某地鐵上蓋結構設計分析

吳鴻志

(福建嘉博聯合設計股份有限公司 福建福州 350001)

0 引言

地鐵作為一種高效的公眾出行方式，不受地面擁堵影響，被越來越多城市采用。隨著地鐵線路的開通，城市需要為地鐵車輛的檢修配套許多車輛基地。城市土地資源緊缺的形勢下，地鐵車輛檢修庫的頂板以上開發上蓋物業的模式應運而生。然而，底層地鐵檢修庫和上蓋物業開發功能需求的沖突，造成檢修庫的豎向構件和上蓋物業豎向構件無法對齊，因此上蓋物業的豎向構件難以避免需要轉換。基此，本文結合某實際工程，探討帶轉換層的地鐵上蓋高層建筑抗震設計相關問題。

1 項目簡介

該工程為福州某地鐵車輛基地運用庫，原規劃上部高層均為30層住宅，結構體系采用部分框支剪力墻結構。運用庫屋面(下文簡稱“蓋板面”)由幾條結構縫分割成若干獨立的結構單元，每個結構單元為一棟塔樓。蓋板面預留豎向墻柱插筋，主樓范圍采用滿堂樁筏基礎。上蓋進行開發時，該工程蓋板面及其以下部分均已建成并投入地鐵運營使用。所有地鐵車輛檢修均停于該運用庫，因此，上蓋物業的開發施工不得對地鐵的正常運營產生影響，并且該工程也無條件進入運用庫對蓋板及其以下結構進行加固和維修。

原設計總圖按多年前的設計規劃條件，預留規劃日照為1h。上蓋物業開發時，規劃日照要求變為3h，無法完全按照原設計總圖位置來布置單體。新的建筑戶型因市場變化產生較大的修改，修改后的平面與原蓋下墻柱完全錯位，必須設置轉換層來轉換上部豎向構件。

該工程抗震設防烈度為7度，設計地震基本加速度值0.10g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.45s。

1.1 結構方案選擇

該項目轉換層結構形式選擇有3種：梁式轉換、箱形轉換、厚板轉換。

梁式轉換，由于上部剪力墻布置受建筑功能影響，存在大量的二次轉換，局部甚至存在3次轉換，梁系布置非常密集。每道主梁均需要承擔來自次梁的巨大扭轉效應，這對主梁的受力極為不利。箱形轉換，解決了主梁抗扭不利的問題，但密集的梁系同樣會造成后期施工非常復雜。最終選擇采用厚板轉換的形式。經試算后，確定轉換厚板厚度為1900mm。

該工程預留框支墻與上部建筑平面關系如圖1所示。

圖1 預留框支墻與上部建筑平面關系

依照圖1所示，A9#塔樓北側輪廓在下部原預留墻柱外邊界范圍內，塔樓南側局部超出下部預留墻柱1.5m，東側山墻位置超出下部預留墻柱3.9m，西側山墻超出下部預留墻柱1.5m。因出挑太長，采用斜墻支撐出挑厚板方案，來保證結構安全性。結構剖面如圖2所示。

1.2 超限情況及性能目標

該工程不規則情況如下：①扭轉不規則；②凹凸不規則；③剛度突變；④厚板轉換(構件間斷)；⑤承載力突變。依據《超限高層建筑抗震設防專項審查技術要點》(建質〔2015〕67號)[3]，該工程屬于超限高層。

針對超限，該工程采取的性能目標為：轉換厚板、轉換梁、框支墻柱、斜墻滿足中震彈性、大震不屈服；厚板以上住宅底部加強區的墻柱，滿足中震斜截面彈性、正截面不屈服。

1.3 計算模型簡化

該工程主要采用盈建科軟件股份有限公司YJK軟件計算。在厚板層上部住宅剪力墻底的位置建立虛梁，虛梁之間設置1900mm結構板。厚板平面內剛度接近無窮大，因此，將厚板定義為彈性板3。斜墻簡化為斜撐輸入模型，斜撐與框支墻之間墻體僅作為滿足斜撐穩定性的一種手段，同時也作為一種安全儲備。計算模型如圖3所示。

