地鐵車輛段上蓋多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

耿 真，徐 希，李艷春，趙群昌

（1.深圳地鐵建設(shè)集團有限公司，廣東深圳 518026；2.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東深圳 518026）

1 引言

近年來，深圳地鐵發(fā)展迅猛，在給人們帶來便利的同時，其基地也占用了大量的城市建設(shè)用地，而深圳又是一個寸土寸金的城市，對車輛基地進行上蓋開發(fā)以提高其土地資源利用率已成為解決這一問題的重要舉措。地鐵車輛段上蓋結(jié)構(gòu)主要存在以下特點：

（1）蓋下結(jié)構(gòu)一般為純框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)跨度較大、層高較高，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較小；

（2）上部一般采用框架結(jié)構(gòu)或少墻框架結(jié)構(gòu)，上下柱網(wǎng)需在蓋板層進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換；

（3）整體結(jié)構(gòu)是以車輛段蓋板為底盤的多塔結(jié)構(gòu)，在水平地震作用下，多塔的不對稱性將引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)振動；

（4）大平臺塔樓間的樓板超長，樓板設(shè)計時需考慮溫度及地震作用的影響。

與塔樓連為整體的裙房對塔樓的影響范圍一般分布在靠近塔樓的幾跨，JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《高規(guī)》）中對塔樓相關(guān)范圍內(nèi)裙房結(jié)構(gòu)的抗震等級有明確規(guī)定，條文說明中對“相關(guān)范圍”的解釋一般指主樓周邊外延不少于 3 跨的裙房結(jié)構(gòu)。多塔結(jié)構(gòu)振動形態(tài)復(fù)雜，大底盤結(jié)構(gòu)對塔樓抗震性能的影響規(guī)律不易被掌握，甚至有時很難判斷帶大底盤與多塔整體模型計算的合理性?！陡咭?guī)》規(guī)定：對多塔結(jié)構(gòu)宜采用整體模型與各分塔模型的方式分別計算，并采用較不利的結(jié)果進行結(jié)構(gòu)設(shè)計；當(dāng)裙房超過 2 跨時，分塔模型宜至少附帶 2 跨裙樓結(jié)構(gòu)進行計算。

本文通過實例及一系列計算模型，對車輛段上蓋大底盤多塔結(jié)構(gòu)的樓層地震剪力、大蓋板溫度應(yīng)力進行分析，研究工程設(shè)計中可行的設(shè)計方法。

2 模型建立

以深圳某地鐵車輛段為例，其基地平臺由伸縮縫分割為 7 個結(jié)構(gòu)單元，分別如圖1和圖2所示。設(shè)縫間距為150 m，每個結(jié)構(gòu)單元設(shè)有塔樓4～6 棟，形成典型的大底盤多塔結(jié)構(gòu)。工程由布置在運用庫平臺上的小高層和檢修庫上的花園洋房組成。蓋下柱網(wǎng)尺寸均為12.2 m×5.9 m，柱截面為1.2 m×1.4 m。

小高層區(qū)1層為運用庫，層高為9.0 m；2層為物業(yè)車庫層，層高為6.5 m；上部小高層為少墻框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總高度為48.0 m；標(biāo)準(zhǔn)層層高為2.9 m；無地下室，結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)在基礎(chǔ)頂。結(jié)構(gòu)立面圖如圖3所示。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在2層頂部，轉(zhuǎn)換梁尺寸為1.2 m×2.0 m和0.90 m×1.5 m。

圖1 某車輛段效果圖

圖2 平面分縫示意圖

花園洋房區(qū)1層為檢修庫，結(jié)構(gòu)層高為13.0 m；上部為花園洋房區(qū)，7層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總高度為38.45 m。檢修庫蓋板以上部分框架柱采用梁式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換構(gòu)件尺寸與小高層區(qū)的一致。

為準(zhǔn)確分析大底盤樓板應(yīng)力及樓層剪力受塔樓位置的影響，建立的小高層區(qū)多塔整體模型如圖4a所示。同時，為研究多塔結(jié)構(gòu)相對單塔結(jié)構(gòu)與裙樓蓋板的影響，建立含不對稱裙房的單塔結(jié)構(gòu)模型和含最少量裙樓的單塔結(jié)構(gòu)模型進行對比分析，模型分別如圖4b和圖4c所示。

