弹簧隔振技术是利用设立在建筑物基础上的弹簧承担建筑物的荷载及来自外部的振动,从而隔离地面振动对上部结构及设备、设施的影响,将振动的能量直接由基础的隔振支座和消能装置所吸收,达到使结构物上重要设备及仪表正常运行的目的^[1]。隔振弹簧的实际安装示意见图1。

　　 弹簧隔振技术用于振动控制已有数十年的历史,最初主要用于核能电厂及相关设施^[2]。随着城市轨道交通的迅猛发展,地铁建设规模不断扩大,距离建筑物越来越近,地铁运行所引起的长期和反复性振动可能造成装饰物开裂脱落、地基变形下沉等不安全因素,同时对歌剧院和音乐厅等对振动和噪声要求严格的建筑物造成较大影响^[3]。弹簧隔振技术因其振动反应的稳定性、隔振效果的显著性以及施工检修的便捷性而被广泛应用于这些建筑。已成功应用的有英国曼彻斯特音乐厅、英国伦敦IMAX电影院、法国蒙彼利埃Le Corum中心、德国易北音乐厅、中国香港葵青文化中心^[1]、上海交响乐团排演厅^[4]等。

　　 与橡胶支座不同,弹簧支座竖向刚度较小,可以有效减小地铁运行等对建筑物引起的竖向振动;然而其水平刚度较大,在水平地震作用下不能呈现有效的隔震效果。

　　 黏滞阻尼器(图2)是消能减震装置中的一类,其通过在工程设计中主动地引入黏滞类阻尼材料,耗散外部输入到结构中的能量,从而降低结构的振动响应^[5]。到目前为止,黏滞阻尼器技术已经在国内外重要工程中得到成功运用,例如北京饭店^[6]、上海世博会主题馆^[7]、日本名古屋丰田每日大厦以及美国旧金山181Fremont Street等。

　　 基于上述两种减振(震)装置的特点,提出一种带水平向黏滞阻尼器的弹簧支座隔振结构,将弹簧支座与黏滞阻尼器组合,弹簧支座主要用于隔离竖向振动能量,黏滞阻尼器主要用于耗散水平地震能量,从而既能满足竖向隔振需求又能在水平向达到减震效果。

　　 以上音歌剧院为工程背景,主要研究带水平向黏滞阻尼器的弹簧支座隔振结构的抗震性能。首先通过弹簧支座方案与无隔振方案的对比,探究弹簧支座隔振结构在竖向和水平向不同的隔振特点;然后提出隔振层采用“弹簧隔振支座+黏滞阻尼器”的组合隔振方案,并通过详细的方案对比证明组合隔振结构的优越性;最后对结构进行了罕遇地震下的抗震性能分析,进一步验证组合隔振结构良好的抗震性能。

　　 上音歌剧院项目坐落于上海音乐学院内,整体建筑包括一个约1 200座的歌剧院及其配套设施、4个排演教室、交流报告厅、地下车库及设备用房等,总建筑面积31 926m²,其中地上建筑面积14 989m²,地下建筑面积16 937m²。建筑地下3层,层高3.6～5.4m;地上3～5层,层高4.1～6.0m,建筑高度13.80～33.30m。建筑效果图如图3所示。

　　 本项目具有以下特点:1)紧邻淮海中路和汾阳路转角,上海市地铁1号线自东向西沿淮海中路从基地北侧穿过,地下室北侧外边缘至1号线隧道最近处仅为10m,地铁振动影响较大;2)歌剧院是声学要求很高的建筑,并且建设方的目标是将其打造为亚洲一流的歌剧院,对声学要求高。

　　 为此,结构设计采用整体弹簧隔振的方式将歌剧院与周边结构和地下室结构脱开,仅通过结构底部的隔振弹簧与地下室顶板(或底板)连接,降低结构竖向振动频率,尽可能减小地铁振动和道路环境振动对建筑使用功能的不利影响。出于这个目的,将上部结构划分为3个相对独立的结构单体,如图4所示。其中结构单体A为歌剧院主楼部分,采用整体弹簧隔振的钢筋混凝土框架-剪力墙结构,单体B和单体C为副楼部分,采用与地下室结构直接相连的普通钢筋混凝土框架结构。本文将围绕单体A的减隔振设计展开。

