地鐵車輛段上蓋建筑高度提升探討

李 恒，劉維亞，黎少峰，李 明

（深圳千典建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司 深圳 518057）

1 研究背景

由于城市用地日趨緊張，地鐵車輛段上蓋建筑的綜合開發(fā)成為當(dāng)下熱點(diǎn)。早期開發(fā)多以小高層為主，開發(fā)強(qiáng)度偏低。本文以深圳地鐵某車輛段上蓋為研究對象，對地鐵車輛段上蓋建筑的可建高度及結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究和探索，為提升車輛段上蓋建筑高度提供技術(shù)支持。

2 車輛段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及研究重、難點(diǎn)

車輛段廠房主要由大、架修庫、運(yùn)用庫及咽喉區(qū)組成，均為單層框架結(jié)構(gòu)，典型柱網(wǎng)布置如圖1?所示。其中運(yùn)用庫柱網(wǎng)一般為6.0～9.0 m×（12.0～13.3）m，如圖1?所示，層高在9.0 m 以上；大、架修庫柱網(wǎng)一般為7.5 m×（18.6～21.0）m，如圖1?所示，層高在14.0 m 以上，廠房內(nèi)設(shè)有橋式起重機(jī)；咽喉區(qū)柱網(wǎng)不規(guī)則，層高同運(yùn)用庫，部分區(qū)域白地面積較大，如圖1?所示，有剪力墻落地條件。上蓋住宅和公寓大多需要采用剪力墻結(jié)構(gòu)，兩者主要矛盾是垂直車行方向柱距較大且沒有剪力墻落地條件，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)構(gòu)件間斷，剛度、承載力突變等不規(guī)則項(xiàng)目，成為超限高層建筑。采用合理結(jié)構(gòu)體系和抗震措施來保證結(jié)構(gòu)安全及使用要求是此類研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖1 車輛段典型柱網(wǎng)示意Fig.1 Typical Column Grids of Depot （mm）

針對車輛段上蓋建筑整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本研究主要思路為：①考慮在滿足限界［1］（包括車輛限界、設(shè)備限界和建筑限界等）要求的前提下，尋找可以增加底框抗側(cè)剛度的條件；②采用合理結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計(jì)方法，保證底框結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下具有適宜的承載能力；③在不能設(shè)置地下室的條件下，確定合理的基礎(chǔ)埋深。

為了便于研究，假定研究基本條件為：抗震設(shè)防烈度為7度（0.1g），場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35 s。

3 車輛段上蓋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

選取某住宅單元作為研究對象，令其柱網(wǎng)與車輛段柱網(wǎng)正交，結(jié)構(gòu)平面關(guān)系如圖2所示，圖2中填充墻體為上蓋住宅剪力墻。

圖2 住宅單元與車輛段柱網(wǎng)正交示意Fig.2 Orthogonal Vertical Members of Housing and Garage

3.1 通過柱端加腋提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度

運(yùn)用庫垂直車行方向缺少剪力墻落地條件，在對車輛段廠房限界條件研究后確定采用在垂直車行方向的框架柱端加腋，作為提高車輛段廠房首層抗側(cè)剛度的方法，框架柱端加腋如圖3所示。

圖3 柱端加腋示意Fig.3 Schematic of Column End Haunch （mm）

為驗(yàn)證框架柱端加腋對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響，分別選取加腋與不加腋模型，采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件YJK-A輔助分析，對相鄰樓層側(cè)向剛度比進(jìn)行對比研究。研究模型基本條件如表1所示。

表1 研究模型基本條件Tab.1 Basic Condition of Models

研究模型結(jié)構(gòu)三維簡圖如圖4 所示，重點(diǎn)研究柱端加腋方向相鄰樓層的側(cè)向剛度比值。樓層側(cè)向剛度計(jì)算采用樓層剪力與層間位移角之比計(jì)算［2］，結(jié)果如表2所示。

