地鐵車輛段上蓋開發超限高層結構設計研究

蔣立浩

摘 要：地鐵車輛段底層為地鐵停放空間，因工藝需求，底層為大跨結構，而上部開發為小開間剪力墻結構，結構存在轉換、剛度突變等問題。本文以廈門地鐵四號線后溪車輛段上蓋開發結構設計為例，闡述了上蓋開發結構設計的重難點，為后續類似項目提供一定的參考價值。

關鍵詞：地鐵上蓋開發;全框支剪力墻;轉換層

中圖分類號：TU973.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）14-0081-04

Design and Research of Over-limit High-Rise Structure for

Metro Depot Development

JIANG Lihao

（Xiamen Branch of Beijing Urban Construction Design and Development Group Co.， Ltd.，Xiamen Fujian 361000）

Abstract： The ground floor of the subway depot is the subway parking space， due to technological requirements， the ground floor is a large-span structure， and the upper part is developed as a small bay shear wall structure， the structure has problems such as conversion and sudden change in stiffness. This paper took the development structure design of the upper cover of the Houxi depot of the Xiamen Metro Line 4 as an example to explain the major and difficult points of the development structure design of the upper cover and provide a certain reference value for subsequent similar projects.

Keywords： development of subway upper cover;full-frame supported shear wall;transfer floor

車輛段及停車場作為車輛停放和檢修的基地，是城市軌道交通的重要組成部分[1]。車輛基地占地大，土地利用效率低。為了集約利用土地資源、涵養軌道交通客源、完善周邊配套設施、分擔軌道交通運營成本，越來越多的城市開展了車輛段物業開發建設。地鐵車輛基地工藝功能要求，底層為大空間框架結構，而上部開發結構為小開間剪力墻結構，這種剛度突變、底弱上剛的全框支剪力墻結構的設計成為項目的難點。本文以后溪車輛段上蓋開發為例，闡述該結構設計重難點，為后續類似項目提供一定的參考。

1 工程概況

后溪車輛段位于廈門市集美區軟件園三期地塊內，含運用庫、聯合檢修庫、物資總庫、運管中心等建筑單體，后溪車輛段整體開發效果如圖1所示。其中運用庫長為319 m，寬為183.5 m，上部設置10棟14層住宅，建筑高度為61.650 m，運用庫上蓋結構采用框架-剪力墻結構體系，運用庫及小汽車庫層采用框架結構，轉換層設置于上蓋小汽車庫層。運用庫中部設置一道抗震縫，分為兩個結構單元，如圖2所示。結構首層為運用庫層，考慮基礎埋深首層計算層高為11.200 m;運用庫層頂為小汽車庫層，考慮停車需求，汽車庫采用機械停車庫，汽車庫層層高為8.200 m。汽車庫層頂為結構轉換層，結構采用梁式轉換。運用庫樓層剖面圖如圖3所示，圖中數據單位為米（m）。

本工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度峰值為0.15 g，建筑場地類別Ⅱ類，設計地震分組為第三組，特征周期Tg=0.45 s。底層柱混凝土標號為C50，框支柱截面尺寸為2 000 mm×1 800 mm，內置箱型型鋼。普通框架柱采用鋼筋混凝土柱，截面尺寸為1 500 mm×1 500 mm。框支梁主要截面尺寸為800 mm×2 200 mm，內置工字型鋼。上部剪力墻厚從400 mm至200 mm由下至上漸變，首層蓋板板厚為250 mm，轉換層樓板厚為200 mm。轉換層梁板布置及上部剪力墻布置如圖4所示。

2 上蓋結構特點及超限對策

2.1 上蓋結構特點

為保證運用庫的完整性，運用庫范圍內宜少設縫，本工程運用庫中部設置一道抗震縫，劃分為166 m×185 m的超長混凝土結構。運用庫分塔上蓋設置5棟高層住宅，因此本工程為復雜多塔結構。

運用庫首層因工藝需求層高為9.5 m，基礎頂埋深為-1.7 m，結構計算層高達到11.2 m，二層層高為8.2 m，下部兩層剛度比較弱，為軟弱層。運用庫沿著軌道方向，需要通長的大開間，上部塔樓部分豎向構件無法落地，在二層頂以上的剪力墻進行全轉換，受剪承載力相對較小，為薄弱層。經SATWE計算，超限項目判定如表1所示。

