廣州地鐵某車輛段上蓋塔樓結構設計

朱 振 吳居洋

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司）

1 工程概況

廣州市軌道交通十一號線赤沙車輛段項目地址現狀為地鐵八號線赤沙車輛基地，本項目為拆除現有車輛基地后重建，新建的赤沙車輛段為雙層（其中地下一層、地面一層），車輛段設上蓋開發。項目北側為黃埔涌，東側為華南快速，南側為赤沙涌。見圖1、圖2。

圖1 建筑效果圖

圖2 上蓋開發總面

本文主要介紹10#辦公樓，結構總高度80.0m，裙房2 層，地下室1 層，裙樓頂面標高16.1m，裙房以上14層，共17 層。由于負一層及首層為地鐵列車停車場，結合列車軌道，塔樓剪力墻及框架柱均需進行轉換。根據建筑功能要求及結構受力特點，轉換形式采用梁式轉換，建筑高度等級和抗震等級均按部分框支剪力墻來定義。轉換層設置在結構第三層（民用車庫頂板）。地震荷載及風荷載產生的水平剪力主要由框支柱、框架柱承擔，塔樓傾覆彎矩主要由框支框架承擔。見圖3、圖4。

圖3 轉換層結構布置圖

圖4 標準層結構布置圖

本項目轉換層以下為框架結構，轉換層以上為框架剪力墻結構，標準層雙向均為36.9m。受塔樓平面限制，需在電梯間、樓梯間周邊布墻，形成筒體效應，對筒內樓板加強。同時，對核心筒進行弱化，不致承受過大地震力，以免對核心筒下轉換柱造成較大不利影響。框支柱截面為1900mm×2500mm，底部加強區剪力墻厚300～500mm，混凝土強度C60；上部樓層墻厚逐步優化到200mm、混凝土強度C30。

本工程抗震設防烈度7 度，設計基本地震加速度0.1g，場地類別Ⅱ類，設計地震分組第一組，特征周期0.35s。修正后的基本風壓0.5kN/m2，體型系數1.4，地面粗糙度類別B 類。

2 設計對策

本工程屬全框支剪力墻結構，屬于《建筑抗震設計規范》[1]和《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）[2]暫未列入的其他高層建筑結構。同時塔樓存在扭轉不規則、剛度突變、構件間斷、承載力突變四項一般不規則情況。

針對本工程超限情況，采取了以下計算手段及加強措施：

⑴采用兩個不同的彈性分析程序YJK 系列軟件與ETABS 軟件進行分析對比，互相校核結果，確保結構整體計算指標準確可靠；

⑵采用彈性時程分析法進行多遇地震下補充計算，輸入2 組人工波和5 組天然波，結構地震效應取多組時程曲線的平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值；

⑶按照《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）的性能執行標準進行性能設計，根據抗震中不同構件的重要性及其作用，將構件分為關鍵構件、普通構件和耗能構件，并按C 級性能目標（框支框架及相關范圍為B 級）分別對其在不同強度地震作用下進行相關計算，并根據計算結果采取相應的加強措施；

⑷應用PKPM-SAUSAG 軟件進行罕遇地震作用下的動力彈塑性分析。

3 性能目標

根據本工程結構構件重要性及可靠性要求，定義框支框架為關鍵構件，其余豎向構件為普通豎向構件，框架梁及連梁為耗能構件[3-4]。

根據本工程的抗震設防類別、設防烈度、結構類型、超限情況和不規則性，按照《高規》第3.11 節的相關內容，設定本結構的抗震性能目標為性能C（框支框架及相關范圍為B 級），具體不同地震水準下的結構、構件性能水準詳見表1 及表2。

表1 抗震性能目標

表2 各性能水準結構預期的震后性能狀況

4 小震計算

本結構屬于體型復雜結構，根據文獻《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）應至少采用兩種不同力學計算模型的軟件進行整體計算，本工程選取了YJK和ETABS 軟件進行對比分析。對比分析結果如表3 所示。

表3 各性能水準結構預期的震后性能狀況

YJK 及ETABS 軟件的計算結果在結構動力特性、地震作用、結構總體位移等方面指標均比較接近，符合現行規范的要求，表明結果合理可信。

5 彈性時程分析

根據《高規》4.3.4 條采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。按照符合II 類場地以及設計地震分組第一組對應的特征周期Tg=0.35 的原則進行選取，為使多組時程曲線的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符，局部選取地震波的特征周期在0.28～0.39s 之間。人工模擬的加速度時程曲線采用YJK 軟件自帶或生成的特征周期為0.30～0.35s 的人工模擬的時程曲線[5]。

按建筑場地類別和設計地震分組，選用不少于五組實際強震記錄和兩組人工模擬的加速度時程曲線，計算結果取時程法的平均值和振型分解反應譜法的較大值，多組時程曲線的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符，其加速度時程的最大值按《建筑抗震設計規范》表5.1.2-2 采用。

表5 大震等效彈性主要計算結果匯總

七條波的多遇地震時程分析與規范反應譜的對比結果如圖5 和表4 所示。

圖5 規范譜與反應譜對比圖

由表4 分析可知，每條時程曲線計算所得結構底部剪力均大于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%，滿足《建筑抗震設計規范》5.1.2 條要求。同時，根據時程分析與反應譜法得到的剪力沿樓層分布的情況，時程分析得到的剪力平均值在上部部分樓層大于反應譜法的結果，擬對這些樓層相應的反應譜法計算剪力進行放大，放大系數為1.034。