　　 根据建筑功能的布置和各部分楼面标高特点,将隔振层划分为三个标高区段,如图5和图6所示。其中主舞台(含台仓)和乐池隔振区位于地下3层(-13.30m标高,基础底板上,见图7),观众厅隔振区位于地下1层(-7.32m标高,见图8),侧台和后台隔振区位于首层(-2.25m标高,见图9)。

　　 为了满足结构在获得较优竖向隔振效果的同时控制结构整体竖向变形,选取隔振器竖向刚度时,采用如表1所示三种荷载工况所对应节点的支座反力,通过假定三种工况下隔振器压缩量反推各个工况下隔振器的竖向刚度,最终取三个工况刚度中偏大的数值,从而保证在重力荷载和水平荷载作用下,隔振层整体竖向变形较为均匀。

　　 通过调整内部弹簧的布置数量和高度改变弹簧支座的水平刚度,在竖向刚度一定的情况下,水平刚度越小,内部弹簧数量越多,弹簧高度越高,因此弹簧支座的尺寸越大,造价也越高。考虑到建筑功能对支座尺寸的限制以及造价的合理性,本项目中弹簧支座水平刚度取竖向刚度的80%。

　　 为研究弹簧支座隔振结构的隔振特点,采用SAP2000 V15软件对本项目隔振/震进行计算分析,其中梁、柱采用杆单元模拟;剪力墙采用壳单元模拟;弹簧支座采用Linear单元模拟,考虑X,Y向和竖向三个方向的刚度属性。

　　 为评价弹簧支座的竖向隔振效果,选择现场实际测量所得到的典型振动加速度时程曲线(图10)作为输入时程,对歌剧院观众厅内典型评价点分别比较隔振与未隔振两种不同状态下的响应,来对弹簧整体的隔振效果进行评价。

　　 以S0舞台&观众厅层为例,在输入典型振动加速度时程时,与未隔振结构相比,隔振结构加速度明显减小,评价点竖向加速度响应降低90%以上,竖向隔振效果明显,如图11所示。

　　 为研究弹簧支座隔振结构的水平隔震特点,将其与支座层铰接的无隔振方案进行对比。对结构水平向输入上海地区7组多遇地震时程波,各个方案的结构自振周期和7组时程波下的平均基底剪力对比结果见表2和表3,规范反应谱曲线和地震波平均反应谱曲线对比见图12。

　　 从表2,3和图12可以看出:1)本项目处于软土地区,场地特征周期较大(T_g=0.9s);而弹簧支座方案受弹簧水平刚度的限制,结构自振周期的增加幅度不大,虽然隔振后周期有所增加,但是基本周期还处于规范反应谱曲线平台段。2)地震波反应谱在场地特征周期附近波动较大,在本项目中,相较于隔振前结构,隔振后结构自振周期虽然有所增大,但地震波平均反应谱曲线上自振周期对应的地震影响系数反而相对较大(图12),导致地震作用有所增大。

　　 由以上分析可见,受水平刚度的限制,弹簧支座的水平隔震效果不佳,在场地特征周期较大的软土地区甚至反而会增大地震作用。

　　 为了在满足竖向隔振需求的同时有效减小水平地震作用,本文提出“弹簧隔振支座+黏滞阻尼器”的组合隔振方案。

　　 针对隔振层水平位移较大的特点,在隔振层部分支座处布置黏滞阻尼器,利用黏滞阻尼器的滞回耗能耗散地震能量,减小地震作用。黏滞阻尼器的布置位置主要考虑以下两个原则:1)为提高黏滞阻尼器的减震效率,黏滞阻尼器宜布置在水平变形较大的支座处;2)为提高结构在地震作用下的抗扭能力,黏滞阻尼器宜沿建筑周边双向布置。

　　 根据以上原则,将黏滞阻尼器布置于-2.25m标高隔震层左、右侧舞台处,布置位置见图13,其中X向和Y向各布置8个,黏滞阻尼器安装示意见图14,阻尼参数见表4。

　　 为研究组合隔振结构的抗震性能,将组合隔振方案与无隔振方案和仅设置弹簧支座的弹簧支座方案进行对比。

　　 对结构输入上海地区7组多遇地震时程波,对比不同方案的基底剪力,计算结果见表5。可以看到,弹簧支座方案受高阶振型自振周期增大的影响,基底剪力较无隔振方案增大;采用组合隔振方案后,由于黏滞阻尼器的减震作用,X向基底剪力减小为无隔振方案的93%,Y向基底剪力减小为无隔振方案的89%,组合隔振方案有效降低了地震作用。

