佛山南海環(huán)島車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 欣

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 400063)

佛山南海環(huán)島車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 欣

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 400063)

佛山南海環(huán)島車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)是復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu)。為保證結(jié)構(gòu)的抗震性能，采用基于抗震性能的設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合工程結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)和超限情況，提出了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施和關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)體系安全可行，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

地鐵車輛段；性能設(shè)計(jì)；超限設(shè)計(jì)

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1 工程概況

佛山南海環(huán)島車輛段是為佛山市南海區(qū)有軌電車提供檢修和保養(yǎng)服務(wù)的綜合維修基地。地上一層是檢修庫、運(yùn)用庫等生產(chǎn)用房，層高8.4m，地上二層是住宅的車庫，層高5.2m，地面三層為住宅的首層(即上蓋平臺)，上蓋之上共建有26棟12層的高層住宅?？偢叨?9.6m。上蓋平面尺寸為360m×320m，分為了19個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。每個(gè)結(jié)構(gòu)單元上均有1～2棟住宅。

本工程基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為0.8m和1.0m，有效樁長45m左右，持力層為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，單樁抗壓承載力特征值為5000kN。

2 結(jié)構(gòu)體系

本工程采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱距在5.0～9.0m之間，跨度在6.8m～12.6m之間；轉(zhuǎn)換層設(shè)在上蓋物業(yè)的首層，采用梁式轉(zhuǎn)換。主要構(gòu)件尺寸及混凝土強(qiáng)度等級見(表1)。

表1 主要構(gòu)件尺寸及混凝土強(qiáng)度等級

本工程各個(gè)分區(qū)的結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和思路基本一致，由于篇幅有限，本文重點(diǎn)對B1分區(qū)(圖1)檢修庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹。

圖1 B1分區(qū)結(jié)構(gòu)三維模型圖

3 工程特點(diǎn)結(jié)構(gòu)超限情況

B1區(qū)為車輛段的運(yùn)用庫，是車輛的停車檢修的作業(yè)區(qū)域，由于車輛限界的要求，工藝對庫區(qū)結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的布置及截面尺寸要求很嚴(yán)格。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[3]、《廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查實(shí)施細(xì)則》[4]的有關(guān)規(guī)定為多項(xiàng)不規(guī)則的復(fù)雜超限工程。B1區(qū)的主要超限情況如(表2)。

表2 超限情況表

根據(jù)(表2)可知：本工程存在多項(xiàng)不規(guī)則，由于住宅的大部分柱子不能落地，車輛段首層層高較高，首層相對較為薄弱，為了保證結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，我們采用了基于性能目標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)方法。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 建筑分類等級

本工程主要建筑分類等級如(表3)所示：

表3 建筑分類等級

4.2 風(fēng)荷載

由于荷載規(guī)范中佛山市無具體基本風(fēng)壓，參照廣州市基本風(fēng)壓0.50kN/m2, 基本風(fēng)壓重現(xiàn)期為50年，高度變化系數(shù)根據(jù)B類地面粗糙度采用，體型系數(shù)：1.3。

4.3 地震作用

本工程抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，抗震設(shè)防分類為丙類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，阻尼比取為0.05。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

5.1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，并參考相關(guān)規(guī)范，采用基于性能目標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)方法，制定本工程構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，具體詳見(表4)。

表4 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

5.2 結(jié)構(gòu)分析

5.2.1 多遇地震及風(fēng)荷載結(jié)果分析

本工程的嵌固端為基礎(chǔ)頂面，多遇地震及風(fēng)荷載兩種工況計(jì)算同時(shí)采用SATWE和ETABS兩種軟件進(jìn)行。B1區(qū)為大底盤+兩塔的結(jié)構(gòu)，由于數(shù)據(jù)較多，僅列出塔一的整體計(jì)算模型的結(jié)果。

從(表5)中可以看出：SATWE和ETABS的計(jì)算結(jié)果相近，這說明計(jì)算結(jié)果合理，有效，計(jì)算模型符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況；位移，位移比等均滿足規(guī)范限值的要求，構(gòu)件截面取值合理，結(jié)構(gòu)體系選擇適當(dāng)。

