地铁车辆段上盖开发超限高层结构设计研究

蒋立浩

摘 要：地铁车辆段底层为地铁停放空间，因工艺需求，底层为大跨结构，而上部开发为小开间剪力墙结构，结构存在转换、刚度突变等问题。本文以厦门地铁四号线后溪车辆段上盖开发结构设计为例，阐述了上盖开发结构设计的重难点，为后续类似项目提供一定的参考价值。

关键词：地铁上盖开发;全框支剪力墙;转换层

中图分类号：TU973.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）14-0081-04

Design and Research of Over-limit High-Rise Structure for

Metro Depot Development

JIANG Lihao

（Xiamen Branch of Beijing Urban Construction Design and Development Group Co.， Ltd.，Xiamen Fujian 361000）

Abstract： The ground floor of the subway depot is the subway parking space， due to technological requirements， the ground floor is a large-span structure， and the upper part is developed as a small bay shear wall structure， the structure has problems such as conversion and sudden change in stiffness. This paper took the development structure design of the upper cover of the Houxi depot of the Xiamen Metro Line 4 as an example to explain the major and difficult points of the development structure design of the upper cover and provide a certain reference value for subsequent similar projects.

Keywords： development of subway upper cover;full-frame supported shear wall;transfer floor

车辆段及停车场作为车辆停放和检修的基地，是城市轨道交通的重要组成部分[1]。车辆基地占地大，土地利用效率低。为了集约利用土地资源、涵养轨道交通客源、完善周边配套设施、分担轨道交通运营成本，越来越多的城市开展了车辆段物业开发建设。地铁车辆基地工艺功能要求，底层为大空间框架结构，而上部开发结构为小开间剪力墙结构，这种刚度突变、底弱上刚的全框支剪力墙结构的设计成为项目的难点。本文以后溪车辆段上盖开发为例，阐述该结构设计重难点，为后续类似项目提供一定的参考。

1 工程概况

后溪车辆段位于厦门市集美区软件园三期地块内，含运用库、联合检修库、物资总库、运管中心等建筑单体，后溪车辆段整体开发效果如图1所示。其中运用库长为319 m，宽为183.5 m，上部设置10栋14层住宅，建筑高度为61.650 m，运用库上盖结构采用框架-剪力墙结构体系，运用库及小汽车库层采用框架结构，转换层设置于上盖小汽车库层。运用库中部设置一道抗震缝，分为两个结构单元，如图2所示。结构首层为运用库层，考虑基础埋深首层计算层高为11.200 m;运用库层顶为小汽车库层，考虑停车需求，汽车库采用机械停车库，汽车库层层高为8.200 m。汽车库层顶为结构转换层，结构采用梁式转换。运用库楼层剖面图如图3所示，图中数据单位为米（m）。

本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度峰值为0.15 g，建筑场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第三組，特征周期Tg=0.45 s。底层柱混凝土标号为C50，框支柱截面尺寸为2 000 mm×1 800 mm，内置箱型型钢。普通框架柱采用钢筋混凝土柱，截面尺寸为1 500 mm×1 500 mm。框支梁主要截面尺寸为800 mm×2 200 mm，内置工字型钢。上部剪力墙厚从400 mm至200 mm由下至上渐变，首层盖板板厚为250 mm，转换层楼板厚为200 mm。转换层梁板布置及上部剪力墙布置如图4所示。

2 上盖结构特点及超限对策

2.1 上盖结构特点

为保证运用库的完整性，运用库范围内宜少设缝，本工程运用库中部设置一道抗震缝，划分为166 m×185 m的超长混凝土结构。运用库分塔上盖设置5栋高层住宅，因此本工程为复杂多塔结构。

运用库首层因工艺需求层高为9.5 m，基础顶埋深为-1.7 m，结构计算层高达到11.2 m，二层层高为8.2 m，下部两层刚度比较弱，为软弱层。运用库沿着轨道方向，需要通长的大开间，上部塔楼部分竖向构件无法落地，在二层顶以上的剪力墙进行全转换，受剪承载力相对较小，为薄弱层。经SATWE计算，超限项目判定如表1所示。