因此，本工程存在扭轉不規則、剛度突變、尺寸突變、構件間斷、承載力突變、局部不規則等多項不規則性，屬于復雜超限高層建筑。

2.2 超限對策

本工程存在豎向構件不連續及轉換層等超限情況，將從結構體系、設計內力調整、增強重要構件的延性等方面進行針對性的加強及優化[2]。

針對結構扭轉位移比超限導致的平面不規則，設計從加強結構抗扭剛度、控制扭轉效應著手進行處理。針對豎向構件間斷導致的豎向不規則，蓋上蓋下一體化協同設計，優化層高設置，降低首層層高，適當增加二層層高，適當增加轉換層上一層（住宅首層）層高，使本工程側向剛度盡可能平穩過渡，減小剛度突變。加強對豎向轉換構件的構造處理，將轉換層以下框架的抗震等級提高一級，按一級設計。轉換構件考慮豎向地震作用。針對尺寸突變導致的豎向不規則，加強上部收進結構底層的側向剛度和承載力，控制其層間位移角，加強剪力墻結構住宅底部加強部位的抗震構造。

項目結構為特殊不規則結構，根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）[3]和《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）[4]的相關內容，采取抗震性能設計的方法，提出合理的抗震性能目標，明確上述設計措施的量化標準，最終驗證結構設計的可行性。本工程抗震性能設計目標如下。一是大平臺柱、框支柱：中震正截面、斜截面彈性;大震正截面不屈服、斜截面彈性。二是轉換梁：中震正截面、斜截面彈性;大震正截面不屈服、斜截面不屈服。三是大平臺梁：中震正截面不屈服、斜截面彈性。

3 結構抗震性能化設計

3.1 彈性時程分析

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）[4]4.3.4條規定，7～9度的復雜高層結構，應補充多遇地震作用下的彈性時程分析計算。彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得的底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算的80%;地震波的持續時間不宜小于建筑結構基本自振周期的5倍和15 s，地震波的時間間距可取0.01 s或0.02 s。

本工程采用5條天然波及2條人工波進行計算，通過彈性時程計算分析，7條地震波的平均地震效應下，結構樓層位移、層間位移角均滿足規范要求。對比CQC法計算結果，本工程多遇地震作用下，采用CQC法計算地震效應結果合理，可不再放大。

3.2 設防地震驗算

依據預設性能化設計目標，驗算設防地震下結構構件承載力。轉換梁、大平臺柱及框支柱滿足中震彈性要求，大平臺梁滿足斜截面彈性要求，結構構件的抗震驗算應符合下列關系：

[γGSGK+γESEK≤R/γRE] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[γGSGK]、[γESEK]分別為重力荷載、水平地震作用分項系數，按國家現行《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）有關規定取值;R為構件截面承載力設計值（采用材料強度設計值）;[γRE]為調整系數。

大平臺梁正截面不屈服，需要滿足以下要求：

[SGE+SEK≤Rk] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[SGE]為彈性計算重力荷載效應標準值;[SEK]為彈性反應譜中震作用效應標準值（取單向偶然偏心和雙向地震作用不利情況）;[Rk]為構件截面承載力標準值（采用材料強度標準值）。

3.3 罕遇地震驗算

本工程罕遇地震作用下，構件承載力需要滿足以下條件：框支柱、大平臺柱要求大震正截面承載力不屈服，斜截面彈性。轉換梁要求大震正截面承載力不屈服，斜截面承載力不屈服。

大震不屈服，結構構件的截面抗震驗算應符合下列關系：

[SGE+SEK≤Rk] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[SGE]為彈性計算重力荷載效應標準值;[SEK]為彈性反應譜大震作用效應標準值;[Rk]為構件截面承載力標準值（采用強度極限值）。

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）及《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》要求，本工程采用動力彈塑性分析并評價其抗震性能。依據規范要求，選取了三條地震波，各條波的有效持續時間均滿足規范要求，結構所在地區設防烈度為7度（0.15 g），按規范取定峰值加速度為310 cm/s2，采用雙向地震波輸入，主次方向系數為1∶0.85。

