地铁车辆段结构水平隔振与三维隔振系统的比较性能评估

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Comparative performance assessment of horizontal and three-dimensional isolation systems for metro depot structures

　　

# 摘要

传统隔震装置通常仅在水平方向有效，这使得竖向或三维（3D）隔震成为一大难题。本研究提出了一种新型三维隔震器，通过运动解耦设计将传统水平隔震橡胶支座与竖向碟形弹簧子系统相结合。在碟形弹簧组件中增设聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，以降低微振动下的动力刚度。研究者建立了一个非线性粘滑模型来描述其恢复力和滞回特性，并通过循环竖向加载和压剪试验进行了验证。此外，对一座位于地铁站上盖的住宅建筑进行了数值模拟，比较了三种结构构型：固接基础、水平隔震和三维隔震。结果表明，三维隔震模型在减小水平剪力方面与传统水平隔震系统相当。尽管竖向柔性会因非破坏性的刚体转动而增加结构的总倾斜，但有害的层间位移与传统水平隔震系统完全相当，总位移也有效控制在设计限值以内。更重要的是，三维隔震模型在最大考虑地震（MCE）作用下显著降低了竖向地震加速度，并将地铁诱发的竖向Z振动水平降低了1.6 dB至6.0 dB，成功满足了人体舒适度标准。

# 引言

隔震技术通过在基础处引入柔性隔震装置来减缓水平地震力，从而延长结构自振周期，避免与地震激励的主要频率发生共振。然而，传统隔震装置通常仅在水平方向有效。由于这些隔震装置的竖向刚度必须足够大以满足上部结构的重力荷载要求，因此竖向的周期延长受阻。因此，开发并实施有效的竖向或三维（3D）隔震系统仍然是一个重大挑战[1]。

在过去十年中，三维隔震技术的研究引起了越来越多的关注。大多数三维隔震器采用运动解耦策略，利用独立的水平隔震和竖向隔震系统，并配合限位装置将各自的运动解耦[2, 3, 4]。尽管物理构造相似，这些隔震器的主要设计目标可能大相径庭。有些是专门为在水平和竖向两个方向上减缓地震激励而开发的，而另一些则是专为轨道上方建筑设计的，用于隔离水平地震力和竖向列车振动。

早期研究将钢螺旋弹簧作为竖向隔震单元进行了研究，可提供低至3.5 Hz的隔震频率[5, 6]。由于这些弹簧本质上缺乏足够的能量耗散，通常需要附加粘滞阻尼器以减轻严重的地震诱发摇摆行为。在此基础上，Lee等[7]提出了一种三维隔震支座，将竖向螺旋弹簧与粘滞阻尼器串联连接，并与水平摩擦摆支座（FPB）相连接。通过振动台试验验证了该三维隔震系统应用于电气设备中的可行性。类似地，Zhuang等[8]研究了类似的三维隔震装置，用于减缓单层球面网壳结构的地震响应。值得注意的是，Arup公司在美国加利福尼亚州的洛马琳达医院成功实施了这类三维隔震系统，旨在有效减轻强近断层地震的威胁，特别是其竖向脉冲效应[9]。此外，基于螺旋弹簧的三维隔震器已广泛应用于轨道上方建筑（如交通枢纽和音乐厅），以提供水平地震力和竖向振动的双重防护[10]。

实现竖向或三维隔震的另一种方法是采用厚层橡胶支座（TRB），其橡胶层比传统隔震橡胶支座更厚，以降低竖向刚度。这类支座最初用于核电站的三维抗震保护[11]，以及用于隔离并联变压器的水平地震力和竖向机械振动[12]。近年来，TRB的应用已扩展到轨道上方建筑[13, 14, 15]。然而，由于竖向刚度的降低可能导致在拉力或偏心荷载下的稳定性问题，其在工程实践中的应用仍然有限[16, 17]。由于TRB的重力承载能力高于螺旋弹簧，因此可以减小柱尺寸并降低建造成本。尽管有此优势，TRB提供的竖向柔性仍然有限；其竖向隔震频率通常为8至12 Hz，远高于钢螺旋弹簧。Cao等[18]提出了一种新型三维隔震器，将厚层橡胶支座与水平摩擦摆支座（FPB）相结合。虽然组件试验、数值模拟和现场振动试验已验证了其在减缓列车诱发竖向振动方面的有效性[19]，但随后的振动台试验揭示了隔震器摇摆行为导致地震响应放大的问题[20]。

另一种有效的方法是将碟形弹簧作为竖向隔震单元，与水平隔震支座相结合以实现三维隔震效果。通过采用碟形弹簧组件，组合三维隔震器可以提供与传统隔震橡胶支座相当的（甚至超过TRB的）重力承载能力。这类组合隔震器已被证明可有效为核设施提供三维隔震[21, 22]。然而，由于碟形弹簧组件内部摩擦显著，其在微振动下的竖向动力刚度明显偏高，因此其抗列车振动隔离性能受到削弱。为解决这一问题，Chen等[23]提出了一种新型碟形弹簧组件，采用聚四氟乙烯（PTFE）薄膜来降低微振动下的动力刚度。通过试验验证了其有效性，并建立了非线性粘滑模型来模拟该新型碟形弹簧组件的滞回特性。

