某特別不規(guī)則地鐵上蓋TOD項目的結(jié)構(gòu)分析設計*

厲見芬 王相智 周一一

(1常州工學院土木建筑工程學院, 江蘇常州 213032； 2.江蘇浩森建筑設計有限公司， 江蘇常州 213022)

0 引 言

在當前軌道交通大力發(fā)展的背景下，TOD(公交導向的開發(fā)行為) 作為一種以公共交通為導向的城市規(guī)劃技術(shù)手段，提倡緊湊、混合用地布局和公共空間[1-2]，為中國城市、特別是大城市的結(jié)構(gòu)布局以及土地利用模式的調(diào)整提供了新的視角，已逐漸成為國際上具有代表性的城市社區(qū)開發(fā)模式。

以城市軌道交通站點為中心構(gòu)建的TOD社區(qū)結(jié)構(gòu)不可一概而論，應當先對站點進行分類，再做具體分析[3-4]，目前主要有3種TOD綜合體模式，包括站城一體式、立體超級交通樞紐式和地鐵軌道上蓋式，其中地鐵軌道上蓋TOD綜合體模式在克服結(jié)構(gòu)、消防、抗震等難題后，可推動當?shù)厣倘Ξa(chǎn)業(yè)、商業(yè)創(chuàng)新升級，更讓低效的軌道交通停車空間煥發(fā)出新的商業(yè)活力，真正體現(xiàn)TOD綜合體的經(jīng)濟效應和社會效應。

1 工程概況

本項目位于江蘇省無錫市新吳區(qū)，南側(cè)為永樂東路，東側(cè)為機場路(城市主干道)，北側(cè)及西側(cè)為江海新村現(xiàn)狀住宅，使用功能為社區(qū)配套商業(yè)，是圍繞1棟高層商辦主樓的裙房，該商辦裙房地下1層為商業(yè)內(nèi)街，與在建的地鐵2號線永東路站無縫連接，并通過樓梯、電梯與地上部分直接連接，商辦裙房地下室南側(cè)為規(guī)劃中的地鐵6號線，總平面布置如圖1所示。該商辦裙房和主樓之間設縫斷開，為獨立的結(jié)構(gòu)單元，采用鋼筋混凝土少墻框架結(jié)構(gòu)體系，地上共3層，但每層平面均不規(guī)則，各層結(jié)構(gòu)布置如圖2所示，且該商辦裙房的地上局部區(qū)域處于地鐵2號線永樂東路站的地面限建區(qū)內(nèi)，導致其部分新建地面結(jié)構(gòu)不能直接落至地鐵軌道結(jié)構(gòu)頂蓋，典型剖面如圖3所示，屬于地鐵軌道上蓋TOD綜合體模式。

圖1 總平面Fig.1 General plan

a—地下室； b—一層； c—二層； d—三層。圖2 各層結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Structural layout of each floor

圖3 建筑局部剖面Fig.3 Partial section of the building

2 地鐵振動對房屋的影響分析

地鐵振動產(chǎn)生的主要因素是列車的重力加載作用和軌道的隨機不平順以及各種缺陷所引起的輪軌接觸力的動態(tài)沖擊作用[5]，振動產(chǎn)生的噪聲對周圍建筑物和居民有很大的影響。浮置板道床結(jié)構(gòu)按照板下阻尼器原件可分為橡膠支撐浮置板和鋼彈簧支撐浮置板兩種，而鋼彈簧支撐浮置板軌道能有效降低地鐵列車振動響應，是目前隔震效果較好的措施之一，隔震量可達25～40 dB，其自振頻率可降低至約5～7 Hz[6]，相對于其他減震措施，在較低頻段減震方面具有非常明顯的優(yōu)勢，故在城市地鐵減震中應用較廣。

本TOD項目采用的是帶少墻的框架結(jié)構(gòu)體系，而在框架結(jié)構(gòu)中，低頻振動是對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的主要能量來源[7]，經(jīng)綜合分析比較，采用內(nèi)置式高檔鋼彈簧浮置道床板，將預制混凝土道床板浮置在高檔鋼彈簧隔振器上，構(gòu)成質(zhì)量-彈簧-隔震系統(tǒng)，使混凝土道床板的結(jié)構(gòu)固有頻率避開地鐵運行時的激振頻率，并使其低階豎向固有頻率遠低于1.4倍激振頻率[6]，可取得較好的隔震效果，有效降低地鐵振動對房屋的影響。

