淺談TOD項目大底盤多塔隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容

蔡曉光

北京廣遠工程設(shè)計研究院有限公司 北京 100124

1 “TOD”項目概念

TOD（Transit Oriented Development），即以大運量的公共交通整合混合用地的城市布局呼應(yīng)了新城市主義提倡的步行、環(huán)境以及歷史文化友好的發(fā)展原則[1]。

十九世紀末，美國郊區(qū)交通方式以蒸汽機車、有軌電車為主。蒸汽機車因其行駛快、加減速慢等特點，多設(shè)置于城市核心區(qū)通勤。與現(xiàn)代地鐵、輕軌有所區(qū)別的是，由于其大噪音、重污染的特點，其周邊地塊無法就近開發(fā)，多在距其數(shù)千米外建設(shè)；而有軌電車與之相反，由于其啟動、制動較快、安靜、無污染的特點，致使它適用于城市中心，也進一步推動了沿線地塊開發(fā)。這種狀態(tài)持續(xù)不久后，因汽車業(yè)的發(fā)展壯大，北美城市發(fā)展又進入了“離心化”發(fā)展道路，即外郊開發(fā)速度大于城市內(nèi)郊。

由于郊區(qū)開發(fā)速度過快，城市逐漸進入了向周邊蔓延的現(xiàn)象，即“城市蔓延”現(xiàn)象。此時，一系列針對郊區(qū)蔓延的方案和措施出現(xiàn)，其中也包括了“新城市”主義。“新城市”主義實踐層面主要為傳統(tǒng)街區(qū)回歸城市核心，打造緊湊、活力形社區(qū)，其代表性概念包含傳統(tǒng)街區(qū)發(fā)展（TND）、步行口袋（Pedestrian Pocket）、公交村落（Transmit Village）等。

“TOD”正是由彼得· 卡爾索普（Peter Calthorpe）從“步行口袋”概念演變而來。簡而言之，其旨在最大程度利用城市核心地塊，將軌道交通與社區(qū)工作、生活等緊密結(jié)合在一起，使城市在有限空間內(nèi)盡可能緊湊而又不失活力。

2 “層間隔震”設(shè)計概念

結(jié)合中國國情，伴隨經(jīng)濟基礎(chǔ)的日漸鋪高，“上層建筑”也不甘示弱。我國城市軌道的鋪設(shè)步伐日漸迅速，而伴隨地鐵線路的大面積鋪設(shè)、用地，城市核心圈的地塊開發(fā)問題也日漸緊張。在這種背景下，TOD規(guī)劃和開發(fā)也逐漸登上舞臺。如何最大限度利用好城市軌道交通建設(shè)用地，是城市規(guī)劃和建筑業(yè)的共同課題。

地鐵車輛段蓋上開發(fā)便是衍生于“TOD”背景下的項目類型，其主要理念在于實現(xiàn)車輛段基地蓋下通車，蓋上進行商業(yè)、民生項目開發(fā)，對于結(jié)構(gòu)專業(yè)，這種類型的項目主要結(jié)構(gòu)特點包括“大底盤多塔”“特別不規(guī)則”“框支轉(zhuǎn)換”“高烈度地區(qū)地震影響系數(shù)大”等。

隔震建筑便是利用在結(jié)構(gòu)體系中設(shè)置隔震裝置（隔震支座），在地震作用下，使得支座以上結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較大平動位移，盡可能多的耗散掉地震能量，達到減小上部結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)的目的。現(xiàn)行的主要隔震支座類型包含：橡膠隔震支座、彈性滑板隔震支座、摩擦擺隔震支座、彈簧隔震支座等。

層間隔震便是將隔震支座設(shè)置在結(jié)構(gòu)中下部某個相對有利位置，這樣，整個結(jié)構(gòu)由下而上被分為了下部結(jié)構(gòu)、隔振層、上部結(jié)構(gòu)三個區(qū)段。

結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常以減震系數(shù)（詳《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010（2016年版）12.2.5）來體現(xiàn)隔震支座減小地震影響系數(shù)的程度。一般情況下，水平向減震系數(shù)應(yīng)通過隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)對應(yīng)層最大層間剪力的比值中的最大值確定（對于高層結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)計算隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值），同時，隔振層以上結(jié)構(gòu)的總水平地震作用不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時的總水平地震作用。

關(guān)于隔震支座的選型和參數(shù)設(shè)置，由于其參數(shù)直接決定項目“減度”目標(biāo)，所以，應(yīng)盡可能與相關(guān)廠家進行溝通，確定支座水平剛度、豎向剛度等參數(shù)的可實施性范圍，否則，對于計算得減震系數(shù)始終會存在一定的誤導(dǎo)和理想化。

