某车辆段上盖项目超限高层建筑结构设计与抗震性能分析

吕潮 张洵

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510620）

0 引言

在城市用地日益紧张的环境下，迫切需要提高土地资源的利用效率，近年来，涌现了一大批带上盖开发的车辆段。不同于非上盖开发车辆段，在满足盖下地铁车辆段功能需求的同时，还需兼顾上盖开发。由此产生了全新的结构形式——全框支剪力墙结构。因首层需满足地铁停放需求，层高较大，存在刚度突变、承载力突变、构建间断、扭转等不规则项，属于超限高层建筑，需要进行专项论证。本文结合实际项目，对全框支剪力墙结构在各地震水准作用下的抗震性能进行分析，针对薄弱部位采取加强措施，确保结构满足设定的性能目标。

1 工程概况

1.1 基本情况

本项目为粤港澳大湾区城际线路广州东至花都天贵工程空港车辆段同步实施工程。空港车辆段为单层车辆基地，其上设置上盖开发，项目开发总平面图如图1所示。

图1 上盖开发总平面图

车辆段首层为地铁车辆停放、检修区，二层为上盖物业小汽车库，三层（即裙房屋面）为上盖物业日常活动区域，如体育、休闲娱乐设施等。本文主要介绍22#~26#，位于车辆基地运用库区。22#~26#为高层住宅，总高度95.9m，不设置地下室，首层盖板标高9m，二层盖板标高15m，裙楼以上27层，共29层。

1.2 设计参数

该工程主体结构设计工作年限为50年，安全等级为二级，结构重要性系数1.0。

结合《建筑结构荷载规范》[1]（GB50009-2012），该工程的基本风压为Wo=0.45kN/m2（50年重现期），因建筑高度>60m，承载力计算时取1.1倍的放大系数。体型系数取1.4，地面粗糙度类别为C类。舒适度验算时的风压为0.30kN/m2（10年重现期）。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]（JGJ3－2010）（以下简称《高规》），该工程位于广州白云区人和镇，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.05g，场地类别为II类，特征周期为0.35s，建筑抗震设防类别为标准设防类（丙类）。

1.3 结构体系及布置

结合盖下工艺限界要求，采用全框支-剪力墙结构，转换层位于二层盖板，转换形式为厚板转换，转换层结构布置见图2。

图2 转换层结构布置图

由竖向构件（含框支柱、框架柱）承担地震荷载及风荷载产生的水平剪力，由框支框架承担塔楼倾覆弯矩。盖下主要为两线跨，垂轨向柱距为13.3m，顺轨向柱距为9.9m，框支柱截面为1900mmx1900mm，框支柱混凝土强度C60。转换厚板厚度为2000mm，混凝土强度C55。剪力墙底部加强区域墙体厚为250~350mm，上部楼层墙厚度根据受力计算逐步缩减至200mm，剪力墙混凝土强度C60~C30。

2 超限情况及结构抗震性能设计目标

该工程主屋面高度95.9m<120m，高度不超限。但存在6项不规则项：（1）构件间断（厚板转换）；（2）刚度突变及尺寸突变（多塔）；（3）承载力突变；（4）扭转不规则及偏心布置；（5）凹凸不规则及组合平面；（6）楼板不连续。

针对以上超限情况，按照国标《高规》[2]的相关内容，该结构抗震性能目标为C，其中框支框架部分提升至B级，不同地震水准下的结构抗震性能目标及预期的震后性能状况见表1、表2。

表1 结构抗震性能目标

表2 各性能水准结构预期的震后性能状况

3 结构分析

3.1 多遇地震作用下弹性分析

为避免单一软件分析的局限性，分别采用YJK和ETABS对塔楼进行小震弹性分析。经计算对比，两种软件的计算结果基本相当，各指标相差不超过10%（除风荷载下层间位移角最大位移角相差12.51%外）。有效质量系数>95%，计算振型数足够。在风荷载和地震作用下，楼层层间位移角均小于1/1000，满足《高规》3.7.3要求，该工程层间位移角由风荷载起控制作用。在偶然偏心地震荷载作用下，最大扭转位移比在1.2~1.5之间。

采用弹性时程分析法对小震作用进行补充计算。选取7组加速度时程曲线，包含5组天然波和2组人工波。选取的时程曲线的地震影响系数曲线与振型分解反应谱的地震影响系数曲线的统计意义相符。各条波的小震时程分析与规范设计谱计算结果对比如表3所示。