圖3所示的2號線永東站的地鐵軌道豎向距離該商辦裙房的室外地坪約16.0 m，距其地下室底板面約10.0 m，埋深較深；軌道外側(cè)離其地下室外墻外側(cè)約3.0 m，且處于結(jié)構(gòu)的同側(cè)，而不是穿越結(jié)構(gòu)，水平距離較遠；原地鐵通道結(jié)構(gòu)外側(cè)有地連墻與其地下室外墻隔開，并且中間設100 mm寬的縫(內(nèi)設擠塑板(XPS板))，即新建商辦裙房的地下室與地鐵通道結(jié)構(gòu)脫開澆筑。

考慮到地鐵車站的預留設計活荷載為20 kPa，而新建商辦裙房的單根框架柱軸力約 2 500 kN，超出原設計限值。為避免框架柱荷載直接作用于地鐵車站的通道頂板上方，新建商辦裙房局部采用托換方案，整體與地鐵通道結(jié)構(gòu)脫開，避免相互影響。

新建商辦裙房西北側(cè)的2號線永東站點為換乘站，地鐵行駛速度較慢，且裙房使用業(yè)態(tài)為商業(yè)，對地鐵的噪聲敏感度較低。其地下室南側(cè)僅局部角部落于規(guī)劃中的地鐵6號線通道結(jié)構(gòu)上方(圖1)，范圍較小。綜上，地鐵振動對本商辦裙房的影響可不考慮。

3 結(jié)構(gòu)方案與計算分析

3.1 結(jié)構(gòu)方案與計算處理措施

考慮到商業(yè)建筑的大空間使用要求，本TOD項目采用鋼筋混凝土少墻框架結(jié)構(gòu)體系(僅在3個關(guān)鍵位置增設3片剪力墻，如圖2d所示)，抗震設防類別為標準設防類，框架抗震等級為三級，各層結(jié)構(gòu)布置如圖2所示，可以看出，結(jié)構(gòu)平面存在多處凹凸，計算時考慮5%的偶然偏心地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，并采取以下處理措施：

1)考慮到平面多處凹凸不規(guī)則以及有大開洞等薄弱區(qū)域，樓板采用考慮面內(nèi)剛度的彈性膜單元模擬，實際考慮板的面內(nèi)剛度；

2)針對長懸挑梁托換區(qū)域補充豎向地震計算，并采用一次性加載和模擬施工荷載3兩種加載方式進行計算包絡，同時進行此區(qū)域樓蓋的舒適度驗算；

3)對整體結(jié)構(gòu)采用純框架結(jié)構(gòu)體系和少墻框架結(jié)構(gòu)體系兩種計算模式進行構(gòu)件的配筋包絡設計；

4)地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，結(jié)構(gòu)地上一層與相關(guān)范圍內(nèi)地下一層的側(cè)向剛度比、板厚、配筋率等需滿足GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(簡稱《抗規(guī)》[8])第6.1.14條的相關(guān)要求。

3.2 計算結(jié)果與不規(guī)則情況判別

依據(jù)文獻[9]對規(guī)范[8]的理解，按照底層框架部分承擔的地震傾覆力矩占總傾覆力矩的比例可將少墻框架結(jié)構(gòu)分為兩種：1)剪力墻較少的框架結(jié)構(gòu)(占比50%～80%)；2)剪力墻很少的框架結(jié)構(gòu)(占比80%以上)。本TOD項目結(jié)構(gòu)底層框架部分承擔的地震傾覆力矩占比為78.5%(X向)、75.2%(Y向)屬于第1種按文獻[9]的設計建議，對框架部分采用包絡設計，即按純框架結(jié)構(gòu)(不計入剪力墻)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)分別計算構(gòu)件縱筋面積，取兩者中較大值作為框架結(jié)構(gòu)的設計配筋，框架和剪力墻的抗震等級分別為三級和四級。

本TOD項目采用剪力墻較少的少墻框架結(jié)構(gòu)體系后，結(jié)構(gòu)整體剛度有較大增加，側(cè)移減少，水平地震作用下的結(jié)構(gòu)最大彈性層間位移角為1/1 209，遠遠小于《抗規(guī)》[8]規(guī)定的限值(1/550)要求；結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應得以明顯改善，結(jié)構(gòu)第1、2階振型均為平動振型(T1=0.650 8 s，T2=0.580 1 s)，第3階振型(T3=0.557 0 s)才是扭轉(zhuǎn)振型，且扭轉(zhuǎn)振型與平動振型的周期比為0.85，小于《抗規(guī)》要求的0.90限值要求；偶然偏心下的最大層間位移比為1.27，大于1.2但小于1.5，亦滿足《抗規(guī)》要求。