3 M結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容

結(jié)合軌道交通行業(yè)特點，由于蓋板下方柱網(wǎng)要滿足列車出入庫、并線等地鐵運營功能需求，所以蓋下框支部分順軌方向，柱列間距普遍較大、梁跨度也較大，這對結(jié)構(gòu)選型造成了一定程度的困難。再加上框支轉(zhuǎn)換、多塔等一系列不利于結(jié)構(gòu)布置和計算的因素，直接或間距導(dǎo)致車輛段基地結(jié)構(gòu)出現(xiàn)超限項，一般主要體現(xiàn)在以下幾項：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則（偶然偏心規(guī)定水平力下位移比超1.2）、凹凸不規(guī)則、豎向構(gòu)件不連續(xù)、塔樓偏置（單塔或多塔合質(zhì)心與大底盤質(zhì)心偏心距大于底盤相應(yīng)邊長的20%）等。因為大多超限的客觀存在性，很多時候無法避免，這也為整個結(jié)構(gòu)設(shè)計計算帶來不小的困難。由于客觀上無法避免的結(jié)構(gòu)超限存在，再加上隔震的參與，對整個結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出更高的專業(yè)要求，抗震性能化設(shè)計在所難免。

結(jié)合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010（2016年版）、《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準》（征求意見稿）的相關(guān)條款知：

下部結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容主要包括隔振層以下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力驗算、變形驗算。承載力驗算時，應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)傳來的軸力、彎矩、水平剪力及由隔振層水平變形產(chǎn)生的附加彎矩，此外還需滿足中震、大震下相應(yīng)彈塑性層間位移角的變形要求。這里以框架-抗震墻下部結(jié)構(gòu)為例，設(shè)防地震下，其彈性層間位移角不應(yīng)大于1/800，罕遇地震下，其彈塑性層間位移角不應(yīng)大于1/300。

隔振層應(yīng)作為上部結(jié)構(gòu)的一部分進行計算和設(shè)計，因其往往是轉(zhuǎn)換層（托墻轉(zhuǎn)換），在構(gòu)件層面，除了要滿足轉(zhuǎn)換構(gòu)件的特殊規(guī)定外，隔震層的結(jié)構(gòu)平面布置剛度中心宜與質(zhì)量中心盡可能重合，避免偏心引起較大扭轉(zhuǎn)。此外，隔震層主要驗算內(nèi)容還包括隔震支座的壓應(yīng)力和水平位移[2]。

這里以橡膠支座為例，橡膠隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應(yīng)力不應(yīng)超過甲類-10Mpas、乙類-12Mpa、丙類-15Mpa（甲、乙、丙為建筑類別），這里壓應(yīng)力設(shè)計值為永久荷載和可變荷載的組合工況，樓面活荷載應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的規(guī)定進行折減；且此時支座上述壓應(yīng)力限值還應(yīng)考慮與其形狀系數(shù)有關(guān)的修正。而在罕遇地震作用下的最大豎向壓應(yīng)力也不應(yīng)超過甲類-20Mpas、乙類-25Mpa、丙類-30Mpa（甲、乙、丙為建筑類別），拉應(yīng)力不應(yīng)超過甲類-0.0Mpas、乙類-1.0Mpa、丙類-1.0Mpa（甲、乙、丙為建筑類別）。橡膠隔震支座在規(guī)定壓應(yīng)力下的水平位移極限設(shè)計值，需小于min[0.55d0，3t]，d0是橡膠支座有效直徑，t是支座內(nèi)部橡膠總厚度；另外，其破壞極限水平位移需小于4t。

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于減震系數(shù)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)地震剪力計算值減小，對于上部結(jié)構(gòu)的選型極為有利，但應(yīng)注意上部結(jié)構(gòu)的抗震措施降低不得高于一度。此外，上部結(jié)構(gòu)的在設(shè)防地震、罕遇地震下的彈性層間位移角、彈塑性層間位移角也應(yīng)符合相關(guān)要求，這里以抗震墻結(jié)構(gòu)為例，其彈性層間位移角上限為甲類-1/1000，乙類-1/800，丙類-1/750（甲、乙、丙為建筑抗震設(shè)防類別）；彈塑性層間位移角上限為1/300。

4 大底盤多塔隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計難點及措施

4.1 性能水準

該類結(jié)構(gòu)由于超限、隔震兩個因素的參與，結(jié)構(gòu)設(shè)計一般都會采用抗震性能化設(shè)計方法，那么，針對不同重要性的構(gòu)件的性能水準、性能目標(biāo)應(yīng)合理制定。性能目標(biāo)過高時，一方面結(jié)構(gòu)選型計算十分困難，另一方面對于不是特別重要的構(gòu)件，若強行要求其在超越概率極低的地震作用水準下保持彈性或不屈服，勢必造成極大的資源浪費，可行性不高。但性能水準定的過低，又會犧牲掉結(jié)構(gòu)相當(dāng)水平的安全儲備，顯然也不夠合理。所以對于這類結(jié)構(gòu)，如何合理制定相關(guān)構(gòu)件的性能目標(biāo)，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程造價、資源利用率都顯得極為關(guān)鍵。在上蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計工作實操過程中，性能化設(shè)計一般可以采用PKPM、YJK類軟件依據(jù)高規(guī)、抗規(guī)進行小、中、大震的構(gòu)件性能指定和性能包絡(luò)設(shè)計，但應(yīng)注意的是，由于性能化設(shè)計中的部分公式不考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件與抗震等級相關(guān)的內(nèi)力調(diào)整，所以務(wù)必需要核查所使用的軟件版本是否需要手改中、大震下的抗震等級[3]。

