CN108301523A - 一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构及其设计方法，该振震一体化控制结构包括建筑地基、建筑物基础、建筑物基础与建筑地基之间的隔振层，隔振层包括钢质弹簧减振器和粘滞阻尼器，钢质弹簧减振器设置在建筑物主体结构柱下方对应的位置，粘滞阻尼器连接在建筑物基础与建筑物周围的建筑地基之间。在此结构基础上,还建立了一套完整可行的定量分析一体化的设计方法，该结构和设计方法可同时满足地铁振动控制运行和抗震设防需求，且更换和维修方便。

Description

一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构及设计方法
技术领域
本发明涉及一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构及设计方法，属于工程减振隔震技术领域。
背景技术
目前，很多建筑物仅做了抗震设计，没有隔振设计，或使用减振垫或橡胶减振器隔振，但地铁上盖、毗邻、穿建等工程中，地铁运行对建筑物会造成不利影响，需要对地铁上盖建筑物进行隔振，一般需设置隔振层，而且多采用橡胶减振器减振，但是针对建筑物有空间等方面的限制而无法设置隔振层时，目前还没有一套统一的标准和设计流程，多为依靠经验来设计隔振方案，或直接套用相似已建工程的方案。传统设计方法具有以下不足：
(1)对橡胶减振器的误区。橡胶减振器广泛应用于建筑工程中，对于建筑物的隔振来说，其往往并不是最佳的选择，比如在对地铁上盖建筑物进行隔振时，地铁的卓越频段为3～20Hz，橡胶隔振器固有频率一般大于等于12Hz，钢质弹簧减振器固有频率一般可达到3～5Hz甚至更低，显然用钢质弹簧减振器的减振效果更好。
(2)无统一设计标准，多为经验工程。对于地铁上盖建筑物的隔振设计，目前缺少一套完整、可行的定量分析一体化控制技术，仅靠以往经验来设计隔振方案，缺少针对性和科学合理性，因此设计的方案很可能达不到预期的隔振效果，影响建筑物的正常使用，甚至带来安全隐患，并给后期的设备维护带来一系列问题，个别的还需要返工或重新设计，造成很多不必要的花销。
发明内容
为解决地铁上盖、毗邻、穿建等工程中，地铁运行对建筑物造成的不利影响，本发明提出了一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构及其减振和抗震设计方法，其在建筑物基础下方设置隔振层，将建筑结构含基础整体托起，并于周边设置隔振缝，该结构和技术可以在不改变建筑物上部结构设计参数的情况下，同时满足建筑振动控制要求以及罕遇地震下的抗震设防，以保证建筑物的正常使用和地震作用下人员的安全。
为了实现本发明，其采用了如下技术方案：
一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构，其特征在于，该一体化控制结构包括建筑地基、建筑物基础、建筑物基础与建筑地基之间的隔振层，所述隔振层包括钢质弹簧减振器和粘滞阻尼器，所述钢质弹簧减振器设置在建筑物主体结构柱下方对应的位置，所述粘滞阻尼器连接在建筑物基础与建筑物周围的建筑地基之间。
进一步地，在建筑物地下部分的建筑物外墙侧面设置隔振缝，在隔振缝内填塞聚苯类材料，增强阻尼特性，起到侧向耗能减振作用。
进一步地，所述钢质弹簧减振器为多个，所述粘滞阻尼器为多个。
上述一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构的减振和抗震设计方法，其特征在于：步骤如下：
(1)将建筑物和隔振层作为整体结构建模，计算整体结构各阶振型的基本频率和振型质量参与系数；
(2)对整体结构施加静力荷载，进行重力作用静力计算，计算各支点的支反力，依据支反力初选钢质弹簧减振器；
(3)进行初步隔振分析和设计，通过整体结构模态计算，反复比较调整竖向刚度，确保整体结构整体振型质量参与系数最大化，满足振动容许值和舒适度容许值；；
(4)进行罕遇地震验算，施加粘滞阻尼器，满足隔振层变形协调；
(5)对初步计算的钢质弹簧减振器和粘滞阻尼器分别进行定型分组刚度优化，二次振动控制验算和抗震设防验算，使得整体结构满足减振和抗震综合要求；
(6)进行整体结构的细化。
进一步地，所述步骤(1)的整体结构建模采用振动控制FE有限元建模。有限元建模为本领域技术人员所熟知，因此并不详述。
