地鐵車輛段上蓋建筑采用厚板轉換結構設計探討

章鋼雷,吳映棟,姚開明,郭俊鋒

(浙江綠城建筑設計有限公司,浙江 杭州 310007)

1 工程概況

隨著城市軌道交通的建設發展,地鐵與上蓋物業聯合開發的新模式越來越廣泛地應用于城市建設當中[1]。本工程位于杭州市余杭區良渚街道,9.5 m標高以下為地鐵車輛段運用庫,9.5 m標高至15.0 m標高為住宅停車庫,15 m標高以上為11層住宅,總高度49.6 m。因住宅平面與運用庫平面上下柱網不一致,且呈45°斜交,導致在15 m標高需設置結構轉換層,以實現豎向荷載的有效傳遞,結構豎向關系見圖1。

圖1 結構豎向關系示意圖

2 結構體系

本工程抗震設防烈度6度,設計基本地震加速度峰值為0.05 g,建筑場地類別為Ⅲ類場地,設計地震分組為第一組,多遇地震時特征周期0.45 s,抗震設防類別9.5 m標高以上為標準設防,9.5 m標高以下為重點設防。采用的結構體系如下：轉換層以上為混凝土框架結構,柱截面典型尺寸500 mm×500 mm,樓蓋采用現澆混凝土板,轉換層以下為混凝土框架結構,其中1層柱截面典型尺寸為1 500 mm×1 500 mm,2層柱截面典型尺寸為1 200 mm×1 200 mm。轉換層的結構布置見圖2,針對上下柱網呈45° 斜交的情況,無法采用規則的梁式轉換,而采用厚板轉換,板厚800 mm,柱跨范圍內拉結1 100 mm×1 300 mm次梁,形成梁和厚板組合轉換結構,轉換主梁和轉換柱采用型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱,轉換層混凝土強度等級采用C35。

圖2 轉換層結構平面布置圖

該結構體系存在扭轉不規則、剛度突變、構件間斷三項不規則,需采取針對性的加強措施,并應進行抗震設計的超限專項論證[2]。其中厚板轉換層的分析是本工程的研究重點,以下對結構在小震下的整體指標以及轉換梁、轉換柱和厚板在大震下的損傷分析結果進行論述,以考察本工程采用厚板轉換結構的可行性。

3 結構整體分析結果

采用盈建科公司的YJK1.9.0.0對結構進行多遇地震下的彈性分析可以得到層間位移角、樓層位移比、側向剛度比、受剪承載力之比、轉換層上下剪切剛度比及厚板應力水平等指標,具體如下。

3.1 樓層位移計算結果

圖3 層間位移角曲線 圖4 樓層位移比曲線

圖3和圖4分別給出了結構在X、Y向地震作用下的層間位移角分布曲線和樓層位移比曲線。從圖中可知,在水平地震作用下,層間位移角滿足規范[3]限值1/550,各樓層位移比均小于規范[4]限值1.40。

3.2 側向剛度計算結果

表1給出了YJK軟件計算所得到的樓層側向剛度比值,用來判斷是否存在軟弱層。剛度比采用文獻[4]中公式3.5.2-1進行計算,從表1中的數值可見,轉換層(2層)上下最小側向剛度比達到9.4,1層和2層因層高變化較大,側向剛度比為0.87,因此軟弱層出現在1層而非轉換層(2層),設計時對1層考慮地震剪力放大系數1.25。

表1 樓層側向剛度之比

3.3 樓層受剪承載力計算結果

表2列出了YJK軟件提供的樓層承載力計算結果,受剪承載力之比均大于0.8,滿足規范要求[3],不存在受剪薄弱層。

3.4 轉換層上下剪切剛度比計算結果

表3為轉換層上、下結構的側向剛度(等效剪切剛度)及比值。由表3可知,轉換層與轉換層上層的等效剪切剛度比均大于0.5,滿足文獻[4]附錄E中關于轉換層上、下結構剛度規定的要求。

