杭州西動車運用所上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

吳 奎

1 工程概況

杭州西動車運用所上蓋開發(fā)項目位于杭州余杭區(qū)苕溪以東、倉前地鐵車輛段以西、留祥快速路以北，總用地面積98.1 hm2。動車運用所近期28條存車線、近期6 線檢查庫、3 線臨修鏇輪線、遠期6 線檢查庫及咽喉區(qū)所有股道區(qū)域均進行上蓋開發(fā)，上蓋開發(fā)區(qū)域南北向約2.6 km，東西向約205 m。上蓋開發(fā)面積43.2 萬 m2。

上蓋區(qū)域根據(jù)建筑功能和建造條件[1]，豎向分為3 個層次，分別是鐵路工藝區(qū)、首層蓋板區(qū)、二層蓋板和蓋上建筑區(qū)，如圖1a 所示?？紤]接觸網(wǎng)限界要求，首層蓋板層高12.6 m，二層蓋板層高6.0 m。上蓋開發(fā)住宅首層結(jié)構(gòu)層高5.55 m，其余各層層高高層住宅為2.9 m，多層住宅為3.0 m。結(jié)構(gòu)總高度為30.15 ～73.45 m。平面根據(jù)站場工藝布局分為6 個區(qū)域，自南向北依次為A區(qū)（咽喉區(qū)）、C區(qū)（存車線）、E區(qū)（咽喉區(qū)）、H區(qū)（咽喉區(qū)）、G 區(qū)（咽喉區(qū)）、J 區(qū)（檢查庫），項目蓋板分區(qū)如圖1b 所示。

圖1 項目平、立面示意圖（來源：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司建筑設(shè)計方案）

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的使用年限為50 a，考慮首層蓋板跨線的影響，首層蓋板按100 a 進行耐久性設(shè)計。首層蓋板結(jié)構(gòu)安全等級為一級，二層及以上結(jié)構(gòu)安全等級為二級；地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級；除首層蓋板為重點設(shè)防類（乙類）之外，其余均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。

基于工程情況，工程抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計基本加速度為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為III 類。10m 蓋板荷載按近中遠分期考慮屋面及樓面荷載。近期恒載按臨時屋面裝修做法計算，活載按不上人屋面，取0.5 kN/m2。中期10 m 蓋板將作為16 m 蓋板施工面，考慮材料堆放、車輛運輸、大型塔吊等施工荷載，按15 kN/m2考慮，同時在上蓋區(qū)域額外考慮30 kN/m2的施工荷載。遠期荷載按照10 m 蓋板建筑功能考慮。

柱網(wǎng)采用線間立柱，保證工藝要求同時考慮結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟性。柱網(wǎng)在順軌方向沿股道方向布置，跨度不受工藝條件限制，布置相對靈活。本工程順軌向跨控制在約9 m。柱網(wǎng)在垂軌方向需結(jié)合不同類型工藝房屋來布置。存車區(qū)按一跨三線進行設(shè)計，垂軌跨度按17 m 設(shè)計；檢查區(qū)按照一跨兩線進行設(shè)計，柱跨按19 m 設(shè)計。

上蓋開發(fā)為小開間軸線布置的住宅，由于上蓋開發(fā)與蓋下動車運用所的柱網(wǎng)不能對齊，上部樓層的豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地，需要在結(jié)構(gòu)改變的位置布置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換[2]。

本工程結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換設(shè)置在二層蓋板區(qū)，11 層及以上住宅采用底部框架+梁式轉(zhuǎn)換+剪力墻結(jié)構(gòu)體系，即全框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系[3]。以J17 區(qū)為例，上蓋開發(fā)4 棟塔樓，2 棟11 層，2 棟18 層。建筑最大高度為73.4 m。

3 結(jié)構(gòu)超限分析

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況

以J17 區(qū)為例介紹結(jié)構(gòu)超限設(shè)計情況。J17 區(qū)結(jié)構(gòu)超限項如下：第1，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2小于1.4，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；第2，相鄰層剛度變化＞70%，屬剛度突變；第3，二層平臺有4 棟高層住宅，為大底盤多塔結(jié)構(gòu)，屬尺寸突變；第4，上下墻、柱、支撐不連續(xù)，屬構(gòu)件間斷；第5，結(jié)構(gòu)采用全框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，屬規(guī)范暫未列入的特殊類型高層建筑。

