地铁上盖物业开发超限高层建筑结构可行性研究分析

杲 颖

(江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221600)

0 引言

随着城市的快速发展，部分城市可用地资源越来越缺乏，目前的解决办法之一就是盘活存量可用地，鼓励在新建的地铁、铁路站点实施土地综合开发，因此，在进行轨道交通建设时，通过上盖物业进行综合开发，对土地资源的可持续利用和发展有重要意义[1]。

徐州地铁车辆段场建设即为上盖物业开发项目，场地内地面层为车辆段场用地，二层为住宅汽车库，同时作为转换层承托其上若干栋住宅楼。本文以该上盖开发项目为例，介绍其结构体系、抗震性能目标及相应的计算分析等内容，以期为其他类似工程提供参考。

1 工程概述

徐州轨道交通3号线银山车辆段总用地面积27.4万m2，上盖开发盖板占地面积15.8万m2，盖上进行居住建筑物业开发，上盖开发总建筑面积约36.4万m2，其中，盖上住宅建筑面积27.7万m2。

根据建质[2015]67号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[2]，运用库上盖高层住宅区存在一定的平面不规则和竖向不规则问题，且上部竖向构件不落地，超出规范范畴，为超限高层建筑。

2 结构体系与布置

2.1 结构体系

轨道交通物业开发大多是在轨道上方跨线建设，使得上盖物业结构的竖向构件难以竖向连续贯通，上盖物业与盖下运用库柱网无法对齐，形成了大范围竖向构件的转换，需要在上盖平台布置水平转换构件，即需要使用转换层来完成对上、下不同柱网，不同开间的结构转换，并合理解决竖向结构的突变性转化。

采用迈达斯数值分析软件[3-4]，对徐州轨道交通3号线银山车辆段运用库进行了数值分析。迈达斯是一种有关结构设计的有限元分析软件，被广泛应用于建筑、桥梁、岩土等领域。本工程运用库大平台区域，东西向长约337 m，南北向宽约264 m。通过设置南北向2条变形缝，东西向3条变形缝将整个平台分为12个大底盘多塔结构，无地下室，一层为车辆段运用库，结构层高10.0 m，二层为住宅停车库，结构层高6.0 m，3～13层为上盖住宅，住宅首层结构层高5.1 m，其余各层结构层高2.9 m，总高度为48.75 m，计算模型图如图1所示。上部住宅的竖向构件在住宅停车库顶板上做转换，结构形式为带梁式转换层的框架结构，转换层设置在二层(住宅停车库层)，各结构基本情况见表1。

图1 分区整体模型

2.2 竖向构件及楼面布置

本工程在车辆段运用库上设大平台顶盖，顶盖上设多个塔楼。由于盖下有列车股道、工艺和停车库要求的限制，车辆段运用库和住宅停车库采用框架结构，上盖平台区域的高层住宅塔楼采用框架结构。车辆段运用库的框架柱主要截面：2 000 mm×2 200 mm、1 800 mm×2 200 mm等；住宅停车库框支柱：1 800 mm×1 800 mm、1 600 mm×1 600 mm等；住宅塔楼框架柱：400 mm×400 mm，500 mm×500 mm等。

楼层典型楼板厚度为：二层楼面(运用库顶板)楼板厚200 mm；三层楼面(转换层)楼板厚度为300 mm；四层楼面(住宅首层)楼板厚度为120 mm，其余上部楼板厚度均为100～120 mm；屋面楼板厚度120 mm。

3 超限判别及抗震性能化设计

3.1 结构超限判断

根据建质[2015]067号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》分别针对本项目各分区的超限类型和超限程度进行判断。

各分区均存在两项平面不规则和三项竖向不规则：扭转不规则、偏心布置、刚度突变、构件间断以及承载力突变，超限。局部楼存在塔楼偏置情况，超限。各分区均为特殊类型高层建筑，超限。