因此，本工程存在扭转不规则、刚度突变、尺寸突变、构件间断、承载力突变、局部不规则等多项不规则性，属于复杂超限高层建筑。

2.2 超限对策

本工程存在竖向构件不连续及转换层等超限情况，将从结构体系、设计内力调整、增强重要构件的延性等方面进行针对性的加强及优化[2]。

针对结构扭转位移比超限导致的平面不规则，设计从加强结构抗扭刚度、控制扭转效应着手进行处理。针对竖向构件间断导致的竖向不规则，盖上盖下一体化协同设计，优化层高设置，降低首层层高，适当增加二层层高，适当增加转换层上一层（住宅首层）层高，使本工程侧向刚度尽可能平稳过渡，减小刚度突变。加强对竖向转换构件的构造处理，将转换层以下框架的抗震等级提高一级，按一级设计。转换构件考虑竖向地震作用。针对尺寸突变导致的竖向不规则，加强上部收进结构底层的侧向刚度和承载力，控制其层间位移角，加强剪力墙结构住宅底部加强部位的抗震构造。

项目结构为特殊不规则结构，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）[3]和《高層建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）[4]的相关内容，采取抗震性能设计的方法，提出合理的抗震性能目标，明确上述设计措施的量化标准，最终验证结构设计的可行性。本工程抗震性能设计目标如下。一是大平台柱、框支柱：中震正截面、斜截面弹性;大震正截面不屈服、斜截面弹性。二是转换梁：中震正截面、斜截面弹性;大震正截面不屈服、斜截面不屈服。三是大平台梁：中震正截面不屈服、斜截面弹性。

3 结构抗震性能化设计

3.1 弹性时程分析

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）[4]4.3.4条规定，7～9度的复杂高层结构，应补充多遇地震作用下的弹性时程分析计算。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算的80%;地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的5倍和15 s，地震波的时间间距可取0.01 s或0.02 s。

本工程采用5条天然波及2条人工波进行计算，通过弹性时程计算分析，7条地震波的平均地震效应下，结构楼层位移、层间位移角均满足规范要求。对比CQC法计算结果，本工程多遇地震作用下，采用CQC法计算地震效应结果合理，可不再放大。

3.2 设防地震验算

依据预设性能化设计目标，验算设防地震下结构构件承载力。转换梁、大平台柱及框支柱满足中震弹性要求，大平台梁满足斜截面弹性要求，结构构件的抗震验算应符合下列关系：

[γGSGK+γESEK≤R/γRE]                       （1）

式中，[γGSGK]、[γESEK]分别为重力荷载、水平地震作用分项系数，按国家现行《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）有关规定取值;R为构件截面承载力设计值（采用材料强度设计值）;[γRE]为调整系数。

大平台梁正截面不屈服，需要满足以下要求：

[SGE+SEK≤Rk]                             （2）

式中，[SGE]为弹性计算重力荷载效应标准值;[SEK]为弹性反应谱中震作用效应标准值（取单向偶然偏心和双向地震作用不利情况）;[Rk]为构件截面承载力标准值（采用材料强度标准值）。

3.3 罕遇地震验算

本工程罕遇地震作用下，构件承载力需要满足以下条件：框支柱、大平台柱要求大震正截面承载力不屈服，斜截面弹性。转换梁要求大震正截面承载力不屈服，斜截面承载力不屈服。

大震不屈服，结构构件的截面抗震验算应符合下列关系：

[SGE+SEK≤Rk]                                     （3）

式中，[SGE]为弹性计算重力荷载效应标准值;[SEK]为弹性反应谱大震作用效应标准值;[Rk]为构件截面承载力标准值（采用强度极限值）。

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》要求，本工程采用动力弹塑性分析并评价其抗震性能。依据规范要求，选取了三条地震波，各条波的有效持续时间均满足规范要求，结构所在地区设防烈度为7度（0.15 g），按规范取定峰值加速度为310 cm/s2，采用双向地震波输入，主次方向系数为1∶0.85。

