地鐵車輛段上蓋開發項目結構設計思考

張伯英

北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082

引言

地鐵車輛段主要承擔停放地鐵車輛、整備、列檢、月檢以及架修任務。車輛段上蓋開發項目就是在占地面積巨大的軌道交通車輛段上進行停車場、商業、住宅、辦公等各種業態的物業開發，也就是對土地的二次利用，北京地鐵7 號線東延張家灣車輛段就采取了此種開發模式。車輛段首層為地鐵車輛停車、整備、檢修功能區，垂直軌道方向結構柱網受車輛限界及車輛檢修工藝限制，順軌道方向柱網受工藝設備空間限制，而首層以上，根據建筑業態不同，柱網布置需求與蓋下存在一定差異。但是此種類型的結構，需要滿足上下兩種完全不同的使用功能需求，蓋下柱網規則，凈高要求高；蓋上柱網受建筑功能及流線限制，且凈高較低。這就導致結構存在豎向抗側力構件不連續、體型收進、樓板不連續、剛度突變等一系列問題。針對此種類型建筑結構的系統性研究較少，本文以張家灣車輛段上蓋開發工程為例，結合上下結構特點分析比選了多種結構體系，對轉換層的選取及混合結構的阻尼比取值、豎向地震作用取值等關鍵設計參數進行了分析，并針對結構各種不規則結合我國規范對結構關鍵構件進行加強處理。為今后類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

張家灣車輛段位于東六環內側，西側為環球影視城。車輛段用地呈不規則矩形，南北長950m，東西寬440m；車輛段占地面積20.42 公頃，蓋上開發主要業態為商業購物中心、戲曲中心、冰酷世界、影院、小型辦公樓等。整體方案效果及蓋上開發使用功能如圖1 所示。

蓋下車輛段主要功能為停車列檢庫、聯合檢修庫、設備用房、咽喉區及出入段線，車輛段根據各區域上蓋開發功能及蓋下車輛段使用功能，依據抗震縫位置，共分為10 個部分，結構區段劃分如圖2所示。3、4 區蓋上開發功能較為復雜，需依據蓋下車輛段使用功能條件及蓋上開發功能綜合考慮結構體系。現以本工程停車列檢庫4 區為例，說明結構體系的選型、轉換層的選取、設計參數的選用及相應加強措施。

圖1 北京地鐵7 號線東延張家灣車輛段蓋上開發使用功能示意Fig.1 Schematic diagram of development and use function of Zhangjiawan depot cover on east extension of Beijing Metro Line 7

圖2 張家灣車輛段分區示意Fig.2 Division diagram of Zhangjiawan Depot

2 結構體系的選型

根據已有的地鐵車輛段上蓋開發工程的經驗，地鐵車輛段首層及二層小汽車庫層根據車輛段用地條件及工藝要求，采用框架結構較多。如用地條件許可，垂直軌道方向在工藝及車輛限界允許條件下，能夠允許局部設置橫向剪力墻，沿軌道縱向設置剪力墻不受限制，可采用框剪結構，大大增加下部結構的整體剛度。三層及以上開發根據使用功能及地震設防烈度，采用框架結構、框剪結構及剪力墻結構較多。

停車列檢庫4 區投影尺寸為187m ×105.4m。縱向主要跨度為9m，橫向根據停車列檢需要主要跨度為13.3m和18.1m。各層層高如圖3所示。

4 區首層為車輛段使用功能區停車列檢庫，庫內橫向柱跨間均為軌道線，二層功能為小汽車庫，三層及以上為商業區。

根據車輛段建筑用地情況及使用功能要求，垂直于軌道方向無條件設置剪力墻及支撐等抗側力構件，故首層車輛段內考慮采用橫向限制較小的框架結構。

車輛段上蓋主要業態為商業，對使用空間要求靈活，主要抗側力構件的布置受建筑流線影響較大，故上蓋開發結構形式采用框架結構、框架加支撐結構及框剪結構均可行，由于垂直軌道方向即橫向所有跨支撐及剪力墻均無法落地，且首層層高為二層層高的兩倍左右，層剛度比無法滿足規范要求且相差較大，因此二層及以上各層同樣考慮采用框架結構。本區塊結構高度從室外地面起算為39.6m，根據《建筑抗震設計規范》（GB 20011—2010）［1］（以下簡稱為《抗震規范》），對于北京8 度（0.2g）設防烈度地區，混凝土框架結構的最大適用高度為40m。本結構已接近混凝土框架結構的最大適用高度，且結構形式較為復雜，采用純混凝土框架結構較不經濟，三層及以上采用鋼結構，有利于減輕結構自重，減小地震作用。因此，對首層、二層的材料選取做了比選。