表2 模型樓層側(cè)向剛度對比Tab.2 Comparison of Lateral Stiffness of Models

圖4 研究模型結(jié)構(gòu)三維簡圖Fig.4 Three Dimensional Sketch of Models

對比模型1 和模型2：梁、柱采用桿單元建模時(shí)，加腋前后樓層側(cè)向剛度變化很小，說明盈建科桿系加腋模型對結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算模擬失真，計(jì)算結(jié)果不能真實(shí)反映框架柱加腋對樓層側(cè)向剛度的影響。

對比模型1 和模型3：對于不加腋的框架，實(shí)體單元模型計(jì)算的樓層側(cè)向剛度大于桿單元模型，樓層側(cè)向剛度比則小于桿單元模型。

對比模型4 和模型3：加腋模型的樓層側(cè)向剛度大于不加腋模型，證明框架柱端加腋可以有效地改善車輛段樓層的側(cè)向剛度。

3.2 全框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

“全框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)”與“部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)”相對，是一種轉(zhuǎn)換層及以下為框支框架及框架，沒有落地剪力墻的新型結(jié)構(gòu)體系，現(xiàn)已列入文獻(xiàn)［5］，采用抗震性能設(shè)計(jì)方法，確保提高上蓋高度后結(jié)構(gòu)整體安全。以3.1節(jié)中的模型1為例，確定各構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)［3］，如表3所示。

表3 全框支剪力墻結(jié)構(gòu)［5］抗震性能目標(biāo)Tab.3 Seismic Performance Target of Bottom-frame Support Shear-wall Structure

全框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)需重點(diǎn)解決以下問題：①多遇地震設(shè)計(jì)時(shí)的抗震措施；②抗剪承載力突變的應(yīng)對措施；③框支柱在設(shè)防烈度和預(yù)估罕遇地震作用下的抗剪承載力問題。

3.2.1 多遇地震設(shè)計(jì)時(shí)的主要抗震措施

對于全框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，框支框架是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件，抗震等級不應(yīng)低于文獻(xiàn)［4］中部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)框支框架的抗震等級。剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)的高度可從轉(zhuǎn)換層板頂算起，宜取轉(zhuǎn)換層以上2層，且不宜小于轉(zhuǎn)換房屋高度的1/10。性能設(shè)計(jì)證明此措施可保證上蓋結(jié)構(gòu)整體延性與部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)相當(dāng)。

3.2.2 抗剪承載力突變的應(yīng)對措施

研究模型存在首層和轉(zhuǎn)換層等兩個(gè)明顯的薄弱層，下部樓層的抗剪承載力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 樓層抗剪承載力驗(yàn)算Tab.4 Shear Capacity for Storey Checking

結(jié)果表明：只有首層的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%（＞65%）。

參照文獻(xiàn)［2］第5.5.4條關(guān)于結(jié)構(gòu)薄弱層（部位）的確定方法，對模型1進(jìn)行大震等效彈性計(jì)算，得到相應(yīng)的樓層剪力及屈服強(qiáng)度系數(shù)如表5所示。

表5 樓層剪力及屈服強(qiáng)度系數(shù)Tab.5 Shears and Yield Strength Coefficients of Storey

結(jié)果表明：通過小震計(jì)算時(shí)各種系數(shù)放大和加強(qiáng)措施，下部剛度突變位置樓層其屈服強(qiáng)度系數(shù)遠(yuǎn)大于上部樓層。遭受罕遇地震作用時(shí)，樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)相對較小的上部樓層更有可能先進(jìn)入塑性，符合強(qiáng)下部、弱上部的概念設(shè)計(jì)要求。文獻(xiàn)［2］規(guī)定的薄弱層判斷就是要找出相對薄弱樓層的位置，對這些部位地震力進(jìn)行放大、加強(qiáng)構(gòu)造措施等，保證其不至過于薄弱。

設(shè)計(jì)時(shí)建議結(jié)構(gòu)布置盡量滿足抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的65%［2］的要求。

