某车辆段上盖超限高层的结构设计分析

董威，吕潮

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510010）

0 引言

随着经济的飞速发展，要求土地资源集约利用，地铁车辆段上进行物业开发利用已成为一种趋势，从车辆段结构形式、车辆段上盖建筑功能等方面阐述了带上盖物业开发的车辆段设计，并解决了相关设计问题。在保证满足车辆段规模功能以及运营安全的基础上最大化地兼容了车辆段上盖物业开发的需求，车辆段上盖物业开发的结构形式发展经历了全剪力墙落地→部分框支剪力墙→全框支剪力墙的演变。为验证全框支剪力墙结构在车辆段上盖开发项目中的实用性，本文选取了广州某车辆段上盖开发的典型区域进行设计分析。

1 工程概况

本项目为粤港澳大湾区某城际车辆段同步实施工程。本车辆段为单层车辆基地，车辆基地盖板上进行物业开发。车辆段首层为地铁车辆停放区、检修区，二层为上盖物业车库，二层顶部屋面为上盖物业日景观区域。本文主要介绍32#～36#楼，位于车辆基地检修库区。32#～36#为高层住宅，总高度84.4m，首层盖板标高9.6m，二层盖板标高15.1m，裙楼以上22 层，共24 层。图1 为建筑平面布置，图2 为转换层结构布置。

图1 建筑平面布置

图2 转换层结构布置

2 结构设计内容

本工程项目主体结构取50 年为设计工作年限，安全等级二级，结构重要性系数1.0。

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]（JGJ 3—2010）（简称《高规》），本工程项目位于白云区人和镇，抗震设防烈度Ⅵ度，设计地震分组第一组，场地类别Ⅱ类，建筑抗震设防类别标准设防类（丙类）。根据《建筑结构荷载规范》[2]（GB 50009—2012），本工程项目基本风压W0=0.50kN/m2（50 年重现期），体型系数1.4，地面粗糙度类别C 类。

结合车辆段使用功能的要求，上盖建筑采用全框支剪力墙结构，转换形式为厚板转换。由框支框架承担塔楼倾覆弯矩，由竖向构件（含框支柱、框架柱）承担地震荷载与风荷载产生的水平剪力。盖下垂轨向柱距为15.5m，顺轨向柱距为9.9m，框支柱截面为2000mm×2400mm，框支柱混凝土强度C60。转换厚板板厚度为2200mm，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调整至200mm，剪力墙混凝土强度等级C30～C60。

3 不规则项及性能设计目标

本工程主屋面高度84.4m＜120m，高度不超限。但存在6 项不规则项[3]：①扭转不规则，偏心布置。②组合平面。③刚度突变及尺寸突变（多塔）。④楼板不连续。⑤承载力突变。⑥构件间断（厚板转换）。

针对以上超限情况，按照国标《高规》[2]的相关内容，本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如表1所示。

表1 结构抗震性能目标

4 多遇地震作用下的设计分析

4.1 多遇地震作用下单塔与多塔弹性分析

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15.63%外）。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，本工程层间位移角由地震工况起控制作用。在偶然偏心地震荷载作用下，最大扭转位移比大于1.2 小于1.5。

YJK 多塔（5 塔模型）计算结果与32#～36#楼单塔结果基本接近，结构未出现明显不利反应。图3 为多塔结构计算模型。

图3 多塔结构计算模型

4.2 多遇地震作用下单塔弹性时程分析

采用弹性时程分析法进行下小震作用补充计算。选取7 组地震加速度时程曲线，各条波的小震时程分析与规范设计谱计算结果对比如表2 所示。

表2 时程曲线与CQC 法基底剪力对比

由表2 可知，各条时程曲线计算所得结果及多条时程曲线计算所得结果均满足《建筑抗震设计规范》[4]要求。且转换层以上楼层存在时程曲线计算所得结果大于反应谱法计算所得，采用反应谱法设计分析时对这些楼层的剪力进行放大。