表5 整體計(jì)算結(jié)果

5.2.2 設(shè)防烈度地震(中震)及罕遇地震下靜力彈塑性分析

針對B1區(qū)模型進(jìn)行了X方向和Y方向非線性推覆分析，推覆使用的荷載模式為模態(tài)加載的方式，根據(jù)結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，選取有代表性的單塔作為推覆的主體，在該塔頂層設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行推覆分析，通過提取基地剪力和頂點(diǎn)位移的關(guān)系，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為譜加速度和譜位移的關(guān)系得到對應(yīng)的能力譜曲線，最后將罕遇地震作用和設(shè)防烈度地震作用所對應(yīng)的需求譜族，通過疊加后最終確定性能點(diǎn)，并對性能點(diǎn)出結(jié)構(gòu)的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行輸出進(jìn)行最終的性能評估。

(1)基底剪力推覆結(jié)果

通過對B1區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行Pushover分析后分別得到X方向和Y方向的基地剪力和頂點(diǎn)位移的關(guān)系曲線見(圖2)和(圖3)所示，其中X方向推覆工況監(jiān)測點(diǎn)最大推覆位移為416mm，Y方向推覆工況監(jiān)測點(diǎn)最大推覆位移為551mm。

水平方向：頂點(diǎn)位移/mm；豎直方向：基底剪力/kN

水平方向：頂點(diǎn)位移/mm；豎直方向：基底剪力/kN

(2)設(shè)防烈度地震結(jié)果(中震)

圖4 設(shè)防烈度地震下X方向推覆工況對應(yīng)的性能點(diǎn)

圖5 設(shè)防烈度地震下Y方向推覆工況對應(yīng)的性能點(diǎn)

水平方向：層間位移角/無量綱；豎直方向：樓層編號/無量綱

水平方向：層間位移角/無量綱；豎直方向：樓層編號/無量綱

水平方向：層剪力/kN；豎直方向：樓層編號/無量綱

水平方向：層剪力/kN；豎直方向：樓層編號/無量綱

圖10 設(shè)防烈度地震作用X方向塑性鉸分布圖

圖11 設(shè)防烈度地震作用Y方向塑性鉸分布圖

通過(圖4)～(圖11)可以得到以下結(jié)論：

①設(shè)防烈度地震作用下兩個(gè)方向的性能點(diǎn)均位于直線段和曲線段的交叉位置，說明結(jié)構(gòu)基本維持彈性，少量構(gòu)件進(jìn)入塑性，塑性構(gòu)件仍有足夠剛度，承載力沒有明顯變化。

②兩個(gè)方向的層間位移角最大值均大于彈性層間位移角限制，遠(yuǎn)小于塑性層間位移角限值，表明結(jié)構(gòu)有足夠剛度。

③層剪力表明層剛度沒有明顯變化。

④結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的地震作用下，塑性鉸主要分布在塔的底部3層范圍內(nèi)，塑性構(gòu)件均為梁，柱子未進(jìn)入塑性，發(fā)生塑性構(gòu)件數(shù)量較少，塑性構(gòu)件塑性沒有明顯的發(fā)展，滿足性能設(shè)計(jì)要求。

(3)罕遇地震結(jié)果

圖12 罕遇地震下X方向推覆工況對應(yīng)的性能點(diǎn)

圖13 罕遇地震下Y方向推覆工況對應(yīng)的性能點(diǎn)

水平方向：層間位移角/無量綱；豎直方向：樓層編號/無量綱

水平方向：層間位移角/無量綱；豎直方向：樓層編號/無量綱

水平方向：層剪力/kN；豎直方向：樓層編號/無量綱

水平方向：層剪力/kN；豎直方向：樓層編號/無量綱

圖18 罕遇地震作用X方向塑性鉸分布圖

圖19 罕遇地震作用Y方向塑性鉸分布圖

從(圖12)～(圖19)可以得到以下結(jié)論：

①罕遇地震作用下兩個(gè)方向的性能點(diǎn)位于曲線位置，表明結(jié)構(gòu)較多構(gòu)件進(jìn)入塑性，層剛度因構(gòu)件塑性有一定的折減，塑性構(gòu)件仍有足夠的剛度，變形能力儲備充足，在性能點(diǎn)后結(jié)構(gòu)仍有較大的變形能力。