圖3 結構計算模型

1.4 計算內容

1.4.1小震反應譜計算

計算軟件主要采用YJK，并且采用Midas Building進行補充計算，并對二者計算后的主要指標進行對比。

如表1所示，前3周期計算結果差別不大。

表1 兩種軟件計算得的結構自振周期

地震作用下樓層位移角指標如圖4所示。

圖4 地震作用下的樓層位移角

通過以上對比可知，YJK和Midas Building的計算結果相近，采用YJK的計算結果進行設計安全可靠。

1.4.2彈性時程分析

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)[2]，《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)[1]的要求，選取程序中自帶的1條人工波和2條天然波，對該工程進行彈性時程分析。

計算結果顯示， X 、Y向各3條波中，每一條的基底剪力均大于反應譜法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反應譜法基底剪力的80%，滿足規范對時程分析地震波的要求。各地震波彈性時程分析的位移角均在規范允許范圍之內。

圖5～圖6為3條波的彈性時程分析的樓層剪力包絡值。從分析結果可知，振型分解反應譜法計算的部分樓層剪力，小于彈性時程分析計算的樓層剪力。因此，在振型分解反應譜法的前處理中回代相應放大系數重新計算，放大系數如圖5～圖6所示。

圖5 彈性時程分析X向樓層剪力

圖6 彈性時程分析Y向樓層剪力

1.4.3中震彈性分析、大震不屈服分析

為了增加轉換相關構件的抗震承載能力，對轉換層及其以下豎向構件和轉換層的水平構件進行中震彈性、大震不屈服計算。

(1)中震彈性分析參數如下設置

①地震影響系數最大值，按設防烈度地震選取。

②不計內力調整系數。

③材料強度采用設計值，不計算風荷載。

④考慮中震下填充墻破壞、結構阻尼增加、剛度弱化、結構周期不折減，結構阻尼采用0.06，連梁適當破壞，剛度折減系數采取0.5。

(2)大震不屈服分析參數如下

①地震影響系數最大值按照罕遇地震選取。

②不計內力調整系數。

③材料強度用標準值，不計算風荷載。

④結構周期不折減，阻尼比采用0.06，連梁剛度折減系數采用0.3。

采用上述小震、中震和大震的計算結果對轉換構件進行包絡設計，保證轉換構件達到中震不壞、大震僅輕微損壞的性能目標。

1.4.4罕遇地震下結構響應

結構在罕遇地震作用下，某些部位會發生屈服甚至破壞退出工作，結構工作狀態從彈性進入彈塑性，并隨著塑性發展，結構剛度不斷退化，阻尼比隨之增加。對這一過程的模擬，該項目通過近似的靜力彈塑性分析(pushover)來實現。通過分析，對結構在多遇地震下的彈性設計假定進行校核，同時大致確定結構在罕遇地震下的破壞過程，找到薄弱環節，使設計能針對性地對薄弱環節進行加強，保證整體結構實現基于性能的抗震設計。

計算所得的能力譜與需求譜曲線如圖7～圖8所示。X、Y方向的性能點對應的最大層間位移角分別為1/199(X向)和1/274(Y向)，滿足規范規定的限值要求和性能目標要求。罕遇地震性能點之后結構還有上升空間，表明該結構能夠承受罕遇地震的作用，滿足“大震不倒”的抗震設防目標。

圖7 X方向結構能力譜與需求譜關系圖

圖8 Y方向結構能力譜與需求譜關系圖

1.4.5樓面譜多遇地震、設防地震分析

該工程采用的厚板轉換，厚板平臺對地震波有一定的濾波作用。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)[2]，不同的平臺本身所處的場地、結構特性等因素不同，對平臺上結構的地震反應有一定的放大作用，因此要考慮平臺的濾波效應。