根據(jù)《抗規(guī)》3.4.3條的規(guī)定進行比較分析，本TOD項目主要不規(guī)則(包括平面和豎向)內(nèi)容如表1、表2所示。

表1 平面不規(guī)則的主要類型Table 1 Main types of plane irregularity

表2 豎向不規(guī)則的主要類型Table 2 Main types of vertical irregularity

綜上，本TOD項目存在3項平面不規(guī)則，1項豎向不規(guī)則，按照《抗規(guī)》3.4.1條文說明，屬于特別不規(guī)則的多層結(jié)構(gòu)，應進行專門研究和論證，設計需要采取有效的加強措施。

4 設計加強措施

4.1 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的處理

扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的處理有以下3種方式：1)結(jié)構(gòu)計算計入扭轉(zhuǎn)影響；2)構(gòu)件設計采用雙向地震作用；3)在結(jié)構(gòu)布置中設置少量剪力墻，改善結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，設計采用純框架和少墻框架包絡配筋。

考慮結(jié)構(gòu)不同部位構(gòu)件的重要性，并參考類似工程的設計經(jīng)驗，全樓采用多遇地震彈性設計，僅對關(guān)鍵構(gòu)件(圖2b所示的躍層柱)和水平長懸臂結(jié)構(gòu)(圖2a)采用抗震性能化設計，采用D級抗震性能目標，在多遇地震、設防地震、罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件應分別達到1、4、5級抗震性能水準。抗震性能目標和性能水準分類詳見JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(簡稱《高規(guī)》)[10]第3.11.1～3條的要求。

4.2 樓板不連續(xù)、開大洞及凹凸不規(guī)則的處理

對于每個結(jié)構(gòu)標準層的凹角位置以及易出現(xiàn)應力集中的位置，洞口周邊樓板采用彈性板輸入方式計算。計算結(jié)果顯示，樓板洞口周邊區(qū)域和平面凹角的面內(nèi)正應力、剪應力均較大，且局部出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。多遇地震工況下二層樓板在X向地震下的主應力云圖如圖4所示，局部最大拉應力為1 165.7 kPa，小于C30混凝土的抗拉強度設計值，滿足彈性要求。施工圖設計階段，考慮到洞口周邊及凹角位置均為抗震不利部位，板厚加厚至140 mm，樓板配筋按雙層雙向配置，配筋率提高到0.25%，同時對凹角位置的框架梁柱配筋適當加強。

圖4 多遇地震工況下二層樓板內(nèi)X向的主應力云圖 kPaFig.4 Nephogram of the principal stress of second floor under X-direction seismic condition

4.3 躍層柱的處理

在圖2b所示的結(jié)構(gòu)平面左上角和右下角，因建筑功能要求，局部無梁板，因此左上角形成3根、右下角形成2根躍層柱。躍層柱高10.5 m，考慮到5根躍層柱位于房屋的角部，受力較為復雜，設計時采取如下加強措施：1)計算時抗震等級從三級提高到二級；2)軸壓比限值按二級控制；3)抗剪承載力不小于同層其他典型非躍層柱。

4.4 豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的處理

因地鐵2號線通道結(jié)構(gòu)已建成，本商辦裙房最外側(cè)軸線上共有8根框架柱(圖2b)落于通道上方，需要被托換，與其脫開，故形成了豎向抗側(cè)力構(gòu)件的不連續(xù)問題。

4.4.1 地鐵上蓋的長懸挑型鋼混凝土梁托換方案

應地鐵2號線原設計院要求，被托換柱下水平懸挑構(gòu)件需避讓其通道結(jié)構(gòu)上方的壓頂梁，綜合考慮荷載、懸挑長度(5.1 m)、耐久性、凈空要求以及覆土厚度等因素，普通鋼筋混凝土梁很難滿足承載力和變形要求，改用型鋼混凝土懸挑托換梁，并向后延伸一跨，把前后排框柱連成一體，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，形成的地鐵上蓋結(jié)構(gòu)[11]如圖5所示，前后排框架柱均采用型鋼混凝土柱，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)能夠較大提高構(gòu)件的承載力，增大結(jié)構(gòu)的剛度和延性，控制變形[12-14]。