进一步地，所述步骤(2)的静力荷载为恒荷载和0.5活荷载之和，所述钢质弹簧减振器的初选包括减振器承载力和数量的选择，将各支点支反力除以竖向最大变形得到各支点竖向弹簧刚度，从而初步确定各支点钢质弹簧得数量，进而确定所需的减振器承载力和减振器数量。。
进一步地，所述步骤(3)，通过整体结构模态计算，反复比较调整竖向刚度，确保整体结构整体振型质量参与系数最大化，满足振动容许值和舒适度容许值。
进一步地，所述步骤(4)，通过地震反应谱分析，验算整体结构在罕遇地震作用下是否满足要求，如不满足要求，施加粘滞阻尼器，保证整体结构顶部最大变形值、层间位移角、钢质弹簧减振器侧向变形同时满足要求。
进一步地，所述步骤(5)，根据设计需要，结合钢质弹簧减振器的产品规格性能，对初步计算的钢质弹簧减振器和粘滞阻尼器分别进行分组分类优化，确定参数，进行二次振动控制验算和抗震设防验算。
进一步地，所述步骤(6)的整体结构的细化包括确定粘滞阻尼器的布置，所述粘滞阻尼器的布置原则是：分析整体结构侧向变形最大的弹簧支座，将粘滞阻尼器布置在结构侧向变形最大的弹簧支座处，将粘滞阻尼器沿建筑物周边进行横向和纵向的双向布置，提高整体结构在地震作用下的抗扭能力。
本发明的技术效果如下：
本发明采用打通建筑基础设置隔振层的方案，对建筑物进行整体隔振，筑物基础与建筑地基之间设置钢弹簧减振器与粘滞阻尼器，形成隔振层，还可在建筑物地下部分的建筑物外墙侧面设置隔振缝，填塞聚苯类材料，增强其阻尼特性，起到侧向耗能减振作用。综合考虑了振动作用和抗震设防要求，实现了地铁上盖建筑物振震一体化控制，并建立了一套完整可行的定量分析一体化控制技术，该结构和技术可同时满足地铁振动控制运行和抗震设防需求，且更换和维修方便，且简单直接，效果显著。
附图说明
图1本发明的振震一体化控制结构示意图；
图2本发明的振震一体化控制结构的减振和抗震设计方法流程图。
图中：1-建筑基础；2-钢质弹簧减振器；3-粘滞阻尼器；4-室外地面；5-建筑地基，6-建筑物主体结构柱。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构及设计方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。
包括建筑地基5、建筑物基础1、建筑物基础1与建筑地基5之间的隔振层，所述隔振层包括钢质弹簧减振器2和粘滞阻尼器3，所述钢质弹簧减振器设置在建筑物主体结构柱6下方对应的位置，所述粘滞阻尼器连接在建筑物基础与建筑物周围的建筑地基之间。
振震一体化控制结构的减振和抗震应符合相关要求，其设计方法的步骤如下，如图2所示：
(1)将建筑物和隔振层整体结构建模，采用振动控制FE建模，计算整体结构各阶振型的基本频率和振型质量参与系数；FE(有限元)建模为本领域中所熟知，在此并不详述；
(2)对整体结构施加静力荷载，进行重力作用静力计算，计算各支点的支反力，依据支反力初选钢质弹簧减振器；
静力荷载为恒荷载和0.5活荷载之和；钢质弹簧隔振器的初选包括减振器承载力和数量的选择；将支点支反力除以竖向最大变形得到各支点竖向弹簧刚度，从而初步确定各支点钢质弹簧的数量，进而确定所需的减振器承载力和减振器数量；
(3)进行初步隔振分析和设计，满足振动容许目标：
通过整体结构模态计算，反复比较调整竖向刚度，进行竖向刚度优化，直至整体结构满足整体模态，确保整体结构整体振型质量参与系数最大化(确保竖向模态整体结构模型质量参与系数大于50％)，以满足振动容许值和舒适度容许值；
(4)进行罕遇地震验算，施加减震粘滞阻尼器，满足隔振层变形协调：
通过地震反应谱分析，验算整体结构在罕遇地震作用下是否满足要求，如不满足要求，施加减震粘滞阻尼器，保证整体结构顶部最大变形值、层间位移角、钢质弹簧减振器侧向变形同时满足要求。
(5)对初步计算的钢质弹簧减振器和粘滞阻尼器分别进行定型分组刚度优化，二次振动控制验算和抗震设防验算，使得整体结构满足减振和抗震综合要求:
详细根据设计需要，结合钢质弹簧减振器的产品规格性能，对初步计算的减震粘滞阻尼器和钢质弹簧减振器分别进行分组分类优化，确定参数，进行二次振动控制验算和抗震设防验算；
(6)进行整体结构的细化：
确定减震粘滞阻尼器的布置，分析整体结构侧向变形最大的支座，将粘滞阻尼器布置在结构侧向变形最大的支座处，将粘滞阻尼器沿建筑物周边进行横向和纵向的双向布置，提高整体结构在地震作用下的抗扭能力。