3.2.3 框支柱在罕遇地震作用下的抗剪承載力問題

采用三維非線性結(jié)構(gòu)分析軟件PERFORM-3D 對模型1中框支柱分加型鋼和不加型鋼進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，主要計(jì)算結(jié)果匯總?cè)鐖D5所示。

圖5 罕遇地震作用下框支結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果Fig.5 Major Calculation Results of Frame-support Structure under Rare Earthquakes

結(jié)果表明：按照表3目標(biāo)設(shè)計(jì)的全框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換層上部剪力墻先于下部結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)；在框支柱增設(shè)型鋼以后，可以明顯提高框支柱的抗剪承載力；框支柱內(nèi)是否增設(shè)型鋼，對結(jié)構(gòu)整體延性影響不大。

4 層間隔震框支剪力墻結(jié)構(gòu)

相對于其它廠房，大、架修庫樓層抗側(cè)剛度更小，研究采用層間隔震性能化設(shè)計(jì)，上蓋、蓋下結(jié)構(gòu)平面關(guān)系如圖6所示，圖中填充墻體為上部住宅剪力墻。

圖6 住宅單元與大、架修庫柱網(wǎng)正交示意Fig.6 Orthogonal Vertical Members of Housing and Overhaul Garage

模型基本條件為：蓋下柱網(wǎng)18.6 m × 6.0 m；首層（大、架修庫）層高16.0 m；2 層（車庫）層高5.0 m；3 層（隔震層）層高2.8 m；4 層以上（住宅）層高3.0 m，總高度為80.8 m。模型簡圖如圖7所示。

圖7 隔震模型結(jié)構(gòu)三維簡圖Fig.7 Three Dimensional Sketch of Model

4.1 層間隔震框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

依據(jù)文獻(xiàn)［2］隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震、罕遇地震二水準(zhǔn)設(shè)計(jì)，確定各構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，如表6所示。

表6 隔震框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)Tab.6 Seismic Performance Target of Isolation for Bottom-frame Support Shear Wall

隔震框支剪力墻結(jié)構(gòu)需重點(diǎn)解決以下問題：①隔震層下部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度突變；②框支柱在罕遇地震作用下的抗剪承載力；③隔震層上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定。

4.2 隔震層下部結(jié)構(gòu)樓層剛度突變

隔震層以下的結(jié)構(gòu)（包括地下室和隔震塔樓下的底盤）中直接支承隔震層以上的相關(guān)構(gòu)件，應(yīng)滿足嵌固的剛度比要求［2］。這個(gè)要求對于隔震層位于基礎(chǔ)和地下室頂板時(shí)是比較容易滿足的，但對于本案則要求偏高。為此引入支承隔震層的剛性樓蓋概念，以解決底層和2層之間側(cè)向剛度突變問題。

采用三維結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件ETABS建模分析，在設(shè)防地震作用下各工況2 層層間位移角如表7 所示，均小于1/4 000，遠(yuǎn)小于不開洞填充墻框架開裂層間位移角1/2 500［2］。說明大、架修庫屋面與其上一層屋面之間的變形很小，近似剛體，故可以將大、架修庫屋面及其上一層形成的空腹桁架、混合空腹桁架作為立體桁架屋面進(jìn)行整體分析，從而解決了隔震層下部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度突變的問題。

表7 設(shè)防地震作用下隔震模型層間位移角Tab.7 Storey Drift under Precautionary Earthquake

4.3 框架柱在罕遇地震作用下的抗剪承載力問題

選取了5 條實(shí)際強(qiáng)震記錄和2 條人工模擬加速度時(shí)程，對隔震模型和非隔震模型進(jìn)行計(jì)算，得到隔震層上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)分別為0.521 和0.573，按文獻(xiàn)［2］，結(jié)構(gòu)的地震作用及抗震措施仍需按7 度（0.1g）執(zhí)行。雖然設(shè)計(jì)沒能使上部結(jié)構(gòu)的抗震措施降低，但是隔震后上蓋及蓋下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)均有所減弱，增加了結(jié)構(gòu)的延性儲備。