尽管已提出并研究了各种三维隔震器，但其在地震和振动荷载下的详细动力响应很少被讨论。Zhou等[24]研究了三维隔震建筑在地震和列车作用下的动力响应，并通过现场振动试验进一步验证了其竖向振动隔离性能。K?l??等[25]对液体储罐的二维和三维隔震技术进行了对比研究。Eltahawy等[26]利用简化块体模型研究了三维隔震结构的最优动力参数，得出结论：摇摆响应导致层间位移比的增加。他们建议竖向隔震周期不应超过1.5秒，否则水平隔震系统必须足够柔性，或需要附加阻尼。

本研究介绍了一种基于碟形弹簧组件的新型三维隔震器。建立了隔震器的力学模型并进行实验验证，随后在OpenSees中开发并实现了解析模型。选择一座位于地铁站上盖的实际住宅框架建筑作为案例研究。利用用户自定义数值单元，对三种结构构型——固接基础模型、水平隔震模型和三维隔震模型——的地震响应和列车诱发振动进行了全面的数值模拟比较。详细评估了设防地震（DBE）和最大考虑地震（MCE）作用下的地震响应，特别关注了三维隔震结构的摇摆行为。此外，分析了1/3倍频程振动水平和Z振动水平，以评估该系统减缓竖向高频微振动的有效性。本研究的主要学术贡献在于对一座实际的基于碟形弹簧的三维隔震建筑在地震激励和列车诱发振动作用下的综合性能评估，从而为未来轨道上方建筑的开发提供了有益的分析和设计建议。

# 构造设计

三维隔震器的设计理念如图1所示。如图1(a)所示，三维隔震器上部由LRB或LNR组成，用于隔离水平地震作用；底部为竖向隔震系统，旨在隔离竖向地震和微环境振动。竖向隔震系统采用新型碟形弹簧组件来提供重力承载能力和竖向柔性。水平-竖向运动解耦设计……

# 三维隔震器试件

上一节介绍的竖向隔震系统已制造完成。对于碟形弹簧组件，选用B系列碟形弹簧，尺寸参数列于表1。B型碟形弹簧的力学性能如下：h/t ≈ 0.75，D/t ≈ 28，E = 206,000 MPa，ν = 0.3。共使用四组碟形弹簧组件，每组由三个弹簧并联和三组串联组成。这种碟形弹簧组合可承受的垂直荷载与……相当

# 建筑信息和建模技术

为进行比较数值研究，选择了一座位于地铁站上盖的真实建筑。该大型站台上盖已在中国四川省成都市建成并投入运营，作为地铁列车的停放和维护设施。在现有站台上建议采用钢筋混凝土（RC）框架结构体系的住宅建筑。这些住宅上部结构的标准层高为3.0米，平面……

# 设防地震水平下的地震响应

为评估本研究的隔震性能，定义剪力比（Rv）和位移比（Rd）如下：

$$R_v = \frac{V_{iso}}{V_{fix}}$$

$$R_d = \frac{d_{iso}}{d_{fix}}$$

其中 $V_{iso}$、$d_{iso}$ 分别为隔震模型的最大层剪力与层间位移；$V_{fix}$、$d_{fix}$ 分别为固接基础模型的最大剪力与层间位移。

固接基础模型、水平隔震模型和三维隔震模型在DBE下的最大层力结果比较见图12。本文报告的结果对应于……

# 结论

本研究提出了一种创新的三维隔震系统，将传统水平隔震橡胶支座与竖向碟形弹簧隔震子系统相结合。引入了解耦机制，以确保水平和竖向隔震系统独立工作。建立了一个非线性粘滑解析模型并通过实验验证，以表征竖向隔震系统的滞回特性。此外，进行了全面的数值模拟……

# CRediT作者贡献声明

- **Bin Wang**：撰写初稿、方法论、调查研究
- **Wanxing Li**：形式分析、数据整理
- **Peng Chen**：撰写审阅与编辑、验证、资源提供、项目管理
- **Yunyang Deng**：数据整理
- **Kaiqiang Ma**：形式分析、数据整理
- **Dingsong Zhou**：数据整理

# 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究工作的竞争财务利益或个人关系。

# 致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52678416）和四川科技计划（项目编号：2026NSFSC0303）提供的资金支持。本研究表达的结果和观点仅代表作者本人，不代表资助方的观点。

Bin Wang | Wanxing Li | Peng Chen | Yunyang Deng | Kaiqiang Ma | Dingsong Zhou
四川大学土木工程学院，中国成都