某車輛段上蓋超限高層的結構設計分析

董威，呂潮

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

隨著經濟的飛速發展，要求土地資源集約利用，地鐵車輛段上進行物業開發利用已成為一種趨勢，從車輛段結構形式、車輛段上蓋建筑功能等方面闡述了帶上蓋物業開發的車輛段設計，并解決了相關設計問題。在保證滿足車輛段規模功能以及運營安全的基礎上最大化地兼容了車輛段上蓋物業開發的需求，車輛段上蓋物業開發的結構形式發展經歷了全剪力墻落地→部分框支剪力墻→全框支剪力墻的演變。為驗證全框支剪力墻結構在車輛段上蓋開發項目中的實用性，本文選取了廣州某車輛段上蓋開發的典型區域進行設計分析。

1 工程概況

本項目為粵港澳大灣區某城際車輛段同步實施工程。本車輛段為單層車輛基地，車輛基地蓋板上進行物業開發。車輛段首層為地鐵車輛停放區、檢修區，二層為上蓋物業車庫，二層頂部屋面為上蓋物業日景觀區域。本文主要介紹32#～36#樓，位于車輛基地檢修庫區。32#～36#為高層住宅，總高度84.4m，首層蓋板標高9.6m，二層蓋板標高15.1m，裙樓以上22 層，共24 層。圖1 為建筑平面布置，圖2 為轉換層結構布置。

圖1 建筑平面布置

圖2 轉換層結構布置

2 結構設計內容

本工程項目主體結構取50 年為設計工作年限，安全等級二級，結構重要性系數1.0。

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]（JGJ 3—2010）（簡稱《高規》），本工程項目位于白云區人和鎮，抗震設防烈度Ⅵ度，設計地震分組第一組，場地類別Ⅱ類，建筑抗震設防類別標準設防類（丙類）。根據《建筑結構荷載規范》[2]（GB 50009—2012），本工程項目基本風壓W0=0.50kN/m2（50 年重現期），體型系數1.4，地面粗糙度類別C 類。

結合車輛段使用功能的要求，上蓋建筑采用全框支剪力墻結構，轉換形式為厚板轉換。由框支框架承擔塔樓傾覆彎矩，由豎向構件（含框支柱、框架柱）承擔地震荷載與風荷載產生的水平剪力。蓋下垂軌向柱距為15.5m，順軌向柱距為9.9m，框支柱截面為2000mm×2400mm，框支柱混凝土強度C60。轉換厚板板厚度為2200mm，混凝土強度C55。剪力墻底部加強區域墻體厚為250～350mm，上部樓層墻厚度根據受力計算逐步調整至200mm，剪力墻混凝土強度等級C30～C60。

3 不規則項及性能設計目標

本工程主屋面高度84.4m＜120m，高度不超限。但存在6 項不規則項[3]：①扭轉不規則，偏心布置。②組合平面。③剛度突變及尺寸突變（多塔）。④樓板不連續。⑤承載力突變。⑥構件間斷（厚板轉換）。

針對以上超限情況，按照國標《高規》[2]的相關內容，本結構抗震性能目標為C，其中框支框架部分提升至B 級，不同地震水準下的結構抗震性能目標如表1所示。

表1 結構抗震性能目標

4 多遇地震作用下的設計分析

4.1 多遇地震作用下單塔與多塔彈性分析

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。經計算對比，兩種軟件的計算結果基本相當，各指標相差不超過10%（除風荷載下層間位移角最大位移角相差15.63%外）。在風荷載和地震作用下，樓層層間位移角均小于1/1000 滿足《高規》3.7.3 要求，本工程層間位移角由地震工況起控制作用。在偶然偏心地震荷載作用下，最大扭轉位移比大于1.2 小于1.5。

YJK 多塔（5 塔模型）計算結果與32#～36#樓單塔結果基本接近，結構未出現明顯不利反應。圖3 為多塔結構計算模型。

圖3 多塔結構計算模型

4.2 多遇地震作用下單塔彈性時程分析

采用彈性時程分析法進行下小震作用補充計算。選取7 組地震加速度時程曲線，各條波的小震時程分析與規范設計譜計算結果對比如表2 所示。

表2 時程曲線與CQC 法基底剪力對比

由表2 可知，各條時程曲線計算所得結果及多條時程曲線計算所得結果均滿足《建筑抗震設計規范》[4]要求。且轉換層以上樓層存在時程曲線計算所得結果大于反應譜法計算所得，采用反應譜法設計分析時對這些樓層的剪力進行放大。