本項目存在1 項平面不規(guī)則、3項豎向不規(guī)則，結(jié)構(gòu)體系屬于超出規(guī)范范疇的高層建筑，需要對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計進行專項論證。針對超限工程的各項不規(guī)則性，主要采取了以下措施：第1，調(diào)整豎向構(gòu)件的布置，減少整體結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心的偏離；第2，由于首層層高較高，二層層高相對較矮，為調(diào)整首層與二層的剛度比，適當(dāng)加大底層梁柱截面并減小二層柱截面；第3，上部結(jié)構(gòu)墻柱盡可能落在框架梁上，控制落在次梁上墻柱數(shù)量。受力較大的轉(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土梁，轉(zhuǎn)換柱采用型鋼混凝土柱并通高布置；第4，加強轉(zhuǎn)換層及其上一層樓板厚度和配筋。

3.2 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

針對本項目的重要性和結(jié)構(gòu)特點，采用基于性能目標(biāo)的抗震設(shè)計方法[4]。選取轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱為關(guān)鍵構(gòu)件，除關(guān)鍵構(gòu)件以外的豎向構(gòu)件為普通豎向構(gòu)件，除關(guān)鍵構(gòu)件以外的樓層框架梁為耗能構(gòu)件。結(jié)構(gòu)總體性能目標(biāo)選用“C”，同時提高轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁在設(shè)防地震受彎、罕遇地震受剪的設(shè)防目標(biāo)，提高底部加強區(qū)的剪力墻在罕遇地震下受剪設(shè)防目標(biāo)。

3.3 小震分析

結(jié)構(gòu)小震作用下的反應(yīng)譜分析采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)的振型分解法并計入雙向水平、豎向地震作用。J17 區(qū)為四塔結(jié)構(gòu)，分析時包含單塔及多塔共5 個模型。

選用SATWE 內(nèi)置的地震波進行小震彈性時程補充計算。根據(jù)軟件波庫中提供地震波選擇2 組人工波，5組天然波進行彈性時程分析。結(jié)果表明，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力大于中國質(zhì)量認證中心（CQC）計算結(jié)果的65%且小于135%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于CQC 計算結(jié)果的80%，且小于平均值的120%，滿足規(guī)范要求。根據(jù)彈性時的程分析結(jié)果，反應(yīng)譜法的樓層剪力小于時程分析的結(jié)果的平均值，整體按反應(yīng)譜法放大1.15 倍進行設(shè)計。

單塔及多塔的計算結(jié)果表明，除首層與相鄰上層剛度比＜70%，位移比＞1.2 外，其他結(jié)構(gòu)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。與多數(shù)大底盤多塔結(jié)構(gòu)不同，振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果沒有包絡(luò)7 條地震波平均值，需在配筋設(shè)計中采取放大地震響應(yīng)的措施予以加強。

3.4 中震分析

中震彈性分析水平地震影響系數(shù)最大值為0.12，特征周期取值0.45 s，結(jié)構(gòu)阻尼比取值6%。結(jié)果表明，構(gòu)件均滿足中震性能目標(biāo)要求。

對中震時雙向水平地震作用下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力進行驗算，平均名義拉應(yīng)力最大為1.02 MPa。按照《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[4]第十二條，可不設(shè)置型鋼。

對中震時轉(zhuǎn)換層樓板進行應(yīng)力分析。計算結(jié)果表明：在中震作用下，樓板面內(nèi)無貫通性裂縫。由于轉(zhuǎn)換梁平面外彎矩使樓板在交接處產(chǎn)生局部變形，在部分轉(zhuǎn)換梁及梁邊形成應(yīng)力集中，其他大部分區(qū)域正應(yīng)力小于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)計算結(jié)果對開洞周邊應(yīng)力較大處（樓梯邊，一跨以內(nèi)）樓板加厚至350 mm，同時對該區(qū)域樓板采用雙層雙向配筋，配筋率加大至0.4%，確?；炷翗前鍍?nèi)的鋼筋在中震作用下，鋼筋應(yīng)力不會達到屈服強度。對其余應(yīng)力比較集中的位置樓板配筋率加大至0.4%。

