地铁车辆段上盖开发项目结构设计思考

张伯英

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

地铁车辆段主要承担停放地铁车辆、整备、列检、月检以及架修任务。车辆段上盖开发项目就是在占地面积巨大的轨道交通车辆段上进行停车场、商业、住宅、办公等各种业态的物业开发，也就是对土地的二次利用，北京地铁7 号线东延张家湾车辆段就采取了此种开发模式。车辆段首层为地铁车辆停车、整备、检修功能区，垂直轨道方向结构柱网受车辆限界及车辆检修工艺限制，顺轨道方向柱网受工艺设备空间限制，而首层以上，根据建筑业态不同，柱网布置需求与盖下存在一定差异。但是此种类型的结构，需要满足上下两种完全不同的使用功能需求，盖下柱网规则，净高要求高；盖上柱网受建筑功能及流线限制，且净高较低。这就导致结构存在竖向抗侧力构件不连续、体型收进、楼板不连续、刚度突变等一系列问题。针对此种类型建筑结构的系统性研究较少，本文以张家湾车辆段上盖开发工程为例，结合上下结构特点分析比选了多种结构体系，对转换层的选取及混合结构的阻尼比取值、竖向地震作用取值等关键设计参数进行了分析，并针对结构各种不规则结合我国规范对结构关键构件进行加强处理。为今后类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

张家湾车辆段位于东六环内侧，西侧为环球影视城。车辆段用地呈不规则矩形，南北长950m，东西宽440m；车辆段占地面积20.42 公顷，盖上开发主要业态为商业购物中心、戏曲中心、冰酷世界、影院、小型办公楼等。整体方案效果及盖上开发使用功能如图1 所示。

盖下车辆段主要功能为停车列检库、联合检修库、设备用房、咽喉区及出入段线，车辆段根据各区域上盖开发功能及盖下车辆段使用功能，依据抗震缝位置，共分为10 个部分，结构区段划分如图2所示。3、4 区盖上开发功能较为复杂，需依据盖下车辆段使用功能条件及盖上开发功能综合考虑结构体系。现以本工程停车列检库4 区为例，说明结构体系的选型、转换层的选取、设计参数的选用及相应加强措施。

图1 北京地铁7 号线东延张家湾车辆段盖上开发使用功能示意Fig.1 Schematic diagram of development and use function of Zhangjiawan depot cover on east extension of Beijing Metro Line 7

图2 张家湾车辆段分区示意Fig.2 Division diagram of Zhangjiawan Depot

2 结构体系的选型

根据已有的地铁车辆段上盖开发工程的经验，地铁车辆段首层及二层小汽车库层根据车辆段用地条件及工艺要求，采用框架结构较多。如用地条件许可，垂直轨道方向在工艺及车辆限界允许条件下，能够允许局部设置横向剪力墙，沿轨道纵向设置剪力墙不受限制，可采用框剪结构，大大增加下部结构的整体刚度。三层及以上开发根据使用功能及地震设防烈度，采用框架结构、框剪结构及剪力墙结构较多。

停车列检库4 区投影尺寸为187m ×105.4m。纵向主要跨度为9m，横向根据停车列检需要主要跨度为13.3m和18.1m。各层层高如图3所示。

4 区首层为车辆段使用功能区停车列检库，库内横向柱跨间均为轨道线，二层功能为小汽车库，三层及以上为商业区。

根据车辆段建筑用地情况及使用功能要求，垂直于轨道方向无条件设置剪力墙及支撑等抗侧力构件，故首层车辆段内考虑采用横向限制较小的框架结构。

车辆段上盖主要业态为商业，对使用空间要求灵活，主要抗侧力构件的布置受建筑流线影响较大，故上盖开发结构形式采用框架结构、框架加支撑结构及框剪结构均可行，由于垂直轨道方向即横向所有跨支撑及剪力墙均无法落地，且首层层高为二层层高的两倍左右，层刚度比无法满足规范要求且相差较大，因此二层及以上各层同样考虑采用框架结构。本区块结构高度从室外地面起算为39.6m，根据《建筑抗震设计规范》（GB 20011—2010）［1］（以下简称为《抗震规范》），对于北京8 度（0.2g）设防烈度地区，混凝土框架结构的最大适用高度为40m。本结构已接近混凝土框架结构的最大适用高度，且结构形式较为复杂，采用纯混凝土框架结构较不经济，三层及以上采用钢结构，有利于减轻结构自重，减小地震作用。因此，对首层、二层的材料选取做了比选。