圖5 長懸挑托換方案示意 mFig.5 The schematic diagram of long cantilever underpinning scheme

4.4.2 設計措施

1)針對長懸挑托換梁，計算時考慮豎向地震作用組合進行包絡設計，并將懸挑托換梁及后排柱的抗震等級提高一級，同時對懸挑區(qū)域的樓蓋進行舒適度驗算；

2)分別采用施工模擬加載3和一次性加載兩種加載方式進行包絡計算；

3)設計過程中嚴格控制懸挑托換梁的撓度和裂縫，施工圖設計采用起拱以及增加配筋等方式控制懸挑變形與開裂；

4)根據(jù)《高規(guī)》[10]中抗震性能目標D的要求，補充罕遇地震下懸挑托換梁的抗剪截面驗算；

5)針對托換柱以及樓板大開洞處采用單榀平面框架模型進行復核，防止出現(xiàn)局部傾覆問題;

6)因前排框柱緊靠地鐵通道外側(cè)的地連墻，需嚴格控制柱下樁基沉降不得大于地連墻沉降，前排框柱下設置平行于外墻的條形承臺梁，承臺梁下設置灌注樁(圖5)，樁長45 m，深于地連墻下基礎，減少相互影響。

4.4.3 抗傾覆處理

對于結(jié)構(gòu)整體的抗傾覆，采用如下措施：1)包絡復核計算時不考慮對傾覆有利的活荷載(取為零)進行包絡復核；2)對出現(xiàn)拉力的后排框柱，采用型鋼混凝土(截面800 mm×800 mm，內(nèi)設型鋼H400×400×20×30)，并對柱內(nèi)型鋼進行抗拉強度驗算，根據(jù)三維模型結(jié)構(gòu)計算書查得最大柱拉力為778.8 kN(圖6)，按型鋼承受全部拉力計算，拉應力為25.0 MPa；同時再按二維單榀框架模型復核得到的后排框柱柱底拉力2 420 kN(圖7)計算出型鋼拉應力為77.8 MPa，均遠小于鋼材的設計強度215 MPa，滿足設計要求，并有較大安全儲備；型鋼混凝土柱與懸挑托換梁(變截面700 mm×(1 300～1 800) mm，內(nèi)設變截面型鋼H400×(1 000～1 500)×20×30)連接節(jié)點大樣詳見圖8。3)為盡可能減少對已建地鐵的影響，樁基設計采用擠土效應較小的灌注樁，后排框柱下設置抗拔灌注樁，因前排柱下的承壓灌注樁避讓地連墻1.0 m(圖5)，引起群樁力臂小于柱間力臂，故設計時樁反力采用二維和三維計算結(jié)果的包絡值并考慮放大系數(shù)(柱間力臂與群樁力臂的比值)，且后排柱下樁身配筋及其與

圖6 三維模型的柱底反力Fig.6 Reaction force at the root of the 3D model

圖7 二維模型的柱軸力 kNFig.7 Column axial force of the 2D model

圖8 型鋼混凝土梁柱連接節(jié)點示意Fig.8 Schematic diagrams of the connection of steel reinforced concrete

承臺的連接構(gòu)造按抗拔樁處理。

4.4.4 關(guān)鍵部位的分析驗算結(jié)果

1)長懸挑型鋼混凝土托換梁的變形驗算。針對長懸挑型鋼混凝土梁上設置被托換柱的部位，選取最不利跨，補充二維單榀框架模型進行驗算，計算結(jié)果如圖9所示，底層梁端最大變形量9.9 mm，小于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[15]第3.4.3條受彎構(gòu)件撓度限值(L0/400=25.5 mm)的要求，懸臂段計算跨度L0按2倍實際長度取用(即L0=2×5.1 m=10.2 m)；最上層懸臂梁端最大變形量取內(nèi)外最大差值2.5 mm(12.6-10.1=2.5 mm)，遠遠小于撓度限值(L0/400=11.0 mm，L0=2×2.2 m=4.4 m)，變形均滿足設計要求。

圖9 長懸挑托換梁變形(二維模型) mmFig.9 Deformation of long cantilevered underpinning (2D model) beam

2)長懸挑區(qū)域樓蓋舒適度分析。結(jié)構(gòu)設計中因各種因素出現(xiàn)的長懸挑樓蓋結(jié)構(gòu)，由于懸臂遠端缺少約束，豎向剛度較弱，柔度較大，導致懸挑結(jié)構(gòu)往往豎向頻率較低。當懸臂結(jié)構(gòu)和人行荷載頻率接近時，容易產(chǎn)生共振[16-17]，影響樓蓋的安全和正常使用，而且振動有可能超過人體舒適度極限，給行人心理上造成恐慌。

GB 50010—2010第3.4.6條和JGJ/T 441—2019《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標準》[18]第4.2.1條都規(guī)定：以行動激勵為主的商業(yè)建筑樓蓋結(jié)構(gòu)，其一階豎向自振頻率不宜低于3 Hz，若低于3 Hz，尚應驗算其豎向振動加速度，峰值加速度限值為0.15 m/s2。