通过对比YJK线弹性分析与设计模型（后文简称YJK-A）与YJK弹塑性计算模型（后文简称YJK-EP），前三阶周期的结果如表2所示。

各指标相差幅度均在5%以内。差别的原因有小震设计模型有中梁刚度系数和连梁折减以及弹塑性计算部分构件刚度退化等。X方向最大楼层位移角曲线如图5所示，Y方向最大楼层位移角曲线如图6所示，梁损伤等级显示图如图7所示。

采用罕遇地震弹塑性时程分析验算，各层弹塑性位移角最大值均在1/120以内，满足规范对剪力墙结构弹塑性位移角限值的规定;基底剪力与位移时程曲线显示，结构承载力未出现明显下降，说明结构在罕遇地震作用下，能保持主体结构稳定，不至于倒塌。

各转换梁未出现明显的损伤，说明在大震下未出现明显破损，工作性能仍然良好。大部分构件处于轻微损坏，部分构件达到中等破坏，少数构件钢筋出现严重破坏，但未见有构件倒塌。从损伤机制来看，首先出现损伤的构件是连梁构件，其次才是竖向构件，符合抗震概念设计原则。

4 结构构造设计及做法

4.1 型钢梁柱节点

本工程框支柱采用箱型型钢混凝土柱截面，柱截面尺寸为1 800 mm×2 000 mm，内置箱型型尺寸为1 000 mm×1 200 mm，型钢壁厚34 mm，型钢标号Q420B。由于梁、柱配筋较大，梁钢筋贯穿柱受型钢阻隔，为解决此问题，本工程型钢处钢筋混凝土梁采用宽梁，以保证50%的钢筋可以绕过型钢贯穿框架柱设置于型钢碰撞处，梁顶钢筋可焊接一级钢筋套筒将钢筋与型钢焊接，梁底钢筋采用牛腿焊接于型钢上。具体节点做法如图8所示。

4.2 超长混凝土结构措施

为避免超长混凝土结构开裂，本工程考虑后在板内设置无黏结预应力钢筋。本工程预应力钢筋考虑抵抗温度应力作用，同时兼顾承担竖向荷载作用。为减小结构温度应力，同时结合上盖管综要求，盖顶设置综合管沟，管沟处降板为1.0 m，如图9所示。

屋盖结构所受的总温差为季节温差和收缩当量温差之和，即[ΔT]=11.3+17.7=28.8 ℃。对于钢筋混凝土结构，应考虑混凝土徐变应力松弛影响，根据工程经验考虑（0.3～0.5）的折减，取徐变系数为0.5，故进行设计计算时最终温差取15 ℃。

运用库楼板沿横向（X向）将产生约2 MPa的拉应力，沿纵向（Y向）将产生2.5 MPa的拉应力，故通过施加预应力来防止板中产生温度裂缝和收缩裂缝。板中施加2 MPa的预压应力，板中横向和纵向均配置每米3根的预应力筋。

5 结论

本文以厦门地铁4号线后溪车辆段运用库工程设计为例，对其工程设计及实施难点进行分析，有以下结论。上盖剪力墙竖向构件不能落地，采用全框支剪力墙结构方案可行，同时可通过性能化设计，提高构件抗震承载力，达到结构设计目标;底部框架柱采用箱型型钢柱，可有效提高底层及转换层柱承载力，满足结构整体抗震要求;超长混凝土结构可通过设置预应力钢筋，避免结构温度裂缝。

参考文献：

[1]赵宏康，张敏，陆春华.苏州太平车辆段停车列检库上盖物业开发复杂高层结构设计[J].建筑结构，2013（20）：94-100.

[2]谭奇峰.某地铁车辆段框支转换结构性能化设计[J].建筑结构，2019（1）：52-56.

[3]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[4]住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.