图3 停车列检库4 区层高示意Fig.3 Floor height schematic diagram of zone 4 of parking train inspection depot

对两种材料分界面位置的选取进行了对比分析，即首层、二层采用钢筋混凝土框架或型钢混凝土框架和首层采用钢筋混凝土框架、二层采用钢框架。以此建立三种计算模型如图4 所示，模型各层的构成情况列于表1 中。

表1 模型各层构成情况Tab.1 Composition of each layer of the model

图4 对比计算模型Fig.4 Comparison calculation mode

根据业主需求，车辆段使用功能区优先采用混凝土结构，因此本工程考虑首层、二层采用钢筋混凝土框架+三层及以上采用钢框架的混合结构体系。

计算结果对比如表2 所示。从表2 中可以看出，三种计算模型的层间位移角均能够满足《抗震规范》中表5.1.1 关于弹性层间位移角限值的要求。本结构的突出问题在于1 层与2 层侧向刚度比较小，结构的竖向刚度应自下而上逐渐减小，变化均匀、连续。否则，在地震作用下某些楼层或部位将率先屈服，出现较大的塑形变形集中，加重破坏。

表2 模型计算结果Tab.2 Model calculation results

因首层工艺专业需求，首层层高为11.2m（从嵌固端承台顶计算），二层层高为5.3m，天然层高差距较大，且首层柱尺寸受轨道限界限制，刚度比不易满足。对比模型中，模型1 的刚度比为0.71 接近《抗震规范》中对侧向刚度不规则结构的限值。模型3 的刚度比更是小于0.7，属于侧向刚度不规则结构。为避免出现薄弱层，在结构材料分界面的选择上优先选择了刚度比指标较好的模型2。由此本区块采取了模型2 的划分方法，首层、二层钢筋混凝土框架+三层及以上钢框架的混合结构体系。

3 转换层的选取

因首层为车辆段停车列检库，其柱网排布受到各专业使用功能限制，可供更改范围极小。上部商业因剧场、电影院、中庭的排布以及商业流线的规划致使柱网不能与首层结构一致，不可避免产生竖向构件不连续，产生托梁转换层。

本工程在考虑转换层位置的设置时，分别考虑转换层设置在首层（图5）和二层（图6）两种情况，分析如下：

（1）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）［2］（以下简称为《高规》）10.2.1对带转换层高层建筑结构的定义，是指在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件不能直接连续贯通落地时，应设置结构转换层。经查阅资料，结构的底部高度约指房屋下部的1／3 高度范围内，若转换层设置在二层，转换层位置超过总体结构高度的1／3，对结构抗震较为不利。

图5 首层结构布置Fig.5 Structural layout of the first floor

（2）根据《高规》10.2.4 条要求，转换构件的水平地震作用内力应乘以增大系数1.6。《高规》3.5.8 条规定，竖向抗侧力构件不连续的楼层，其对应于地震作用标准值的地震作用剪力应乘以1.25。经过地震力放大，二层竖向抗侧力构件尺寸必然较大，根据前文分析，首层与二层的刚度比比值会更为不利，加重结构的不规则性。

图6 二层结构布置Fig.6 Structural layout of the second floor

（3）根据结构布置及使用功能要求，车辆段首层虽然横向跨度较大，但梁柱排布较均匀，整体性较好。二层使用功能复杂，有错层及开洞，整体性较差。

综合以上三点，考虑将转换层设置在首层，放大首层梁、柱尺寸，尽量减小二层抗侧力构件的刚度。在满足刚度比要求的同时，放低转换层的位置，对结构抗震性能较为有利。因此本结构的转换层限制在梁柱尺寸较大的首层，如图7所示。

图7 转换层结构示意Fig.7 Structural diagram of transfer floor

4 关键设计参数的选用

4.1 钢筋混凝土框架+钢框架结构的阻尼比取值

本结构体系存在混凝土和钢两种不同的工程材料，两种材料的阻尼比取值不同。以往的部分工程设计采用钢材和混凝土材料的阻尼参数分别计算，而后取其包络进行结构设计，这将不可避免造成浪费。因此，采用三种方法针对阻尼比的取值进行对比研究分析。