5 设防地震作用下的设计分析

通过单塔模型和多塔模型分析，框支框架在中震下完全弹性。框支转换厚板采用弹性板模拟，厚板中转换梁采用壳单元进行模拟，进行中震弹性下的有限元分析，得到厚板大部分位置应力水平均较小，基本处于弹性状态。对于裙楼楼板，除局部部位应力集中外，大部分楼板拉应力、剪应力均满足混凝土抗拉强度设计值要求。对于上盖塔楼首层楼板，除局部应力集中外，大部分楼板拉应力、剪应力均满足混凝土抗拉强度设计值要求[5]。

由上述分析可知，为满足中震弹性的性能要求，可通过控制楼板板厚及楼板最小配筋率，并在应力集中处依据设计分析结果加强配筋。

通过对单塔模型在设防地震（中震）作用下的验算明确桩基抗水平力满足要求，而且竖向构件未出现拉应力，桩基均保持受压状态。

基于设防地震（中震）作用下单塔模型和多塔模型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。综上所述本工程项目可以达到预定的中震性能目标。

6 罕遇地震作用下的设计分析

6.1 罕遇地震作用下弹塑性分析

采用PKPM-SAUSAGE 进行单塔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，通过计算分析可得大震弹塑性时程分析下的基底剪力及弹塑性层间位移角均满足要求，且转换构件基本处于弹性阶段。

结构在3 条地震波动力时程分析下的塑性损伤分布情况基本一致，各构件损伤分析情况如下：框支框架柱均为轻微损坏，转换厚板无损坏，两项均满足性能水准3 的要求；上部剪力墙及楼板大部分无损坏、部分轻微损坏，两项均满足性能水准4 的要求；框架梁与连梁大部分无损坏或轻微损坏，部分轻度、中度损坏，起到了很好的耗能作用。

综上可得，本结构体系整体抗震性能良好，与预期性能目标吻合。

6.2 罕遇地震作用下单塔与多塔结构分析

通过单塔模型在罕遇地震（大震）作用下的验算明确桩基抗水平力满足要求，而且竖向构件未出现拉应力，桩基均保持受压状态。

采用单塔模型和多塔模型分别进行结构设计。并采取有限元软件对转换楼板进行应力分析，保证转换厚板大震情况下保持抗剪弹性、抗弯不屈服的性能水准，从而得到转换厚板最大应力均出现在局部应力集中部位，厚板大部分位置应力水平均较小，基本处于弹性状态，通过控制厚板最小配筋率，并配置横向箍筋，可满足大震下的抗剪弹性、抗弯不屈服的性能要求。

转换暗梁在大震目标组合作用下，通过适量配筋提高混凝土强度等级为C55，可满足转换暗梁受弯和受剪的验算要求，进而可保证转换暗梁在大震下保持抗剪弹性、抗弯不屈服。

7 结构构造加强措施

通过设计分析对结构重要部分、薄弱部位进行加强构造措施以满足预设的抗震性能目标。

（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）加厚核心筒周边的楼板以及细腰连接处楼板厚度为150mm，双层双向配筋，提高结构整体性。

（3）框支柱控制竖向筋配筋率不小于1.2%，全高加密箍筋，体积配箍率大于等于1.5%。

（4）按单塔及多塔分别验证满足在小、中、大震作用下的性能目标，施工图阶段各构件按单塔及多塔包络设计。

（5）针对首层除存在侧向刚度突变、承载力突变，考虑薄弱楼层设计加强，将地震工况下的剪力设置1.3的增大系数。

8 结语

本文结合单塔及多塔结构模型下小中大震的地震作用设计分析结果，针对上述超限情况，从设计分析和抗震构造两方面入手，对结构的薄弱环节、重要部位进行针对性加强。对于超出设计规范的部分按满足现行规范标准要求，进行专项设计分析并采取加强措施后可满足“小震不坏，中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。