某車輛段上蓋項目超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗震性能分析

呂潮 張洵

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

在城市用地日益緊張的環(huán)境下，迫切需要提高土地資源的利用效率，近年來，涌現(xiàn)了一大批帶上蓋開發(fā)的車輛段。不同于非上蓋開發(fā)車輛段，在滿足蓋下地鐵車輛段功能需求的同時，還需兼顧上蓋開發(fā)。由此產(chǎn)生了全新的結(jié)構(gòu)形式——全框支剪力墻結(jié)構(gòu)。因首層需滿足地鐵停放需求，層高較大，存在剛度突變、承載力突變、構(gòu)建間斷、扭轉(zhuǎn)等不規(guī)則項，屬于超限高層建筑，需要進行專項論證。本文結(jié)合實際項目，對全框支剪力墻結(jié)構(gòu)在各地震水準作用下的抗震性能進行分析，針對薄弱部位采取加強措施，確保結(jié)構(gòu)滿足設(shè)定的性能目標。

1 工程概況

1.1 基本情況

本項目為粵港澳大灣區(qū)城際線路廣州東至花都天貴工程空港車輛段同步實施工程。空港車輛段為單層車輛基地，其上設(shè)置上蓋開發(fā)，項目開發(fā)總平面圖如圖1所示。

圖1 上蓋開發(fā)總平面圖

車輛段首層為地鐵車輛停放、檢修區(qū)，二層為上蓋物業(yè)小汽車庫，三層（即裙房屋面）為上蓋物業(yè)日常活動區(qū)域，如體育、休閑娛樂設(shè)施等。本文主要介紹22#~26#，位于車輛基地運用庫區(qū)。22#~26#為高層住宅，總高度95.9m，不設(shè)置地下室，首層蓋板標高9m，二層蓋板標高15m，裙樓以上27層，共29層。

1.2 設(shè)計參數(shù)

該工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作年限為50年，安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。

結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]（GB50009-2012），該工程的基本風(fēng)壓為Wo=0.45kN/m2（50年重現(xiàn)期），因建筑高度>60m，承載力計算時取1.1倍的放大系數(shù)。體型系數(shù)取1.4，地面粗糙度類別為C類。舒適度驗算時的風(fēng)壓為0.30kN/m2（10年重現(xiàn)期）。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]（JGJ3－2010）（以下簡稱《高規(guī)》），該工程位于廣州白云區(qū)人和鎮(zhèn)，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，場地類別為II類，特征周期為0.35s，建筑抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類（丙類）。

1.3 結(jié)構(gòu)體系及布置

結(jié)合蓋下工藝限界要求，采用全框支-剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層位于二層蓋板，轉(zhuǎn)換形式為厚板轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置圖

由豎向構(gòu)件（含框支柱、框架柱）承擔(dān)地震荷載及風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平剪力，由框支框架承擔(dān)塔樓傾覆彎矩。蓋下主要為兩線跨，垂軌向柱距為13.3m，順軌向柱距為9.9m，框支柱截面為1900mmx1900mm，框支柱混凝土強度C60。轉(zhuǎn)換厚板厚度為2000mm，混凝土強度C55。剪力墻底部加強區(qū)域墻體厚為250~350mm，上部樓層墻厚度根據(jù)受力計算逐步縮減至200mm，剪力墻混凝土強度C60~C30。

2 超限情況及結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計目標

該工程主屋面高度95.9m<120m，高度不超限。但存在6項不規(guī)則項：（1）構(gòu)件間斷（厚板轉(zhuǎn)換）；（2）剛度突變及尺寸突變（多塔）；（3）承載力突變；（4）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及偏心布置；（5）凹凸不規(guī)則及組合平面；（6）樓板不連續(xù)。

針對以上超限情況，按照國標《高規(guī)》[2]的相關(guān)內(nèi)容，該結(jié)構(gòu)抗震性能目標為C，其中框支框架部分提升至B級，不同地震水準下的結(jié)構(gòu)抗震性能目標及預(yù)期的震后性能狀況見表1、表2。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標

表2 各性能水準結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 多遇地震作用下彈性分析

為避免單一軟件分析的局限性，分別采用YJK和ETABS對塔樓進行小震彈性分析。經(jīng)計算對比，兩種軟件的計算結(jié)果基本相當(dāng)，各指標相差不超過10%（除風(fēng)荷載下層間位移角最大位移角相差12.51%外）。有效質(zhì)量系數(shù)>95%，計算振型數(shù)足夠。在風(fēng)荷載和地震作用下，樓層層間位移角均小于1/1000，滿足《高規(guī)》3.7.3要求，該工程層間位移角由風(fēng)荷載起控制作用。在偶然偏心地震荷載作用下，最大扭轉(zhuǎn)位移比在1.2~1.5之間。

采用彈性時程分析法對小震作用進行補充計算。選取7組加速度時程曲線，包含5組天然波和2組人工波。選取的時程曲線的地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜的地震影響系數(shù)曲線的統(tǒng)計意義相符。各條波的小震時程分析與規(guī)范設(shè)計譜計算結(jié)果對比如表3所示。