5 設防地震作用下的設計分析

通過單塔模型和多塔模型分析，框支框架在中震下完全彈性。框支轉換厚板采用彈性板模擬，厚板中轉換梁采用殼單元進行模擬，進行中震彈性下的有限元分析，得到厚板大部分位置應力水平均較小，基本處于彈性狀態。對于裙樓樓板，除局部部位應力集中外，大部分樓板拉應力、剪應力均滿足混凝土抗拉強度設計值要求。對于上蓋塔樓首層樓板，除局部應力集中外，大部分樓板拉應力、剪應力均滿足混凝土抗拉強度設計值要求[5]。

由上述分析可知，為滿足中震彈性的性能要求，可通過控制樓板板厚及樓板最小配筋率，并在應力集中處依據設計分析結果加強配筋。

通過對單塔模型在設防地震（中震）作用下的驗算明確樁基抗水平力滿足要求，而且豎向構件未出現拉應力，樁基均保持受壓狀態。

基于設防地震（中震）作用下單塔模型和多塔模型的結構等效彈性分析可以得出框支框架、轉換暗梁、轉換厚板等能保證中震彈性，其他構件能保證相應性能水準要求。綜上所述本工程項目可以達到預定的中震性能目標。

6 罕遇地震作用下的設計分析

6.1 罕遇地震作用下彈塑性分析

采用PKPM-SAUSAGE 進行單塔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，通過計算分析可得大震彈塑性時程分析下的基底剪力及彈塑性層間位移角均滿足要求，且轉換構件基本處于彈性階段。

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一致，各構件損傷分析情況如下：框支框架柱均為輕微損壞，轉換厚板無損壞，兩項均滿足性能水準3 的要求；上部剪力墻及樓板大部分無損壞、部分輕微損壞，兩項均滿足性能水準4 的要求；框架梁與連梁大部分無損壞或輕微損壞，部分輕度、中度損壞，起到了很好的耗能作用。

綜上可得，本結構體系整體抗震性能良好，與預期性能目標吻合。

6.2 罕遇地震作用下單塔與多塔結構分析

通過單塔模型在罕遇地震（大震）作用下的驗算明確樁基抗水平力滿足要求，而且豎向構件未出現拉應力，樁基均保持受壓狀態。

采用單塔模型和多塔模型分別進行結構設計。并采取有限元軟件對轉換樓板進行應力分析，保證轉換厚板大震情況下保持抗剪彈性、抗彎不屈服的性能水準，從而得到轉換厚板最大應力均出現在局部應力集中部位，厚板大部分位置應力水平均較小，基本處于彈性狀態，通過控制厚板最小配筋率，并配置橫向箍筋，可滿足大震下的抗剪彈性、抗彎不屈服的性能要求。

轉換暗梁在大震目標組合作用下，通過適量配筋提高混凝土強度等級為C55，可滿足轉換暗梁受彎和受剪的驗算要求，進而可保證轉換暗梁在大震下保持抗剪彈性、抗彎不屈服。

7 結構構造加強措施

通過設計分析對結構重要部分、薄弱部位進行加強構造措施以滿足預設的抗震性能目標。

（1）增加結構底盤安全度，對框支框架（包括轉換厚板）性能目標加強為B 級。

（2）加厚核心筒周邊的樓板以及細腰連接處樓板厚度為150mm，雙層雙向配筋，提高結構整體性。

（3）框支柱控制豎向筋配筋率不小于1.2%，全高加密箍筋，體積配箍率大于等于1.5%。

（4）按單塔及多塔分別驗證滿足在小、中、大震作用下的性能目標，施工圖階段各構件按單塔及多塔包絡設計。

（5）針對首層除存在側向剛度突變、承載力突變，考慮薄弱樓層設計加強，將地震工況下的剪力設置1.3的增大系數。

8 結語

本文結合單塔及多塔結構模型下小中大震的地震作用設計分析結果，針對上述超限情況，從設計分析和抗震構造兩方面入手，對結構的薄弱環節、重要部位進行針對性加強。對于超出設計規范的部分按滿足現行規范標準要求，進行專項設計分析并采取加強措施后可滿足“小震不壞，中震可修、大震不倒”的抗震設防要求。