3.5 大震分析

大震彈性分析水平地震影響系數(shù)最大值0.28，特征周期取值0.50 s，結(jié)構(gòu)阻尼比取值7%。

為了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的變形形態(tài)、關(guān)鍵構(gòu)件及節(jié)點在罕遇地震下的抗震性能，對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的彈塑性時程分析，分析時選用2 組天然波與1 組人工波。

圖2a 和b 為沿X向、Y向為主向輸入時結(jié)構(gòu)在各主方向的最大樓層剪力曲線，可以看出，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，在轉(zhuǎn)換層上下位置由于剛度變化，地震樓層剪力有一定突變，該兩層的豎向構(gòu)件能在大震作用下不屈服，處于輕微損壞的階段，局部構(gòu)件發(fā)生中度損傷，將通過提高抗震等級，加強配筋等措施提高兩層的構(gòu)件的抗剪承載力。

圖2 J17 區(qū)大震作用下計算結(jié)果（來源：杭州西動車運用所上蓋開發(fā)項目輸出的計算結(jié)果）

圖2c 和d 為沿X向、Y向為主向輸入時結(jié)構(gòu)在各方向的最大樓層位移角曲線，可以看出，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角包絡(luò)值1/243，小于1/120 的規(guī)范限值。

各組地震波計算完成后，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，部分構(gòu)件進入了一定程度的塑性，滿足“大震中度損壞”的設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)在X、Y兩個主方向基底剪力最大值分別是小震反應(yīng)譜工況下基地剪力的6.14 倍和6.28 倍，結(jié)構(gòu)整體進入塑性。

對結(jié)構(gòu)整體而言，較多連梁進入塑性耗能。絕大部分柱子均為輕度損壞以下，僅個別柱子達到中度損壞，轉(zhuǎn)換梁及轉(zhuǎn)換柱大震下為輕微破壞，結(jié)構(gòu)宏觀損壞程度為“中度損壞”，整個結(jié)構(gòu)達到預(yù)期性能水準(zhǔn)。根據(jù)各項分析表明：目前所選取的結(jié)構(gòu)體系成立，結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足擬定的抗震性能目標(biāo)。

4 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計

本項目中樁基礎(chǔ)選型項目采用鉆孔灌注樁+承臺的基礎(chǔ)形式，鉆孔灌注樁采用1 m、1.2 m、1.6 m 三種直徑，以中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖作為持力層，樁長為40 m ～60 m，單樁承載力特征值7500 kN ～19000 kN；首層蓋板下整體道床采用直徑0.6 m 的管樁，以圓礫為持力層，平均樁長20 m。本工程均不做地下室，通過加大基礎(chǔ)埋深滿足高層埋深要求。

基礎(chǔ)沉降分析大底盤多塔結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)設(shè)計難點在于蓋上高層區(qū)域與平地區(qū)域存在巨大荷載差異導(dǎo)致可能出現(xiàn)不均勻沉降。同時，本項目蓋上高層建筑施工進度滯后，鐵路工藝區(qū)域需投入使用而不具備設(shè)置沉降后澆帶的條件。因此，需要對可能引起的后期沉降差異進行分析并考慮其對整體結(jié)構(gòu)的影響。本項目是我國首個國鐵動車運用所上蓋開發(fā)項目，目前國家及鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)無差異沉降規(guī)定。設(shè)計的時候參考上海市城市軌道交通上蓋建筑[5]的控制要求，車輛基地的基礎(chǔ)總沉降量不應(yīng)大于50 mm，相鄰柱間沉降差不應(yīng)大于20 mm。通過基礎(chǔ)有限元模型分析計算，住宅部分的最大平均沉降為27 mm，平臺部分的沉降約為9 mm，滿足規(guī)范沉降差的要求。在設(shè)計時，適當(dāng)加強塔樓與平臺相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的框架配筋，以抵抗部分差異沉降產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

5 結(jié)語

杭州西動車運用所上蓋開發(fā)設(shè)計時，分析了上蓋開發(fā)首層層高遠大于二層層高導(dǎo)致的樓層側(cè)向剛度相差大、垂軌向跨度大、分期開發(fā)和永臨結(jié)合等不利因素。針對上蓋與下層柱網(wǎng)不對齊，設(shè)計采用了全框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，擬定并滿足了結(jié)構(gòu)的抗震性能化目標(biāo)。但列車振動對上蓋影響研究不甚充分，后續(xù)需針對該類結(jié)構(gòu)的減振和隔振措施進行詳細研究。