　　 多遇地震下不同方案层间位移角对比见图15,最大层间位移角对比见表6。可以看出,弹簧支座方案由于地震作用增大,最大层间位移角最大;组合隔振方案减小了地震作用,层间变形较弹簧支座方案降低40%左右,达到与无隔振方案基本相同。组合隔振方案有利于控制结构变形。

　　 7组多遇地震时程波下不同方案楼层侧向变形平均值对比见图16,质点位移对比见表7。可以看出,弹簧支座方案楼层侧向变形最大,其X向顶点位移较无隔振方案增加89%,Y向顶点位移较无隔振方案增加88%。采用组合隔振方案后,顶点位移较弹簧支座方案降低约40%,与无隔振方案接近。

　　 7组多遇地震时程下不同方案的隔振弹簧最大水平位移对比见表8。从表中可以看出,与弹簧支座方案相比,组合隔振方案的最大水平位移降低近50%。图17为不同方案隔振弹簧水平位移时程曲线对比,从图中也可以明显看出,相较于弹簧支座方案,组合隔振方案可以有效减小弹簧水平位移。

　　 从以上对比可以看出,组合隔振结构在满足地铁振动隔振需要的同时,通过设置黏滞阻尼器有效减小了地震作用,使整体结构和隔振层处于更加良好的受力和变形状态。

　　 为进一步研究组合隔振结构的抗震性能,采用基于纤维模型的非线性计算分析软件PERFORM-3D对结构进行罕遇地震作用下的抗震性能分析,其中梁、柱、墙均采用纤维单元模拟,黏滞阻尼器采用基于Maxwell模型的Fluid Damper单元模拟,隔振弹簧采用Support Spring单元模拟。采用7组上海地区三向罕遇地震时程波对结构进行动力弹塑性分析。

　　 三向罕遇地震时程作用下各个隔振弹簧的最大竖向变形分布如图18所示。可以看到,所有隔振弹簧支座的最大竖向变形均小于变形限值35mm。选取竖向变形最大的弹簧支座进行全时程变形监测,其竖向变形时程曲线如图19所示。可以看到,隔振弹簧压缩变形最大值为31mm,弹簧不会被压坏;最小变形值不小于0,弹簧与上部结构不会出现脱开现象。

　　 表9为黏滞阻尼器在罕遇地震时程下提供的附加阻尼比以及阻尼器的最大阻尼力和最大位移值。可以看出,罕遇地震下结构附加阻尼比达到5%以上,黏滞阻尼器耗能效果显著,而黏滞阻尼器最大阻尼力和最大位移也较为合理,黏滞阻尼器可保持正常工作。黏滞阻尼器的滞回曲线见图20,可以看出,黏滞阻尼器滞回曲线饱满,发挥了良好的耗能特性。

　　 罕遇地震时程下弹簧支座方案和组合隔振方案结构各部分能量耗散情况对比如图21所示。可以看到,仅采用弹簧支座时,结构非线性耗能约占总耗能的30%;组合采用黏滞阻尼器后,由于阻尼器的耗能作用,结构非线性耗能降至总耗能的12%,结构非线性损伤大大减小,主体结构处于较优的性能状态。

　　 (1)弹簧支座隔振结构可满足地铁竖向隔振要求,但受弹簧水平刚度的限制,其水平减震效果不佳,在场地特征周期较大的软土地区甚至会增大地震作用。

　　 (2)提出一种带水平向黏滞阻尼器的弹簧支座隔振结构,在隔振层组合采用“弹簧隔振支座+黏滞阻尼器”,弹簧支座用于减小竖向振动,黏滞阻尼器用于减小水平地震作用,在满足地铁振动隔振需要的同时可有效减小地震作用。

　　 (3)以上音歌剧院为工程背景,论证了弹簧支座在竖向隔振上的有效性和水平隔震上的不足;通过在水平位移较大的隔振层布置水平向黏滞阻尼器,利用阻尼器的滞回耗能,有效减小地震作用,使整体结构和隔振层处于更加良好的受力和变形状态。

　　 (4)对组合隔振结构方案进行了罕遇地震下抗震性能分析,结果表明,隔振弹簧支座在罕遇地震作用下处于正常工作状态,不会出现压坏或脱开现象;黏滞阻尼器发挥了良好耗能作用,大大减小了罕遇地震下主体结构的非线性损伤。