計算該TOD項目的樓蓋結(jié)構(gòu)舒適度動力特性時，混凝土彈性模量提高到1.2 倍，鋼材彈性模量不改變，利用MADIS計算得到長懸挑區(qū)域樓蓋結(jié)構(gòu)第一振型豎向自振頻率為6.04 Hz，該結(jié)構(gòu)基頻大于人體活動的敏感頻率范圍，滿足規(guī)范[15，18]要求，能夠保障人體舒適度的要求。雖然采用此簡單的頻率控制方法就可以適應本TOD項目需要，但為得到該區(qū)域的加速度數(shù)值，仍進行加速度驗算，按較多人員連續(xù)行走通過(0.5人/m2，部頻2.1 Hz，單層激勵)，輸入激勵時程曲線如圖10所示，通過查看懸挑部位懸挑端各點的加速度響應結(jié)果得到最大加速度為0.068 m/s2，遠小于規(guī)范峰值加速度限值為0.15 m/s2的要求。

圖10 連續(xù)行走荷載激勵曲線Fig.10 Continuous walking load excitation curve

3)靠近地鐵2號線通道外側(cè)的TOD地下室底板承載力與變形驗算。圖5和圖11所示的TOD地下室前排框柱下的偏心受壓樁，因靠地鐵2號線通道外側(cè)的地連墻較近，需考慮沉降對地連墻影響，因此前排框柱下受壓樁的布置主要以變形控制為主，承載力控制為輔，柱下設置平行于TOD地下室外墻的條形承臺梁(厚度1.5 m)，下設置灌注樁，底板沖切和柱邊受剪承載力驗算(圖11)均滿足GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》[19]要求，且前排柱下樁基沉降量亦很小，最大沉降均不大于3 mm(圖12所示)，對地下通道結(jié)構(gòu)的影響很小。

圖11 樁承臺驗算剪切面示意Fig.11 Shear surface of pile caps

圖12 樁基沉降 mmFig.12 Settlement of pile foundation mm

4.4.5規(guī)劃地鐵6號線局部貫穿TOD地下室的抗浮處理

圖13所示的紅色區(qū)域為永樂路站連通口，藍色框區(qū)域為本TOD項目地下室局部與規(guī)劃地鐵6號線重疊區(qū)域，地下室抗浮需要原位平衡，不可設置抗拔樁(會占據(jù)地下空間，對規(guī)劃地鐵6號線的通道結(jié)構(gòu)施工形成阻礙)，因此局部抗浮采用混凝土壓重的處理辦法，即地下室底板局部降下去1.1 m，然后用C15素混凝土回填(圖14)，從而滿足抗浮要求。

圖13 規(guī)劃地鐵6號線貫穿區(qū)域示意 mmFig.13 The throughout region of planned subway line 6

圖14 混凝土壓重抗浮處理節(jié)點 mFig.14 The anti-floating treatment joint with concrete pressure m

5 結(jié)束語

1)通過控制TOD項目與已建和規(guī)劃地鐵通道結(jié)構(gòu)的距離并采用內(nèi)置式高檔鋼彈簧浮置道床板的減震技術(shù)后，地鐵振動影響可忽略。

2)結(jié)合本TOD項目的不規(guī)則結(jié)構(gòu)平面，局部增設3處剪力墻形成的少墻框架結(jié)構(gòu)體系，增大了整體結(jié)構(gòu)剛度，有效減少了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應，配筋設計應注意取少墻框架和純框架包絡計算結(jié)果。

3)采用地鐵上蓋的長懸挑型鋼混凝土托換結(jié)構(gòu)方案，提高了懸挑構(gòu)件的承載力、剛度及延性，降低了懸挑梁的撓度變形和開裂風險，可以較好地解決局部豎向構(gòu)件不落地問題，且經(jīng)計算的樓蓋舒適度也能滿足規(guī)范要求。

4)針對抗傾覆問題，采用二維框架模型進行補充復核，針對出現(xiàn)拉力的后排框柱，采用型鋼混凝土；前排柱下的樁因避讓地連墻，引起群樁力臂小于柱間力臂，設計時樁反力采用二維和三維分析結(jié)果的包絡值并考慮放大系數(shù)(柱間力臂與群樁力臂的比值)，且后排柱下樁身配筋及其與承臺的連接構(gòu)造按抗拔樁處理。

5)通過合理的樁基設計，控制了樁基沉降，可以減少對相鄰地鐵沉降的影響。本TOD項目沉降控制數(shù)據(jù)已得到地鐵設計單位的認可。