1.统一阻尼比取值。《抗震规范》5.1.5 条规定：除有专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05。《抗震规范》8.2.2 条对钢结构抗震计算的阻尼比做出了规定，在多遇地震下的计算，高度不大于50m 时可取0.04。因本结构同时采用了混凝土结构和钢结构，两者协同工作，此种“竖向混合结构”与《高规》中的混合结构较为类似，《高规》11.3.5 条规定：混合结构在多遇地震作用下的阻尼比可取为0.04。因此采用统一阻尼比0.04 进行计算分析。

2.振型阻尼比法。《抗震规范》10.2.8 条针对钢结构屋盖下部支撑为混凝土结构时的阻尼比做出了规定，根据条文说明，此类协同计算时的阻尼比取值采用振型阻尼比法。组合结构中，不同材料的能量耗散机理不同，因此相应构件的阻尼比也不同。对于每一阶振型，不同构件单元对于振型阻尼比的贡献与单元变形能有关，变形能大的单元对该振型阻尼比的贡献较大。所以可根据该阶振型下的单元变形能，利用下式，采用加权平均的方法计算出振型阻尼比。

式中：ζi为结构第i 阶振型的阻尼比；ζi为第s个单元阻尼比，对钢构件取0.02；对混凝土构件取0.05；Wsi为第s个单元对应于第i阶振型的单元变形能。

3.CCQC法。针对由不同材料组成的混合结构体系，周锡元、俞元芳于2006 年提出了在粘滞阻尼理论基础上的基于规范反应谱的CCQC法，此方法使用了与CQC 法完全相同的假设，与CQC 法不同在于除考虑不同振型位移地震响应的相互影响外还需考虑两个振型的速度响应之间、以及一个振型的位移响应和另一个振型的速度响应之间的关联性。CCQC 法求解非比例阻尼系统具有很好的精度，指定混凝土部分阻尼比为0.05，钢结构部分阻尼比为0.02，利用CCQC法对结构进行计算分析。

三种不同的计算方法，结构基底剪力的计算结果如表3 所示。

表3 基底剪力计算结果对比Tab.3 Comparison of calculation results of base shear

通过计算对比发现，采用统一的阻尼比0.04进行计算得到基底剪力偏大，按此方法设计偏于不经济。两种非比例阻尼计算方法得到的计算结果相差在2%以内。针对此种混合结构，采用非比例阻尼的计算方法更加合理可靠。

4.2 竖向地震作用的取值分析

《高规》4.3.15 中规定，设防烈度8 度（0.2g）地区，高层转换结构的竖向地震作用标准值不宜小于结构或构件承受的重力荷载代表值的0.1 倍，并未给出建议取值。因水平转换构件是关键构件，且在计算结果中发现，转换梁构件的设计结果受竖向地震组合控制。为准确分析本结构转换构件的竖向地震作用，分别采用竖向反应谱分析和时程分析两种方式研究竖向地震的影响程度。计算模型如图8 所示，分析中采用的计算参数如表4所列。

图8 计算模型Fig.8 Calculation model

表4 计算参数Tab.4 Calculation parameters

部分转换梁的内力计算结果如表5 所示。可以看出，竖向地震反应谱分析及七组竖向地震时程分析结果中，典型转换梁的剪力及弯矩效应大致相当，均约为重力荷载效应的5.2% ～14%。在设计中等效考虑竖向地震作用系数取为0.15，对关键构件偏于安全。

表5 部分转换梁内力计算结果Tab.5 Calculation results of internal forces of the transfer beam

5 结构加强措施

本工程停车列检库4 区由于存在结构竖向构件不连续、楼板不连续、竖向混合结构等结构的不规则性，属于超限高层结构，需对关键构件进行针对性加强，以保证结构安全性。

5.1 竖向抗侧力构件不连续

转换构件承担上部竖向抗侧力构件，其关键性不容置疑。针对转换构件，包括转换梁、转换柱，根据《抗震规范》M.1.2-3，按照设防烈度地震作用进行配筋计算，并与多遇地震结果进行包络取值。