上述方案通过设置地下室隔断层，可有效去除地铁振动的影响。轨道交通(卓越频段在5～20Hz)运行时产生的振动以及轮轨摩擦等形成的噪音污染使得地铁上盖建筑物无法使用；通过在建筑物整体基础下设置隔振层，采用钢质弹簧减振器(基频3～5Hz)可有效消除地铁振动的影响；通过在建筑物外墙侧面设置隔振缝，填塞聚苯类材料，增强其阻尼特性，起到侧向耗能减振作用，总体保障满足建筑物正常使用的需求。同时，满足抗震设防要求，可有保证建筑物使用安全，通过布置粘滞阻尼器耗散地震能量以减少结构受到的地震作用而产生较大变形，满足在罕遇地震下上部结构的层间位移角D<1/550的要求，保证建筑物的使用安全；而且可更换，便于维修，钢质弹簧减振器和粘滞阻尼器的安装与拆卸都极为方便，在必要时，只需使用千斤顶原位顶升上部结构后，进行钢质弹簧减振器维修或更换，整个维修置换过程极为简单，不会对建筑结构造成大的损伤。

Claims (10)

1.一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构，其特征在于，该一体化控制结构包括建筑地基、建筑物基础、建筑物基础与建筑地基之间的隔振层，所述隔振层包括钢质弹簧减振器和粘滞阻尼器，所述钢质弹簧减振器设置在建筑物主体结构柱下方对应的位置，所述粘滞阻尼器连接在建筑物基础与建筑物周围的建筑地基之间。
2.根据权利要求1所述的一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构，其特征在于：在建筑物地下部分的建筑物外墙侧面设置隔振缝，在隔振缝内填塞聚苯类材料，增强阻尼特性，起到侧向耗能减振作用。
3.根据权利要求1所述的一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构，其特征在于：所述钢质弹簧减振器为多个，所述粘滞阻尼器为多个。
4.权利要求1-3任一项所述的一种地铁上盖建筑物振震一体化控制结构的减振和抗震设计方法，其特征在于：步骤如下：
(1)将建筑物和隔振层作为整体结构建模，计算整体结构各阶振型的基本频率和振型质量参与系数；
(2)对整体结构施加静力荷载，进行重力作用静力计算，计算各支点的支反力，依据支反力初选钢质弹簧减振器；
(3)进行初步隔振分析和设计，通过整体结构模态计算，反复比较调整竖向刚度，确保整体结构整体振型质量参与系数最大化，满足振动容许值和舒适度容许值；
(4)进行罕遇地震验算，施加粘滞阻尼器，以满足隔振层变形协调；
(5)对初步设计的钢质弹簧减振器和粘滞阻尼器分别进行定型分组刚度优化，二次振动控制验算和抗震设防验算，使得整体结构满足减振和抗震综合要求；
(6)进行整体结构的细化。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)的整体结构建模采用振动控制FE有限元建模。
6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(2)的静力荷载为恒荷载和0.5活荷载之和，所述钢质弹簧减振器的初选包括减振器承载力和数量的选择，将各支点支反力除以竖向最大变形得到各支点竖向弹簧刚度，从而初步确定各支点钢质弹簧得数量，进而确定所需的减振器承载力和减振器数量。
7.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(3)，通过整体结构模态计算，反复比较调整竖向刚度，确保整体结构整体振型质量参与系数最大化，满足振动容许值和舒适度容许值。
8.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(4)，通过地震反应谱分析，验算整体结构在罕遇地震作用下是否满足要求，如不满足要求，施加粘滞阻尼器，保证整体结构顶部最大变形值、层间位移角、钢质弹簧减振器侧向变形同时满足要求。
9.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(5)，根据设计需要，结合钢质弹簧减振器的产品规格性能，对初步计算的钢质弹簧减振器和粘滞阻尼器分别进行分组分类优化，确定参数，进行二次振动控制验算和抗震设防验算。
10.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤(6)的整体结构的细化包括确定粘滞阻尼器的布置，所述粘滞阻尼器的布置原则是：分析整体结构侧向变形最大的弹簧支座，将粘滞阻尼器布置在结构侧向变形最大的弹簧支座处，将粘滞阻尼器沿建筑物周边进行横向和纵向的双向布置，提高整体结构在地震作用下的抗扭能力。
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