圖3 停車列檢庫4 區層高示意Fig.3 Floor height schematic diagram of zone 4 of parking train inspection depot

對兩種材料分界面位置的選取進行了對比分析，即首層、二層采用鋼筋混凝土框架或型鋼混凝土框架和首層采用鋼筋混凝土框架、二層采用鋼框架。以此建立三種計算模型如圖4 所示，模型各層的構成情況列于表1 中。

表1 模型各層構成情況Tab.1 Composition of each layer of the model

圖4 對比計算模型Fig.4 Comparison calculation mode

根據業主需求，車輛段使用功能區優先采用混凝土結構，因此本工程考慮首層、二層采用鋼筋混凝土框架+三層及以上采用鋼框架的混合結構體系。

計算結果對比如表2 所示。從表2 中可以看出，三種計算模型的層間位移角均能夠滿足《抗震規范》中表5.1.1 關于彈性層間位移角限值的要求。本結構的突出問題在于1 層與2 層側向剛度比較小，結構的豎向剛度應自下而上逐漸減小，變化均勻、連續。否則，在地震作用下某些樓層或部位將率先屈服，出現較大的塑形變形集中，加重破壞。

表2 模型計算結果Tab.2 Model calculation results

因首層工藝專業需求，首層層高為11.2m（從嵌固端承臺頂計算），二層層高為5.3m，天然層高差距較大，且首層柱尺寸受軌道限界限制，剛度比不易滿足。對比模型中，模型1 的剛度比為0.71 接近《抗震規范》中對側向剛度不規則結構的限值。模型3 的剛度比更是小于0.7，屬于側向剛度不規則結構。為避免出現薄弱層，在結構材料分界面的選擇上優先選擇了剛度比指標較好的模型2。由此本區塊采取了模型2 的劃分方法，首層、二層鋼筋混凝土框架+三層及以上鋼框架的混合結構體系。

3 轉換層的選取

因首層為車輛段停車列檢庫，其柱網排布受到各專業使用功能限制，可供更改范圍極小。上部商業因劇場、電影院、中庭的排布以及商業流線的規劃致使柱網不能與首層結構一致，不可避免產生豎向構件不連續，產生托梁轉換層。

本工程在考慮轉換層位置的設置時，分別考慮轉換層設置在首層（圖5）和二層（圖6）兩種情況，分析如下：

（1）根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）［2］（以下簡稱為《高規》）10.2.1對帶轉換層高層建筑結構的定義，是指在高層建筑結構的底部，當上部樓層部分豎向構件不能直接連續貫通落地時，應設置結構轉換層。經查閱資料，結構的底部高度約指房屋下部的1／3 高度范圍內，若轉換層設置在二層，轉換層位置超過總體結構高度的1／3，對結構抗震較為不利。

圖5 首層結構布置Fig.5 Structural layout of the first floor

（2）根據《高規》10.2.4 條要求，轉換構件的水平地震作用內力應乘以增大系數1.6。《高規》3.5.8 條規定，豎向抗側力構件不連續的樓層，其對應于地震作用標準值的地震作用剪力應乘以1.25。經過地震力放大，二層豎向抗側力構件尺寸必然較大，根據前文分析，首層與二層的剛度比比值會更為不利，加重結構的不規則性。

圖6 二層結構布置Fig.6 Structural layout of the second floor

（3）根據結構布置及使用功能要求，車輛段首層雖然橫向跨度較大，但梁柱排布較均勻，整體性較好。二層使用功能復雜，有錯層及開洞，整體性較差。

綜合以上三點，考慮將轉換層設置在首層，放大首層梁、柱尺寸，盡量減小二層抗側力構件的剛度。在滿足剛度比要求的同時，放低轉換層的位置，對結構抗震性能較為有利。因此本結構的轉換層限制在梁柱尺寸較大的首層，如圖7所示。

圖7 轉換層結構示意Fig.7 Structural diagram of transfer floor

4 關鍵設計參數的選用

4.1 鋼筋混凝土框架+鋼框架結構的阻尼比取值

本結構體系存在混凝土和鋼兩種不同的工程材料，兩種材料的阻尼比取值不同。以往的部分工程設計采用鋼材和混凝土材料的阻尼參數分別計算，而后取其包絡進行結構設計，這將不可避免造成浪費。因此，采用三種方法針對阻尼比的取值進行對比研究分析。