因此可知，本项目各分区均为超限结构。根据整体不规则性的程度，局部主体结构属于特殊不规则结构，本项工程属于结构抗震超限工程。

3.2 结构抗震性能化设计

本工程根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[5]和JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[6]，在满足国家、地方规范的同时，根据性能化抗震设计概念，针对结构超限情况，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，本项目的性能目标选用“C”：多遇地震作用下结构达到性能水准“1”的要求，设防烈度地震作用下结构达到性能水准“3”的要求，预估的大震作用下结构达到性能水准“4”的要求。

针对本工程高度较小、整体结构除转换层区域外均较为规则的特点，对不同类型构件(关键构件、普通竖向构件和耗能构件)的性能要求进行区分。性能目标涉及的不同类型构件具体为：关键构件——转换梁及转换柱、车辆段框架柱；普通竖向构件——除关键构件以外的竖向构件；耗能构件——除关键构件以外的楼层框架梁。主楼框架的抗震设计性能目标见表1。

表1 结构抗震设计性能目标

结构抗震加强措施：

1)根据建筑结构的实际情况，合理设置结构缝，保证较为合理的结构单元，每个结构单元尺寸约为100 m×100 m。

2)尽量使上部结构简单、规整、对称、受力均匀、位移角可控。由于底层和3层(住宅首层)层高较高，形成薄弱层，为调整刚度比，适当加大底层和3层的梁柱截面，并加强配筋。加强转换层及转换层上一层楼板的厚度和配筋。

3)上部结构柱尽可能落在框架梁及一级次梁上，控制落在二级次梁上柱的数量，通过适当加大转换梁的宽度和高度来增加转换梁的刚度，减少转换梁挠度。转换梁采用预起拱以减小挠度。

4)计算桩基沉降，控制相邻柱(特别是转换柱与非转换柱)的沉降差。本工程结构2层楼面及以下按重点设防(乙类)设计，2层以上按标准设防(丙类)设计。

5)通过竖向构件的调整布置减少整体结构质心和刚心的偏离，与建筑专业协商，适当加高周边梁高，提高结构的抗扭刚度。

4 小震弹性分析

本工程使用YJK和Midas Buliding两种三维空间结构分析程序进行计算比较，按振型分解反应谱法进行抗震计算[7]，计算所得结果见表2。

表2 整体计算结果对比

由表2可知，同一结构使用两个软件计算得到的结构总重量、振动模态和周期基本一致，结构扭转效应较小。

风荷载(X向、Y向)和地震荷载(X向、Y向)作用下计算得到的楼层最大层间位移角均小于规范限值1/550，满足要求。

JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》3.4.5条规定：对于复杂高层建筑，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与平均值的比值不宜大于1.2倍，不应大于1.4倍。各区在地震作用下计算得到的楼层最大位移比均小于规范限值1.4，满足要求。

分区两个主方向的刚重比均能够通过JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》的整体稳定验算，不需要考虑重力二阶效应。

前述分析结果表明，在多遇地震作用下结构整体性能及结构构件均满足规范规定，即能够达到JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中性能水准“1”的要求。

5 中震等效弹性分析

本工程采用JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》性能设计要求，对于1层、2层(转换层)竖向构件在中震下的抗剪抗弯按满足弹性设计的要求进行验算。设计采用YJK程序进行等效中震验算复核。

从该区中选取一个典型转换柱，选取的柱子尺寸均为1 800 m×1 800 m。柱子的正截面中震弹性验算结果如图2所示。结果表明转换柱均能满足中震弹性的要求。

图2 转换柱中震弹性验算

楼板作为主要的水平抗侧力构件，与竖向抗侧力构件一起形成了一个完整的抗侧力体系。提供由上到下、由左到右连续的传力途径，确保惯性力的传递。楼板在承受和传递竖向力的同时，在地震过程中自始至终地把水平力传递和分配给竖向抗侧力构件，协调同一楼层中竖向构件的变形。因此，楼板是强度构件。延性耗能机制不应体现在楼板之中。钢筋混凝土楼板的抗震设防目标应达到小震混凝土核心层不裂，中震按承载能力极限状态设计楼板的抗拉强度，大震仍能继续承受竖向荷载作用和地震作用，保持结构完整性。图3为转换层在地震中楼板的应力。