4.2 框支結(jié)構(gòu)多級、多層轉(zhuǎn)換

現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式多見的一般有三類：①大梁轉(zhuǎn)換，傳力路徑為墻-大梁-柱，路徑清晰簡便，便于設(shè)計和施工。缺點是上部柱網(wǎng)受限較嚴重，一般為了避免多級轉(zhuǎn)換，會盡可能將上部柱網(wǎng)進深按下部柱網(wǎng)調(diào)整，方案布置不夠靈活。②厚板轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換方式由于板內(nèi)受力情況不夠明確，傳力路徑不夠清晰，而且因其厚度往往很大，直接導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)負擔(dān)加重，不利于抗震，可行性一般；③桁架轉(zhuǎn)換，該種轉(zhuǎn)換形式受力簡單，傳力路徑明確，但其缺點是，高度方向往往較大，工藝或建筑凈空會較受限。

綜上而言，實際工程中使用較多的還是大梁轉(zhuǎn)換，但因為軌道交通項目客觀特點，導(dǎo)致其蓋頂柱網(wǎng)總會不很規(guī)則，尤其在車輛段咽喉區(qū)部分，下部柱網(wǎng)受軌道專業(yè)限界影響，布置極其無序。很多情況下，蓋頂都會存在多級轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，在一些項目中甚至還會存在多層、多級轉(zhuǎn)換，即隔震層頂、蓋頂雙層多級轉(zhuǎn)換（上部剪力墻落在隔震層頂轉(zhuǎn)換梁，隔震層支柱落在蓋頂轉(zhuǎn)換梁）。這直接增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度和安全底線的把控難度。筆者認為，針對前者不可避免的多級轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，應(yīng)盡可能合理規(guī)劃上部使用功能，讓大荷載區(qū)域避免直接坐落多級轉(zhuǎn)換梁上，同時，也可考慮使用鋼結(jié)構(gòu)這類相對小質(zhì)量的上部結(jié)構(gòu)；而針對后者多層轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，除了控制支座下方轉(zhuǎn)換梁的承載力外，應(yīng)盡量控制支座下方轉(zhuǎn)換梁撓度變形，或通過適當(dāng)起拱等措施，旨在避免隔振層不同支柱的不均勻下?lián)希糯笊喜拷Y(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)；同時支座面壓應(yīng)留有足夠余量，避免隔振層支柱不均勻下?lián)蠈?dǎo)致支座面壓超限。此外，由于框支轉(zhuǎn)換的大規(guī)模使用，在合理可控的情況下，應(yīng)盡可能減小轉(zhuǎn)換構(gòu)件的跨度，且當(dāng)其超過8m時，務(wù)必依據(jù)高規(guī)考慮豎向地震作用。

4.3 結(jié)構(gòu)建設(shè)的斷層性

因為TOD項目本事體量規(guī)模相對較龐大，現(xiàn)多采用下部結(jié)構(gòu)先設(shè)計、先建設(shè)，隔振層包括上部結(jié)構(gòu)后設(shè)計、后施工，兩階段的時間跨度可能達到數(shù)年甚至十?dāng)?shù)年，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度看，這對蓋下設(shè)計的強度和整體指標(biāo)預(yù)留提出較高要求，下部結(jié)構(gòu)設(shè)計階段必須保證有足夠的強度和指標(biāo)預(yù)留空間，否則，后期二級開發(fā)階段，會十分被動。

由于TOD項目具有長生命周期、預(yù)留上蓋荷載等特點，必然導(dǎo)致設(shè)計過程中流程化、文件化嚴重，所以保證整個設(shè)計階段的提反資材料的有效性和可實施性是重中之重。

4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計周期、硬件要求

由于超限結(jié)構(gòu)需要進行抗震專項審查，并進行相應(yīng)的性能包絡(luò)、多塔包絡(luò)、彈塑性時程分析、損傷模擬計算等前置條件，同時上述計算對計算機硬件要求較高，這類項目進度安排上應(yīng)考慮到項目特點，為結(jié)構(gòu)專業(yè)配置相對高的硬件水平，給前期超限計算和評審留有足夠的空間，后期無論設(shè)計還是施工，都能做到得心應(yīng)手，否則處處受限。

5 結(jié)束語

筆者結(jié)合TOD項目設(shè)計過程中親歷的一些認知和痛點，旨在為軌道交通行業(yè)的結(jié)構(gòu)從業(yè)同行提供微薄見解，以期共同進步，并希冀未來軌道交通行業(yè)車輛段TOD項目的執(zhí)行難點得到更多的攻克。