表3 時程曲線與CQC法基底剪力對比表

由表3可知，各條時程曲線計算所得底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計算底部剪力的65%，且各條時程曲線計算所得底部剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計算所得底部剪力的80%。上部部分樓層存在時程分析計算，所得的剪力平均值大于反應(yīng)譜法計算所得剪力，采用反應(yīng)譜法計算剪力時，對這些樓層的剪力進行放大。

3.2 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)驗算

通過設(shè)防地震（中震）作用下的結(jié)構(gòu)等效彈性分析，可以得出框支框架、轉(zhuǎn)換暗梁、轉(zhuǎn)換厚板等能保證中震彈性，其他構(gòu)件能保證相應(yīng)性能水準要求。綜上所述，該工程能夠達到預(yù)定的中震性能目標。

3.3 罕遇地震作用下彈塑性分析

采用PKPM-SAUSAGE軟件進行大震作用下的動力彈塑性分析。選取2組天然波和1組人工波，采用雙向地震輸入，主、次方向加速度峰值比為1.00∶0.85。

通過計算，各模型大震彈塑性時程分析所得基底剪力為CQC法小震基底剪力的4.5~7.1倍，其中，X方向平均為5.6倍，Y方向平均為5.4倍，滿足要求。大震彈塑性最大層間位移角在1/445~1/335之間，滿足1/120限制要求。轉(zhuǎn)換層的X向?qū)娱g位移角在1/803~1/549之間，轉(zhuǎn)換層的Y向?qū)娱g位移角在1/770~1/537之間，轉(zhuǎn)換構(gòu)件基本處在彈性階段。

大震作用下的動力彈塑性分析表明，3條地震波作用下結(jié)構(gòu)的塑形損傷情況基本一致，選取X、Y向?qū)娱g位移角最大的地震波動力彈塑性分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)損傷情況描述，如圖3、圖4所示。

圖3 X向作用（最后時刻）的結(jié)構(gòu)損傷情況

圖4 Y向作用（最后時刻）的結(jié)構(gòu)損傷情況

綜合構(gòu)件損傷情況，分析結(jié)果表明：

（1）連梁損壞較嚴重，部分構(gòu)件甚至達到重度損壞，很好地起到了耗能的作用；

（2）樓板：大部分無損壞，局部為輕微損壞，達到大震下性能水準的要求；

（3）剪力墻：大部分處于無損壞及輕微損壞，局部為輕度及中度損壞；

（4）框架梁：大部分為輕微損壞，其余為無損壞，部分為輕度及中度損壞，可起到耗能的作用；

（5）框支框架：均為輕微損壞，裙樓柱均為輕微損壞，達到大震下性能水準的要求。

4 抗震加強措施

通過計算分析，對結(jié)構(gòu)重要部分、薄弱部位進行加強，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造加強措施，以滿足設(shè)定的抗震性能目標。加強措施如下：

（1）增加結(jié)構(gòu)底盤安全度，對框支框架（包括轉(zhuǎn)換厚板）性能目標加強為B級。

（2）針對首層存在側(cè)向剛度突變、承載力突變，首層考慮對薄弱層進行加強，地震作用標準值的剪力乘以增大系數(shù)1.3。保證首層具有足夠的側(cè)向剛度，該層層間位移角在設(shè)防烈度作用下介于1/2348~1/1829，在罕遇地震下彈塑性位移角介于1/661~1/418。框支柱控制豎向筋配筋率不小于1.2%；箍筋全高加密，體積配箍率不小于1.5%。

（3）控制厚板豎向撓度在準永久組合及中大震下滿足不大于1/500跨度；設(shè)計時按一級抗震等級的水平構(gòu)件放大地震內(nèi)力，復(fù)核轉(zhuǎn)換層在大震作用下的變形和應(yīng)力水平，驗證厚板、框支柱構(gòu)件的安全性，根據(jù)計算結(jié)果加強構(gòu)造措施，驗算厚板在托墻位置處局部承壓，保證大震下厚板轉(zhuǎn)換層有足夠的安全度。

（4）加強核心筒剪力墻周邊框架梁及連梁，提高核心筒的整體性。加厚核心筒周邊的樓板以及細腰連接處樓板厚度，樓板厚度150mm，采用局部彈性板包絡(luò)設(shè)計，并采用雙層雙向配筋增強樓板的抗剪承載力及延性，保證水平力能可靠傳遞，提高結(jié)構(gòu)整體性。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合大、中、小震的地震動計算分析結(jié)果，并采取相應(yīng)構(gòu)造設(shè)計，對結(jié)構(gòu)的重要部位、薄弱部位進行針對性地加強，可滿足設(shè)定的抗震性能目標。經(jīng)論證，該工程結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)，結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面取值合理，結(jié)構(gòu)位移符合規(guī)范要求，剪重比適中，結(jié)構(gòu)具有良好的耗能機制。針對超出規(guī)范限值的情況按規(guī)范要求做出相應(yīng)的補充分析和加強構(gòu)造處理，能滿足現(xiàn)行規(guī)范的“小震不壞，中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求。