该分区的X向主拉应力最大值为0.282 MPa，Y向主拉应力最大值为0.313 MPa，均小于C35混凝土抗拉强度标准值ftk=2.20 MPa，满足中震要求。

图3 转换层在地震下楼板应力

结果表明，结构在中震作用下采用等效弹性方法分析的性能能够达到JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中性能水准“3”的要求。

6 大震弹塑性分析

采用动力弹塑性时程分析方法，直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应，该方法未做任何理论的简化，是目前结构非线性地震反应分析领域最完善的方法。弹塑性时程分析采用有限元软件Midas Buliding，考虑3个因素：

1)几何非线性：结构的动力平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，“P-Δ”效应，大变形效应等都被精确考虑。

2)材料非线性：直接在材料应力—应变本构关系的水平上模拟。

3)动力方程积分方法：直接积分，可以准确模拟结构的破坏形态。

依照抗震规范要求，本报告选用了5组天然波(天然波1～5)和2组人工波(人工波1～2)来进行弹塑性分析。7组波包含3个方向的数据：主方向、次方向和竖向。

表3 地震波选取

结构在罕遇地震作用下的最大层间位移角曲线如图4～5所示。

在罕遇地震作用下，7条地震波作用下的最大层间位移角均小于层间弹塑性位移角限值(1/50)的要求。

为了解该结构在大震作用下由弹性到屈服以及屈服后阶段的全过程行为，判断结构在大震作用下是否存在可能的薄弱区，对结构构件塑性铰发展进行跟踪观察[8-9]。

选取该分区的典型计算结果进行分析，X、Y方向作用下塑性铰的开展情况如图6～7所示。

在人工波1(ArtWave-RH1TG045)沿Y向为主向输入下结构破坏程度相对最大，构件进入塑性状态的相对最多。因此，以下仅以人工波1沿Y向为主向作用下的结构构件的塑性铰分布进行分析。

图4 罕遇地震作用下层间位移角曲线(塔1)

图5 罕遇地震作用下层间位移角曲线(塔2)

图6 人工波1在X向计算结果

图7 人工波1在Y向计算结果

从图8～10可以看出，罕遇地震作用下转换梁(2层)均为第一屈服阶段弯曲铰，未出现第2阶段屈服铰，其余框架梁多数出现第2阶段屈服铰，但框架梁塑性变形值均在0.01以下，表明转换梁满足IO(轻微损坏，不屈服)性能水准，其余框架梁多数塑性损伤超过IO(轻微损坏，不屈服)性能水准，均没有超过LS(中度损坏)性能水准，框架梁满足性能水准4的要求。

图8 2层框架梁出铰情况

从图11～13可以看出，罕遇地震作用下转换柱及车辆段框架柱(1～2层)均为第一屈服阶段弯曲铰，未出现第2阶段屈服铰，其余框架柱少数出现第2阶段屈服铰，主要集中在塔楼首层(3层)，但框架柱塑性变形值均在0.01以下，表明转换柱及车辆段框架柱满足IO(轻微损坏，不屈服)性能水准，其余框架柱少数塑性损伤超过IO(轻微损坏，不屈服)性能水准，均没有超过LS(中度损坏)性能水准，框架柱满足JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中性能水准“4”的要求[10-11]。

图9 1、3层以上框架梁出铰情况

图10 框架梁塑性变形值

图11 1～2层框架柱出铰情况

图12 3层以上框架柱出铰情况

综前所述，结构在大震输入下的弹塑性反应及破坏机制符合结构抗震工程的概念设计要求，抗震性能够达到JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中性能水准“4”的抗震性能目标要求。

图13 框架柱塑性变形值

7 结论

根据建质[2015]067号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的要求，对该超限高层建筑进行了静力弹性及对比分析、中震等效弹性分析、大震动力弹塑性分析及构件的各种性能目标验算。各项分析结果表明：目前选取的结构体系成立，结构构件能够满足拟定的抗震性能目标，各项计算指标能达到规范的要求。

本工程虽然存在超限情况，但通过结构的合理布置调整和对关键构件的加强，可以满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求和本工程的抗震性能目标要求。通过对结构薄弱部位采取合理的加强和构造措施，本工程的结构安全性能能够得到保证，并能满足建筑物的使用要求。