1.統一阻尼比取值。《抗震規范》5.1.5 條規定：除有專門規定外，建筑結構的阻尼比應取0.05。《抗震規范》8.2.2 條對鋼結構抗震計算的阻尼比做出了規定，在多遇地震下的計算，高度不大于50m 時可取0.04。因本結構同時采用了混凝土結構和鋼結構，兩者協同工作，此種“豎向混合結構”與《高規》中的混合結構較為類似，《高規》11.3.5 條規定：混合結構在多遇地震作用下的阻尼比可取為0.04。因此采用統一阻尼比0.04 進行計算分析。

2.振型阻尼比法。《抗震規范》10.2.8 條針對鋼結構屋蓋下部支撐為混凝土結構時的阻尼比做出了規定，根據條文說明，此類協同計算時的阻尼比取值采用振型阻尼比法。組合結構中，不同材料的能量耗散機理不同，因此相應構件的阻尼比也不同。對于每一階振型，不同構件單元對于振型阻尼比的貢獻與單元變形能有關，變形能大的單元對該振型阻尼比的貢獻較大。所以可根據該階振型下的單元變形能，利用下式，采用加權平均的方法計算出振型阻尼比。

式中：ζi為結構第i 階振型的阻尼比；ζi為第s個單元阻尼比，對鋼構件取0.02；對混凝土構件取0.05；Wsi為第s個單元對應于第i階振型的單元變形能。

3.CCQC法。針對由不同材料組成的混合結構體系，周錫元、俞元芳于2006 年提出了在粘滯阻尼理論基礎上的基于規范反應譜的CCQC法，此方法使用了與CQC 法完全相同的假設，與CQC 法不同在于除考慮不同振型位移地震響應的相互影響外還需考慮兩個振型的速度響應之間、以及一個振型的位移響應和另一個振型的速度響應之間的關聯性。CCQC 法求解非比例阻尼系統具有很好的精度，指定混凝土部分阻尼比為0.05，鋼結構部分阻尼比為0.02，利用CCQC法對結構進行計算分析。

三種不同的計算方法，結構基底剪力的計算結果如表3 所示。

表3 基底剪力計算結果對比Tab.3 Comparison of calculation results of base shear

通過計算對比發現，采用統一的阻尼比0.04進行計算得到基底剪力偏大，按此方法設計偏于不經濟。兩種非比例阻尼計算方法得到的計算結果相差在2%以內。針對此種混合結構，采用非比例阻尼的計算方法更加合理可靠。

4.2 豎向地震作用的取值分析

《高規》4.3.15 中規定，設防烈度8 度（0.2g）地區，高層轉換結構的豎向地震作用標準值不宜小于結構或構件承受的重力荷載代表值的0.1 倍，并未給出建議取值。因水平轉換構件是關鍵構件，且在計算結果中發現，轉換梁構件的設計結果受豎向地震組合控制。為準確分析本結構轉換構件的豎向地震作用，分別采用豎向反應譜分析和時程分析兩種方式研究豎向地震的影響程度。計算模型如圖8 所示，分析中采用的計算參數如表4所列。

圖8 計算模型Fig.8 Calculation model

表4 計算參數Tab.4 Calculation parameters

部分轉換梁的內力計算結果如表5 所示。可以看出，豎向地震反應譜分析及七組豎向地震時程分析結果中，典型轉換梁的剪力及彎矩效應大致相當，均約為重力荷載效應的5.2% ～14%。在設計中等效考慮豎向地震作用系數取為0.15，對關鍵構件偏于安全。

表5 部分轉換梁內力計算結果Tab.5 Calculation results of internal forces of the transfer beam

5 結構加強措施

本工程停車列檢庫4 區由于存在結構豎向構件不連續、樓板不連續、豎向混合結構等結構的不規則性，屬于超限高層結構，需對關鍵構件進行針對性加強，以保證結構安全性。

5.1 豎向抗側力構件不連續

轉換構件承擔上部豎向抗側力構件，其關鍵性不容置疑。針對轉換構件，包括轉換梁、轉換柱，根據《抗震規范》M.1.2-3，按照設防烈度地震作用進行配筋計算，并與多遇地震結果進行包絡取值。