通過對比YJK線彈性分析與設計模型（后文簡稱YJK-A）與YJK彈塑性計算模型（后文簡稱YJK-EP），前三階周期的結果如表2所示。

各指標相差幅度均在5%以內。差別的原因有小震設計模型有中梁剛度系數和連梁折減以及彈塑性計算部分構件剛度退化等。X方向最大樓層位移角曲線如圖5所示，Y方向最大樓層位移角曲線如圖6所示，梁損傷等級顯示圖如圖7所示。

采用罕遇地震彈塑性時程分析驗算，各層彈塑性位移角最大值均在1/120以內，滿足規范對剪力墻結構彈塑性位移角限值的規定;基底剪力與位移時程曲線顯示，結構承載力未出現明顯下降，說明結構在罕遇地震作用下，能保持主體結構穩定，不至于倒塌。

各轉換梁未出現明顯的損傷，說明在大震下未出現明顯破損，工作性能仍然良好。大部分構件處于輕微損壞，部分構件達到中等破壞，少數構件鋼筋出現嚴重破壞，但未見有構件倒塌。從損傷機制來看，首先出現損傷的構件是連梁構件，其次才是豎向構件，符合抗震概念設計原則。

4 結構構造設計及做法

4.1 型鋼梁柱節點

本工程框支柱采用箱型型鋼混凝土柱截面，柱截面尺寸為1 800 mm×2 000 mm，內置箱型型尺寸為1 000 mm×1 200 mm，型鋼壁厚34 mm，型鋼標號Q420B。由于梁、柱配筋較大，梁鋼筋貫穿柱受型鋼阻隔，為解決此問題，本工程型鋼處鋼筋混凝土梁采用寬梁，以保證50%的鋼筋可以繞過型鋼貫穿框架柱設置于型鋼碰撞處，梁頂鋼筋可焊接一級鋼筋套筒將鋼筋與型鋼焊接，梁底鋼筋采用牛腿焊接于型鋼上。具體節點做法如圖8所示。

4.2 超長混凝土結構措施

為避免超長混凝土結構開裂，本工程考慮后在板內設置無黏結預應力鋼筋。本工程預應力鋼筋考慮抵抗溫度應力作用，同時兼顧承擔豎向荷載作用。為減小結構溫度應力，同時結合上蓋管綜要求，蓋頂設置綜合管溝，管溝處降板為1.0 m，如圖9所示。

屋蓋結構所受的總溫差為季節溫差和收縮當量溫差之和，即[ΔT]=11.3+17.7=28.8 ℃。對于鋼筋混凝土結構，應考慮混凝土徐變應力松弛影響，根據工程經驗考慮（0.3～0.5）的折減，取徐變系數為0.5，故進行設計計算時最終溫差取15 ℃。

運用庫樓板沿橫向（X向）將產生約2 MPa的拉應力，沿縱向（Y向）將產生2.5 MPa的拉應力，故通過施加預應力來防止板中產生溫度裂縫和收縮裂縫。板中施加2 MPa的預壓應力，板中橫向和縱向均配置每米3根的預應力筋。

5 結論

本文以廈門地鐵4號線后溪車輛段運用庫工程設計為例，對其工程設計及實施難點進行分析，有以下結論。上蓋剪力墻豎向構件不能落地，采用全框支剪力墻結構方案可行，同時可通過性能化設計，提高構件抗震承載力，達到結構設計目標;底部框架柱采用箱型型鋼柱，可有效提高底層及轉換層柱承載力，滿足結構整體抗震要求;超長混凝土結構可通過設置預應力鋼筋，避免結構溫度裂縫。

參考文獻：

[1]趙宏康，張敏，陸春華.蘇州太平車輛段停車列檢庫上蓋物業開發復雜高層結構設計[J].建筑結構，2013（20）：94-100.

[2]譚奇峰.某地鐵車輛段框支轉換結構性能化設計[J].建筑結構，2019（1）：52-56.

[3]住房和城鄉建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規范：GB 50011—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[4]住房和城鄉建設部.高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ 3—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.