在计算过程中发现，转换构件在设防烈度地震作用下的配筋结果并不能起到控制作用。其原因在于，多遇地震调整考虑抗震等级调整系数，转换构件的抗震等级为一级，内力调整系数为1.6，其调整后的内力大于设防烈度地震下不考虑抗震等级调整系数和荷载分项系数的计算结果。因此，对于转换构件，不能只依据性能化计算的结果进行配筋设计，应包络考虑多遇地震作用下的配筋结果。对于本工程，为进一步保证转换构件的安全性，针对转换构件提高性能目标为设防烈度地震作用下抗弯弹性、抗剪弹性，即按照《抗震规范》M.1.2-2 进行中震性能化设计，与小震包络取值，加强其安全储备。

5.2 楼板不连续

上盖业态商业及剧场均有较大开洞，造成楼板不连续，结构平面不规则。针对开洞周边的框架柱，设置中震抗弯不屈服，抗剪弹性性能指标，加大构件截面，提高整体刚度。对开洞周边楼板采取加厚措施，并辅以双层双向配筋，加强整体性。

5.3 竖向混合结构

本结构三层及以上采用钢框架结构，二层及以下采用钢筋混凝土框架结构，这就导致在二层顶存在结构的材料转换。虽结构已通过非比例阻尼的方式进行了补充计算，但在材料转换位置应进行抗震措施的加强。本结构通过设置二层及三层为薄弱层、放大地震力，提高配筋率、增大截面的方式对材料转换部位进行了加强。并针对二层的竖向构件设置抗弯不屈服、抗剪弹性的性能指标，提高其对三层钢结构的嵌固作用。

综合以上问题，本工程参照《抗震规范》进行了局部性能化设计，在小震作用下，整体结构按照常规设计，对首层转换层及二层薄弱层进行了地震力放大，并对关键构件进行了抗震等级调整。结构层间位移角限值如表6 所示。

表6 结构各部分层间位移角限值Tab.6 Limits of displacement angle between layers of each part of the structure

在设防烈度地震作用下，针对关键构件，分别指定了不同的性能水准，如表7 所示。其中中震弹性即承载力按照不计抗震等级调整的地震效应设计值进行复核。中震不屈服即承载力按照不计抗震等级调整的地震效应标准值进行复核。利用中震设计结果与小震计算结果进行包络配筋。

表7 结构主要构件抗震性能目标Tab.7 Seismic performance targets of main structural components

在罕遇地震作用下，进行整体结构的弹塑性分析，将包络配筋结果导入计算软件中进行复核。在罕遇地震作用下，结构的层间位移角均小于1／50，满足《抗震规范》要求。

6 结论

车辆段上盖开发类建筑因其上下明显的功能差别，需要针对具体情况对结构进行统筹考虑。

1.车辆段结构因首层工艺条件限制，首层层高较高，二层层高较低，刚度比较难满足，因此为保证结构有较好的整体刚度变化趋势，首层应尽量采用刚度较大的钢筋混凝土结构，二层及以上视情况采用钢筋混凝土或钢结构，在满足承载力的情况下，控制各层刚度比，减小结构不规则的影响。

2.转换层的选取，应尽量控制在较低的高度上。因转换梁转换柱为关键构件，尺寸均较大，结合建筑功能，设置在对尺寸相对不敏感的首层（车辆段功能区）更为合适。且能增大首层刚度，利于结构刚度比的控制。

3.针对竖向混合结构的阻尼比取值，采用统一阻尼比的方式，计算结果并不准确，可能造成结构设计偏于不安全或者不经济。建议采用非比例阻尼的计算方法，现有软件均能够实现，计算结果合理可靠。因竖向地震作用对水平转换构件的影响较大，规范仅给出了竖向地震作用的简化取值底线值。针对关键构件应采用补充竖向时程分析的方法进行补充计算，得到偏于安全的竖向地震作用取值进行设计。

4.针对车辆段建筑的各项结构问题，建议进行性能化设计。在确定性能水准时，应对小震结果进行充分分析，避免构件性能水准低于小震相应的承载力水平。针对车辆段可能产生的竖向构件不连续、楼板不连续、竖向混合结构等问题给出了相应的加强方式，供后续类似工程参考借鉴。