表2 樓層受剪承載力之比

表3 轉換層上下剪切剛度之比

3.5 轉換厚板最大組合應力分析

在多遇地震組合工況下,圖5～7分別給出了最大組合下轉換厚板的最大正應力圖和最大剪應力圖,由圖中可知,板頂最大壓應力為4.2 MPa,小于混凝土抗壓強度設計值16.7 MPa,處于彈性階段；板底最大拉應力達到10.9 MPa,僅出現于板上柱應力集中部位,大部分樓板拉應力均在7 MPa以內,通過加強配筋可以實現彈性設計,此時局部最大配筋率為0.4%；最大剪應力為1.8 MPa,小于混凝土抗剪強度設計值2.36 MPa。

圖5 最大組合板頂最大正應力分布(N/mm2)

圖6 最大組合板底最大正應力分布(N/mm2)

圖7 最大組合板中最大剪應力分布(N/mm2)

3.6 轉換厚板沖切驗算

以住宅首層截面為500 mm×500 mm的框架柱為例,讀取其最大柱底力設計值為3 500 kN,驗算轉換厚板的沖切承載力,根據《混凝土結構設計規范(GB 50010—2010)》第6.5.1條,求得800 mm厚樓板沖切承載力設計值為4 000 kN>3 500 kN,因此轉換厚板沖切承載力滿足要求。

根據以上分析結果可知,結構層間位移角、位移比均符合規范要求,整體剛度較好；轉換層上下剪切剛度比滿足規范要求；1層地鐵運用庫層因層高較高形成薄弱層,設計時須將該層的地震作用放大1.25倍；轉換厚板通過0.4%的配筋率可以實現小震下的彈性設計；轉換厚板的沖切承載力滿足規范要求。

4 轉換構件大震下的損傷分析

采用PKPM-SAUSAGE(V3.1版)進行大震下彈塑性時程分析,考察轉換構件(轉換梁、轉換柱、轉換厚板)的損傷情況和性能水準,選取滿足文獻[1]要求的兩條天然波TH073TG055 (SSG)、TH042TG055 (SSG)和一條人工波RH3TG055(SSG),分別進行兩個方向的分析對比,以下按最不利工況TH042TG055 (SSG)在X主方向地震波作用下的結果為例,論述構件損傷情況。

4.1 轉換柱、轉換梁性能水準

圖8、圖9給出了典型轉換柱、轉換梁的性能水準圖。從圖中可知,轉換梁以輕微損傷為主,小部分達到輕度損傷,轉換柱基本為輕度損壞。

圖8 典型轉換柱性能水準

圖9 典型轉換梁性能水準

4.2 樓板性能水準與應力分析

結構在大震下需按文獻[2]的要求保證樓板的整體性,避免樓板在大震下的受剪破壞。圖10、圖11給出了樓板損傷及剪應力圖。根據損傷及剪應力情況分析可知：1)大震下絕大部分樓板剪應力均在3.0 MPa以內,小于混凝土抗剪強度標準值3.2 MPa,可以滿足大震下樓板受剪不屈服；2)轉換厚板無損壞,非轉換區樓板在框架柱周邊局部發生輕度損壞,因此轉換厚板強度較好。從性能水準角度,轉換梁、轉換柱可以實現不超過輕度損壞,轉換厚板無損壞,可以實現C級性能目標的水平。

圖10 轉換層樓板大震作用下性能水平

圖11 轉換層樓板大震作用下剪應力分布

5 結 語

綜上所述,本工程轉換層以上為住宅,轉換層以下為住宅停車庫和地鐵運用庫,轉換層上下柱網呈45°度斜交,對此采用了厚板轉換結構,柱跨增設次梁減小板跨,通過本文分析初步得到下列結論：

1)結構的層間位移角、位移比均符合規范要求,整體剛度較好；

2)轉換層上下剪切剛度比滿足規范要求；

3)1層地鐵運用庫層因層高較高形成薄弱層,設計時需將該層的地震作用放大1.25倍；

4)轉換厚板通過0.4%的配筋率可以實現小震下的彈性設計,轉換厚板的沖切承載力滿足規范的要求；

5)大震動力彈塑性分析下,轉換梁和轉換柱不超過輕度損壞,厚板無損壞,可以實現C級性能目標的水平。

本文通過YJK在小震下的整體分析和SAUSAGE在大震下的損傷分析,論述了該地鐵上蓋工程采用厚板轉換結構形式的可行性,可以為后續的施工圖設計和類似工程的結構設計提供參考。