圖3 結(jié)構(gòu)立面圖

圖4 小高層區(qū)域模型圖

建立的花園洋房區(qū)整體模型如圖5a所示，同時建立含相關(guān)范圍的單塔結(jié)構(gòu)、相關(guān)范圍對稱的單塔結(jié)構(gòu)及不含裙房的單塔結(jié)構(gòu)進行對比分析，模型分別如圖5b～圖5d所示。

3 各塔樓模型樓層剪力及配筋對比

本文采用YJK和ETABS軟件進行對比分析?？紤]到樓板平面剛度的影響，轉(zhuǎn)換層樓板采用彈性板單元，塔樓以上部分采用剛性樓板。

3.1 小高層區(qū)

以A塔為例，對比分析裙樓以上各樓層的剪力結(jié)果，如圖6所示。由圖可見，模型1與模型2各塔樓的地震剪力相差不大，均大于模型3的計算結(jié)果，其余塔樓分析結(jié)果相似。含大底盤的多塔整體結(jié)構(gòu)對含相關(guān)范圍的單塔結(jié)構(gòu)的樓層剪力計算影響不明顯，這是由于模型中上部塔樓的分塔質(zhì)心與下部大底盤質(zhì)心較近，塔樓偏置引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯。

圖5 花園洋房區(qū)域模型圖

圖6 A塔樓裙房以上樓層不同模型間的地震剪力對比

各塔樓轉(zhuǎn)換層上一層（即3層）樓層的剪力如表1所示，由表可知，多塔模型（模型1）較單塔模型（模型2、模型3）大，地震剪力放大系數(shù)在10%以內(nèi)，多塔對結(jié)構(gòu)地震剪力影響不明顯。

A塔轉(zhuǎn)換層樓層配筋對比如圖 7 所示，藍(lán)色標(biāo)注表示單塔模型的配筋值大于多塔模型部分，綠色標(biāo)注表示多塔模型的配筋值大于單塔模型部分，其余未顯示部分表示單/多塔實際計算配筋相等。由圖可知，轉(zhuǎn)換層大部分部位維持單塔的配筋結(jié)果。

A塔轉(zhuǎn)換層上一層（3層）樓層配筋對比如圖8所示，藍(lán)色標(biāo)注表示單塔模型的配筋值大于多塔模型部分，其余未顯示部分代表單/多塔模型實際計算配筋相等。通過分析可知，轉(zhuǎn)換層以上各層梁可按照單塔模型計算結(jié)果配置鋼筋，個別位置采用多塔模型進行復(fù)核。

3.2 花園洋房區(qū)

以A塔為例，A塔裙房以上樓層不同模型間的地震剪力對比如圖9所示。由圖可知，不含裙房的計算模型（模型4）在地震作用下樓層剪力最??；單塔帶裙房計算模型（模型2）的地震樓層剪力較多塔計算模型（模型 1）的樓層剪力大；在X方向地震作用下，各模型的樓層剪力值相差較小，在Y方向地震作用下，裙房對稱的單塔模型的樓層剪力最大，各模型樓層剪力值分布較為分散，在Y方向地震作用下多塔對結(jié)構(gòu)的影響較為明顯。

表 1 各塔樓轉(zhuǎn)換層上一層(3層)剪力匯總（小高層區(qū)） kN

圖7 A塔轉(zhuǎn)換層配筋對比

圖8 A塔轉(zhuǎn)換層上一層配筋對比

圖9 A塔裙房以上樓層不同模型間的地震剪力對比

通過對比各塔樓轉(zhuǎn)換層上一層（即2層）樓層剪力可知，含對稱裙房的計算模型（模型3）在X方向的剪力小于模型2，在Y方向的剪力大于模型2，如表2所示。可見因多塔結(jié)構(gòu)布置不對稱性造成的扭轉(zhuǎn)對樓層剪力具有明顯影響，設(shè)計中應(yīng)按塔樓及底盤±5%的偶然偏心進行計算。同時，因底盤扭轉(zhuǎn)剛度發(fā)生突變，應(yīng)適當(dāng)對大底盤上一層的豎向構(gòu)件提高抗扭應(yīng)對措施。

表 2 各塔樓轉(zhuǎn)換層上一層（2層）樓層剪力匯總（花園洋房區(qū)） kN

A塔轉(zhuǎn)換層上一層（2層）樓層配筋對比如圖10所示，藍(lán)色標(biāo)注表示單塔模型的配筋值大于多塔模型部分，綠色標(biāo)注表示多塔模型的配筋值大于單塔模型部分，其余未顯示部分表示單/多塔實際計算配筋相等。從圖中可知，多塔模型配筋設(shè)計結(jié)果僅在局部位置大于單塔設(shè)計結(jié)果，配筋應(yīng)以單塔模型的計算結(jié)果為主，采用多塔模型結(jié)果進行復(fù)核。