表4 彈性時程分析計算結果

6 罕遇地震分析

6.1 等效彈性分析

采用YJK 進行大震等效彈性分析，依據國標《高規》第3.11.3 條的相關公式進行豎向構件彈性大震下的受剪截面驗算。大震下框支框架及相關范圍需達到第3 性能水準，其余部分達到第4 性能水準，通過兩個計算模型分別計算實現。等效彈性計算時，阻尼比取6%，連梁剛度折減系數取0.3。

通過大震等效彈性分析得出：框支柱、轉換梁能夠滿足受剪彈性，壓彎不屈服性能要求；轉換層上部樓層剪力墻能夠滿足抗剪截面要求。

6.2 動力彈塑性分析

本工程為復雜高層建筑結構，主體結構高度最大為80.0m（7 度區，全框支剪力墻結構），屬規范未規定的其他高層建筑，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（DBJ 15-92-2013） 第 5.1.15 條 規 定， 本 工 程 采 用PKPM-SAUSAGE 軟件進行了罕遇地震（即大震）作用下的動力彈塑性分析。地震波選取符合規范條件的2 組天然波和1 組人工波[6-7]，采用雙向地震輸入，主方向和次方向加速度峰值的比值為1.00:0.85。

各模型彈塑性最大剪力為CQC 法基底剪力的3.12～4.31 倍之間，平均值X 方向為4.08 倍，Y 方向為3.68 倍，基本處于3～5 之間，滿足要求。層間位移角：各方向模型大震彈塑性層間位移角最大值如表6 所示，大震彈塑性最大層間位移角在1/282～1/160 之間，滿足1/125 限制要求，轉換層的x 向層間位移角在1/567～1/460 之間，轉換層的y 向層間位移角在1/732～1/401 之間，轉換構件基本處在彈性階段。

表6 大震彈塑性時程分析的基底剪力

結構在3 條地震波動力時程分析下的塑性損傷分布情況基本類似，選3 號地震波工況為例，分析剪力墻和轉換結構構件鋼筋屈服和混凝土損傷情況，如圖6、圖7 所示。

圖6 X 向作用（最后時刻）

圖7 Y 向作用（最后時刻）

由動力彈塑性分析結果可知：

⑴在大震作用下，框支框架及相關范圍的關鍵構件基本處于輕微損壞狀態，能滿足性能水準3 的要求；轉換層上部普通豎向構件基本處于無損壞～輕度損壞；此結果表明滿足性能水準4 的要求。

⑵轉換梁基本處于無損壞～輕微損壞；此結果表明能滿足性能水準3 的要求。

⑶在大震作用下，轉換層以上剪力墻有不同程度的損傷；連梁損傷大于墻體，可見連梁充分發揮了耗能能力，實現了強墻肢弱連梁的性能目標。

⑷結構裙房頂部樓板基本處于無損壞～輕微損壞；轉換層以上一層樓板基本完好，僅局部出現輕微損傷；標準層樓板基本完好，僅局部出現輕微損傷。此結果表明樓板損傷情況滿足性能水準4 要求。

綜上分析，結構整體抗震性能良好，與預期屈服機制吻合。

7 樓板及轉換梁分析

在重力荷載+設防烈度地震作用標準組合工況下，通過有限元方法對轉換層及上層樓板、標準層樓板進行應力分析。通過控制樓板板厚和最小配筋率，并在局部應力較大處根據實際情況加強配筋,可保證裙樓和塔樓樓板可靠傳遞水平力[8-9]。

轉換梁在大震目標組合作用下，最大拉應力為37MPa，最大壓應力為39MPa，最大剪應力為11MPa，X向配筋云圖需配受拉筋26509mm2，對應轉換梁配筋率為0.7%。轉換梁混凝土強度等級提高到C50，以滿足轉換梁抗剪截面要求；同時在梁內設置抗剪鋼板，以提高轉換梁抗剪承載力[10]。

8 構造措施

⑴考慮增加結構底盤安全度，對框支框架及相關范圍性能目標設為B 級。

⑵針對地鐵功能層（結構首層，模型2 層）剛度突變的措施：①增加首層側向剛度，彈塑性位移角在罕遇地震下可滿足不大于1/125；②適當提高首層墻身及約束邊緣構件的最小配筋率，配箍特征值適當增大，以提高豎向構件延性。

⑶針對豎向構件不連續的措施：對關鍵構件按小震和中震及大震結果包絡配筋，對框支柱及轉換梁進行應力分析并以應力校核配筋，加強構造措施，達到小震、中震完全彈性，滿足大震受剪彈性、受彎不屈服的性能目標。

⑷框支柱：邊柱、中柱豎向筋配筋率不小于1.6%，角柱豎向筋配筋率不小于1.6%；體積配箍率不小于1.6%。

⑸針對轉換：進行轉換梁應力分析，通過提高轉換層混凝土強度等級為C50、適量的配筋及增加抗剪窄翼緣型鋼，即可滿足轉換梁拉應力及最大剪應力的驗算要求，提高抗剪能力并增強延性。

9 結語

YJK 及ETABS 軟件的計算結果基本一致，有效保證了結構計算的可靠性。本工程著重概念設計，結構位移符合規范要求，剪重比適中，結構具有良好的耗能機制。針對超出規范限值的情況已按規范要求做出相應的補充分析和加強構造處理，能滿足現行規范的“小震不壞，中震可修、大震不倒”的抗震設防要求。