在計算過程中發現，轉換構件在設防烈度地震作用下的配筋結果并不能起到控制作用。其原因在于，多遇地震調整考慮抗震等級調整系數，轉換構件的抗震等級為一級，內力調整系數為1.6，其調整后的內力大于設防烈度地震下不考慮抗震等級調整系數和荷載分項系數的計算結果。因此，對于轉換構件，不能只依據性能化計算的結果進行配筋設計，應包絡考慮多遇地震作用下的配筋結果。對于本工程，為進一步保證轉換構件的安全性，針對轉換構件提高性能目標為設防烈度地震作用下抗彎彈性、抗剪彈性，即按照《抗震規范》M.1.2-2 進行中震性能化設計，與小震包絡取值，加強其安全儲備。

5.2 樓板不連續

上蓋業態商業及劇場均有較大開洞，造成樓板不連續，結構平面不規則。針對開洞周邊的框架柱，設置中震抗彎不屈服，抗剪彈性性能指標，加大構件截面，提高整體剛度。對開洞周邊樓板采取加厚措施，并輔以雙層雙向配筋，加強整體性。

5.3 豎向混合結構

本結構三層及以上采用鋼框架結構，二層及以下采用鋼筋混凝土框架結構，這就導致在二層頂存在結構的材料轉換。雖結構已通過非比例阻尼的方式進行了補充計算，但在材料轉換位置應進行抗震措施的加強。本結構通過設置二層及三層為薄弱層、放大地震力，提高配筋率、增大截面的方式對材料轉換部位進行了加強。并針對二層的豎向構件設置抗彎不屈服、抗剪彈性的性能指標，提高其對三層鋼結構的嵌固作用。

綜合以上問題，本工程參照《抗震規范》進行了局部性能化設計，在小震作用下，整體結構按照常規設計，對首層轉換層及二層薄弱層進行了地震力放大，并對關鍵構件進行了抗震等級調整。結構層間位移角限值如表6 所示。

表6 結構各部分層間位移角限值Tab.6 Limits of displacement angle between layers of each part of the structure

在設防烈度地震作用下，針對關鍵構件，分別指定了不同的性能水準，如表7 所示。其中中震彈性即承載力按照不計抗震等級調整的地震效應設計值進行復核。中震不屈服即承載力按照不計抗震等級調整的地震效應標準值進行復核。利用中震設計結果與小震計算結果進行包絡配筋。

表7 結構主要構件抗震性能目標Tab.7 Seismic performance targets of main structural components

在罕遇地震作用下，進行整體結構的彈塑性分析，將包絡配筋結果導入計算軟件中進行復核。在罕遇地震作用下，結構的層間位移角均小于1／50，滿足《抗震規范》要求。

6 結論

車輛段上蓋開發類建筑因其上下明顯的功能差別，需要針對具體情況對結構進行統籌考慮。

1.車輛段結構因首層工藝條件限制，首層層高較高，二層層高較低，剛度比較難滿足，因此為保證結構有較好的整體剛度變化趨勢，首層應盡量采用剛度較大的鋼筋混凝土結構，二層及以上視情況采用鋼筋混凝土或鋼結構，在滿足承載力的情況下，控制各層剛度比，減小結構不規則的影響。

2.轉換層的選取，應盡量控制在較低的高度上。因轉換梁轉換柱為關鍵構件，尺寸均較大，結合建筑功能，設置在對尺寸相對不敏感的首層（車輛段功能區）更為合適。且能增大首層剛度，利于結構剛度比的控制。

3.針對豎向混合結構的阻尼比取值，采用統一阻尼比的方式，計算結果并不準確，可能造成結構設計偏于不安全或者不經濟。建議采用非比例阻尼的計算方法，現有軟件均能夠實現，計算結果合理可靠。因豎向地震作用對水平轉換構件的影響較大，規范僅給出了豎向地震作用的簡化取值底線值。針對關鍵構件應采用補充豎向時程分析的方法進行補充計算，得到偏于安全的豎向地震作用取值進行設計。

4.針對車輛段建筑的各項結構問題，建議進行性能化設計。在確定性能水準時，應對小震結果進行充分分析，避免構件性能水準低于小震相應的承載力水平。針對車輛段可能產生的豎向構件不連續、樓板不連續、豎向混合結構等問題給出了相應的加強方式，供后續類似工程參考借鑒。