②兩個(gè)方向的層間位移角最大值小于塑性層間位移角限值1/50，表明結(jié)構(gòu)有足夠剛度，除底部大地盤外，結(jié)構(gòu)層間位移角分布連續(xù)無明顯突變。

③結(jié)構(gòu)層間位移角分布連續(xù)無明顯突變。層剪力表明層剛度沒有明顯變化。

④結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的地震作用下，塑性鉸較多遇地震工況下增多，塑性構(gòu)件均為梁，塔底部柱子少量進(jìn)入塑性，塑性構(gòu)件塑性沒有明顯的發(fā)展，滿足性能設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

(1)框架柱是本結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力及豎向承載構(gòu)件，設(shè)計(jì)中通過適當(dāng)提高框架柱的豎向鋼筋配筋率及箍筋的體積配箍率和提高混凝土強(qiáng)度等級等措施，將首層柱的軸壓比控制在0.60以下，提高了框架柱的延性。同時(shí)，針對住宅大部分柱子不能落地，轉(zhuǎn)換率偏高的情況，為了提高轉(zhuǎn)換層的抗震性能，將轉(zhuǎn)換層上下一層的抗震等級提高至一級。

(2)本工程轉(zhuǎn)換梁、框支柱等重要構(gòu)件在中震不屈服配筋的基礎(chǔ)上，框支柱豎向鋼筋配筋率提高至2.0%，，轉(zhuǎn)換梁配筋率提高至1.5%，以提高大震下的抗震承載力。

(3)針對抗側(cè)剛度不規(guī)則和樓層抗剪承載力突變，設(shè)計(jì)中將軟弱層和薄弱層的地震剪力乘以1.25的放大系數(shù)；并將首層框架柱的豎向鋼筋配筋率提高至1.5%。

(5)對于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，在設(shè)計(jì)中采用加大周邊梁、柱構(gòu)件的尺寸，將整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比控制在1.4以下。

7 結(jié)論

本工程存在多項(xiàng)超限情況，在設(shè)計(jì)中采用概念設(shè)計(jì)和抗震性能化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)抗震原則及建筑特點(diǎn)，對整體結(jié)構(gòu)的體系和布置進(jìn)行了詳細(xì)優(yōu)化，使之具有良好的結(jié)構(gòu)抗震性能。設(shè)計(jì)采用多種計(jì)算程序進(jìn)行了彈性和彈塑性計(jì)算，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范的相關(guān)要求。同時(shí)對轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱等關(guān)鍵構(gòu)件采取了更為嚴(yán)格的抗震性能要求，保證結(jié)構(gòu)的整體抗震延性。

綜上所述，本結(jié)構(gòu)除能滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，滿足抗震性能目標(biāo)的要求。

本工程已于2014年10月通過廣東省超限高層抗震專項(xiàng)審查，目前已開始施工。

[1]JGJ-3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB50010-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]建質(zhì)[2010]109號.超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn).

[4]粵建市函[2011]580號.廣東審超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查實(shí)施細(xì)則.

Structure design of Foshan Nanhai Metro Huandao depot superstructure

LIUXin

(China Railway SiYuan Survey And Design CO.LTD, Wuhan, 400063)

Foshan Nanhai Metro Huandao depot is an out of codes high-rise structure. In order to ensure the seismic performance of the structure, performance-based design was used, At the same time combining with the characteristics of engineering structural system and out-of-codes situation, puts forward the structure strengthening measures and key parts structure component seismic performance goals. The results show that the structure of the system is safe and feasible, can provide a reference for similar engineering design.

Metro depot; Performance-based design; Out-of-codes design

劉欣(1979- )，男，工程師。

2015-03-11

TU3

A

1004-6135(2015)04-0053-06