表3 时程曲线与CQC法基底剪力对比表

由表3可知，各条时程曲线计算所得底部剪力均大于振型分解反应谱法计算底部剪力的65%，且各条时程曲线计算所得底部剪力平均值大于振型分解反应谱法计算所得底部剪力的80%。上部部分楼层存在时程分析计算，所得的剪力平均值大于反应谱法计算所得剪力，采用反应谱法计算剪力时，对这些楼层的剪力进行放大。

3.2 设防地震作用下结构验算

通过设防地震（中震）作用下的结构等效弹性分析，可以得出框支框架、转换暗梁、转换厚板等能保证中震弹性，其他构件能保证相应性能水准要求。综上所述，该工程能够达到预定的中震性能目标。

3.3 罕遇地震作用下弹塑性分析

采用PKPM-SAUSAGE软件进行大震作用下的动力弹塑性分析。选取2组天然波和1组人工波，采用双向地震输入，主、次方向加速度峰值比为1.00∶0.85。

通过计算，各模型大震弹塑性时程分析所得基底剪力为CQC法小震基底剪力的4.5~7.1倍，其中，X方向平均为5.6倍，Y方向平均为5.4倍，满足要求。大震弹塑性最大层间位移角在1/445~1/335之间，满足1/120限制要求。转换层的X向层间位移角在1/803~1/549之间，转换层的Y向层间位移角在1/770~1/537之间，转换构件基本处在弹性阶段。

大震作用下的动力弹塑性分析表明，3条地震波作用下结构的塑形损伤情况基本一致，选取X、Y向层间位移角最大的地震波动力弹塑性分析结果进行结构损伤情况描述，如图3、图4所示。

图3 X向作用（最后时刻）的结构损伤情况

图4 Y向作用（最后时刻）的结构损伤情况

综合构件损伤情况，分析结果表明：

（1）连梁损坏较严重，部分构件甚至达到重度损坏，很好地起到了耗能的作用；

（2）楼板：大部分无损坏，局部为轻微损坏，达到大震下性能水准的要求；

（3）剪力墙：大部分处于无损坏及轻微损坏，局部为轻度及中度损坏；

（4）框架梁：大部分为轻微损坏，其余为无损坏，部分为轻度及中度损坏，可起到耗能的作用；

（5）框支框架：均为轻微损坏，裙楼柱均为轻微损坏，达到大震下性能水准的要求。

4 抗震加强措施

通过计算分析，对结构重要部分、薄弱部位进行加强，并采取相应的抗震构造加强措施，以满足设定的抗震性能目标。加强措施如下：

（1）增加结构底盘安全度，对框支框架（包括转换厚板）性能目标加强为B级。

（2）针对首层存在侧向刚度突变、承载力突变，首层考虑对薄弱层进行加强，地震作用标准值的剪力乘以增大系数1.3。保证首层具有足够的侧向刚度，该层层间位移角在设防烈度作用下介于1/2348~1/1829，在罕遇地震下弹塑性位移角介于1/661~1/418。框支柱控制竖向筋配筋率不小于1.2%；箍筋全高加密，体积配箍率不小于1.5%。

（3）控制厚板竖向挠度在准永久组合及中大震下满足不大于1/500跨度；设计时按一级抗震等级的水平构件放大地震内力，复核转换层在大震作用下的变形和应力水平，验证厚板、框支柱构件的安全性，根据计算结果加强构造措施，验算厚板在托墙位置处局部承压，保证大震下厚板转换层有足够的安全度。

（4）加强核心筒剪力墙周边框架梁及连梁，提高核心筒的整体性。加厚核心筒周边的楼板以及细腰连接处楼板厚度，楼板厚度150mm，采用局部弹性板包络设计，并采用双层双向配筋增强楼板的抗剪承载力及延性，保证水平力能可靠传递，提高结构整体性。

5 结束语

本文结合大、中、小震的地震动计算分析结果，并采取相应构造设计，对结构的重要部位、薄弱部位进行针对性地加强，可满足设定的抗震性能目标。经论证，该工程结构体系选择恰当，结构布置、构件截面取值合理，结构位移符合规范要求，剪重比适中，结构具有良好的耗能机制。针对超出规范限值的情况按规范要求做出相应的补充分析和加强构造处理，能满足现行规范的“小震不坏，中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。