該項目對平臺上的結構進行擬樓面譜分析，近似考慮平臺的放大效應。計算結果用于復核厚板以上底部加強區墻柱，使厚板以上底部加強區能達到小震不壞、中震可修的性能目標。具體做法如下：多遇地震分析假設厚板面為嵌固端，將轉化層以下結構刪除，在前處理中填寫一個固定樓層剪力放大系數，然后進行小震整體分析計算，使得計算后底部樓層剪力與原帶轉換層結構的相應樓層剪力相當。計算結果用于復核轉換層以上兩層墻柱(底部加強區)的配筋。

設防地震采用中震不屈服分析的計算參數，模型和前處理的做法與多遇地震做法相同。

1.5 臥梁做法

已施工的運用庫屋面預留插筋的墻柱截面小于底部墻柱截面，上下層墻柱相對位置如圖9所示。

若按預留插筋施工運用庫屋面以上的轉換墻柱，會較大削弱轉換層墻柱剛度，因此，設計時南北兩排轉換墻柱按下層墻柱相同截面伸至厚板轉換層，中間排墻柱按預留插筋的截面伸至厚板轉換層。

南北兩排框支剪力墻的預留插筋截面無法滿足設計要求截面，因此，在運用庫屋面設置一道臥梁，增大部分墻柱縱筋，通過臥梁形成一個整體。臥梁位置如圖10斜陰影所示。

圖10 臥梁平面示意圖

圖11為臥梁剖面大樣圖。預留插筋貫穿臥梁與上部墻柱鋼筋，采用套筒連接；上部墻柱多余的鋼筋穿過臥梁，以植筋方式與下層墻柱連接，小部分無法植筋的鋼筋，伸至臥梁底部彎錨；最后，通過設置臥梁箍筋，讓上下層墻柱連接處形成一個整體，保證運用庫屋面上下層轉換墻柱節點可靠性。

圖11 臥梁剖面大樣圖

1.6 厚板的設計與施工技術措施

1.6.1厚板的設計

厚板作為承上啟下的重要轉換構件，應提高其抗震性能目標，達到中震彈性、大震不屈服的要求。因此，采用Midas Gen軟件進行整體多尺度有限元分析其應力，并根據應力分析結果驗算厚板受拉配筋。同時，驗算上柱對厚板的沖切承載力和板支座處的剪切承載力。為了提高轉換板的延性和抗剪承載力，厚板內布置一定數量的暗梁和型鋼梁，如圖12所示。

圖12 厚板平面示意圖

1.6.2厚板的施工技術措施

該工程轉換板厚度達到1.9m，屬于大體積混凝土，澆筑過程應降低混凝土水化熱和控制混凝土溫度應力，嚴格控制混凝土中水泥用量，并在厚板中鋪設冷卻水降溫鋼管[4]。

由于蓋板層預留的荷載無法承擔1.9m厚板混凝土和支撐模板的荷載，同時為了控制混凝土的溫度應力，該工程1.9m厚板分兩次澆筑:第一次澆筑800mm，第二次澆筑1100mm，待第一次澆筑的混凝土達到90%以上強度后澆筑第二次混凝土[4]。為了增強兩次澆筑混凝土表面間的粘結，設計加密加大了板底板面筋間的拉結筋，并在第一次澆注混凝土面上增設抗剪件，如圖13所示。

圖13 厚板抗剪件示意圖

2 結論

(1)地鐵上蓋物業在7度區，采用厚板轉換結構滿足上下層功能需求，是一種有效可行的結構方案。

(2)厚板轉換結構在設計時，轉換構件應提高性能目標，滿足中震彈性、大震不屈服的要求；厚板以上底部加強區墻柱，應滿足中震正截面不屈服、斜截面彈性的要求。

(3)厚板以上的結構，應考慮平臺對地震力的放大作用，即“樓面譜”效應。

(4)厚板以下存在兩層以上墻柱時，轉換墻柱不宜變截面。通過設置“臥梁”，可以避免厚板以下墻柱存在的較大剛度突變，同時增強節點整體性，滿足結構要求。

(5)厚板作為重要的轉換構件，應提高其抗震性能目標，采用有限元分析厚板應力；控制大體積混凝土澆筑的溫度應力，考慮模板的支撐承載力。