采用三維非線性結(jié)構(gòu)分析軟件PERFORM-3D 對層間隔震框支剪力墻模型進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。主要計(jì)算結(jié)果匯總?cè)鐖D8所示。

圖8 罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果Fig.8 Major of Calculation Results of Isolation Structure under Rare Earthquakes

結(jié)果表明，在罕遇地震作用下隔震層以下結(jié)構(gòu)層間位移角為1/619＜1/150；隔震層以上結(jié)構(gòu)層間位移角為1/297＜1/200；框支柱滿足抗剪彈性的性能目標(biāo)。隔震支座耗能占比超過80%以上，直接減小了由于剛度突變產(chǎn)生的地震作用放大效應(yīng)，減輕了地震中結(jié)構(gòu)損壞，提高了建筑的抗震能力。

4.4 隔震層上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定

由于橡膠隔震支座抗拉屈服強(qiáng)度較低，需要限制非地震作用水平荷載，本案風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平力標(biāo)準(zhǔn)值為3 893 kN，總重力為225 425 kN，風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平力不超過結(jié)構(gòu)總重力的10%；隔震層屈服力（5 452 kN）與風(fēng)荷載產(chǎn)生水平力的比值為1.40≥1.4；在罕遇地震作用下，隔震支座最大拉應(yīng)力為0.04 MPa＜1 MPa，滿足抗傾覆要求［2］。

5 車輛段基礎(chǔ)埋深的討論

由于車輛段一般不設(shè)置地下室，與常規(guī)高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相比，基礎(chǔ)埋深一般不能滿足文獻(xiàn)［2］的相關(guān)要求［6］，其抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性是車輛段上蓋高層建筑設(shè)計(jì)中的另一個(gè)熱點(diǎn)問題。

以咽喉區(qū)某住宅單元（高度170 m，高寬比約為5.2）為研究對象，對其在不同水準(zhǔn)地震作用下的抗傾覆能力進(jìn)行計(jì)算，基本模型如圖9 所示，計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 抗傾覆計(jì)算結(jié)果匯總Tab.8 Summary of Overturning-resist Calculation

圖9 咽喉區(qū)研究模型三維簡圖Fig.9 Three Dimensional Sketch of Throat Model

結(jié)果表明：①在各個(gè)工況下，結(jié)構(gòu)抗傾覆系數(shù)均大于1.6，說明對于大多數(shù)高層建筑，結(jié)構(gòu)抗傾覆能力具有足夠的安全儲備，基礎(chǔ)埋深一般不是控制高層建筑抗傾覆穩(wěn)定性的決定因素；②高寬比較大，底盤小的結(jié)構(gòu)在大震作用下基礎(chǔ)底面與地基之間易出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，說明適當(dāng)加大高層建筑的底盤，有利于提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性。對于車輛段上蓋設(shè)計(jì)來說，減少車輛段結(jié)構(gòu)分縫是提高穩(wěn)定性最有效的措施之一。

6 結(jié)論

通過對車輛段上蓋建筑設(shè)計(jì)中諸多豎向不規(guī)則問題的研究，提出了相應(yīng)地解決方案：

⑴在垂直車輛通行方向的框架柱端適當(dāng)加腋，可以改善車輛段廠房的抗側(cè)剛度。

⑵采用全框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，通過抗震性能設(shè)計(jì)，適當(dāng)提高框支框架的性能目標(biāo)，可以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)延性的不足，從而保證結(jié)構(gòu)整體安全。

⑶ 在大跨廠房結(jié)構(gòu)剛度突變的位置設(shè)置隔震層，可減小由于剛度突變產(chǎn)生的地震作用，從而實(shí)現(xiàn)上蓋建筑高度提升的目標(biāo)。

⑷在滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性的條件下，不需要刻意增加基礎(chǔ)埋深。