4 大底盤多塔結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

由于車輛段上蓋大底盤的結(jié)構(gòu)長度較大，不同區(qū)域的非荷載作用（如溫差和收縮）引起結(jié)構(gòu)樓板及構(gòu)件的內(nèi)力變化不可忽視。通常預(yù)先設(shè)定的施工區(qū)域?qū)⒋蟮妆P分成若干塊，每塊設(shè)置的后澆帶將塔樓區(qū)域在合攏前分割成幾個單體，可不考慮非荷載作用的影響，但在后澆帶合攏后，混凝土隨時間的收縮并未完成，因此后澆帶合攏后的樓板應(yīng)力值得關(guān)注。

假定后澆帶合攏時間為2個月后，即60天后，參考文獻[9]中相關(guān)計算方法，確定混凝土的最大收縮量并加以修正。任意時間的混凝土收縮量按下式計算：

式（1）中，t為時間，以天為單位；ε（t）為任意時間的收縮應(yīng)變；ε（∞） 為考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)因素影響下的混凝土最終收縮應(yīng)變，可根據(jù)下式計算：

式（2）中，ε0（∞）為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土的最終收縮應(yīng)變，對于任何標(biāo)號的混凝土該值均為固定值3.24×10-4；Mn為考慮水泥品種、水泥細(xì)度、骨料、水灰比等參數(shù)的修正系數(shù)。

圖10 A塔轉(zhuǎn)換層上一層樓層配筋對比

結(jié)合本工程實際參數(shù)的影響，ε（∞） = 3.17×10-4。

由以上信息可以計算出結(jié)構(gòu)各部分的收縮應(yīng)變，并將該收縮應(yīng)變通過混凝土的線膨脹系數(shù)換算成溫差曲線，如圖11所示。

圖11 混凝土收縮當(dāng)量溫差隨時間的變化曲線

非荷載作用影響下的結(jié)構(gòu)整體收縮應(yīng)變ε應(yīng)扣除后澆帶未合攏之前的混凝土收縮應(yīng)變ε（60），即

則整體收縮效應(yīng)當(dāng)量溫差ΔT為：

式（4）中，α為混凝土線膨脹系數(shù)，取1.0×10-5。

非荷載作用的影響除考慮整體收縮效應(yīng)當(dāng)量溫差外，還應(yīng)考慮季節(jié)溫差和混凝土的徐變應(yīng)力松弛特性，根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表E.5，深圳地區(qū)的基本氣溫Tmax= 35 ℃、Tmin= 8 ℃，假定結(jié)構(gòu)平均溫度Tsmin與基本氣溫相同，即Tsmin=Tmin=8 ℃，同時，控制后澆帶的混凝土合攏溫度為22 ℃，則相當(dāng)于對平均氣溫而言，降溫最大溫差為14 ℃?；炷列熳儜?yīng)力松弛系數(shù)取0.30。

以花園洋房區(qū)為例，對結(jié)構(gòu)整體模型進行溫度效應(yīng)分析，轉(zhuǎn)換層溫度應(yīng)力云圖如圖12所示。在最大降溫作用下，X方向的平均拉應(yīng)力約為0.7 MPa，塔樓邊界位置局部應(yīng)力為1.4 MPa；Y方向的平均拉應(yīng)力約為0.4 MPa，塔樓邊界位置局部應(yīng)力為1.1 MPa。

5 結(jié)論

通過對深圳某車輛段大底盤上蓋多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計分析對比，可得出如下結(jié)論：

（1）地鐵車輛段上蓋結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜，塔樓的結(jié)構(gòu)形式、高度變化多樣，除進行常規(guī)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)分析外，水平地震作用下扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)帶來的不利影響不容忽視；

（2）轉(zhuǎn)換層大部分部位的配筋值維持單塔的計算結(jié)果，單塔模型樓面梁的配筋值計算結(jié)果大于多塔模型的計算結(jié)果，注意結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計應(yīng)以單塔計算為主，并采用多塔計算結(jié)果進行復(fù)核；

（3）大底盤多塔結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力不可忽略，在塔樓邊界位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中，需要采取樓板加厚、雙層雙向配筋，以及配置全截面受拉鋼筋等措施進行加強。

圖12 轉(zhuǎn)換層溫度應(yīng)力云圖