)抗震設計無法實現(xiàn)在其上部續(xù)建幼兒園。

3）采用減隔震技術可以增加整體結(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，原設計指標可以滿足新規(guī)范要求，無需采取加固措施。整體結(jié)構(gòu)的大震性能指標較采用傳統(tǒng)抗震技術續(xù)建結(jié)構(gòu)有明顯的提升，滿足大震下的性能指標要求，并具有較大安全余量。整個續(xù)建幼兒園結(jié)構(gòu)以一個調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的作用消耗地震能量，保護地鐵上蓋平臺結(jié)構(gòu)，解決了1層檢修站無法加固的難題。

本文對地鐵車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的設計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)建設計提供一些參考。