随着城市用地日趋紧张,对车辆段上盖空间进行开发建设,集约利用城市建设用地及城市空间,是现在国内核心城市发展的一个趋势。地铁车辆段上盖物业项目有以下特点 ^[1]:1)车辆段建筑层高较高,一般为8～10m,而上盖开发物业建筑层高为3～6m,造成主体结构底部刚度突变出现软弱层;2)底部车辆段一般为跨度较大框架结构,且沿着垂直轨道方向对竖向构件制约较多,而上盖物业多为采用剪力墙结构或框架-剪力墙结构的住宅或办公物业,因此存在大量上部竖向构件一次甚至多次转换的情况;3)上盖物业开发预留条件的变化 ^[2],项目开发有自身特定程序,车辆段楼盖需先行开发完成验收后方可移交上部物业开发,整个过程需要一定的周期,这通常使得盖下建筑预留条件经常出现不能满足上盖物业后期开发的问题。

　　 地铁车辆段上盖结构通常会出现少量甚至无上部竖向构件可落地的情况,国内现行的结构设计规范 ^[3,4,5]对于常规结构体系的要求不能完全适用于此类建筑类型。本文以实际工程为例,引入“强下部弱上部”的概念,探索了地铁车辆段上盖全框支转换结构设计的新方向。为城市TOD项目的集约型开发提供了一种创新的结构形式,为今后类似工程提供了一定的借鉴和参考。

　　 本工程属于地铁车辆段上盖建筑项目。位于广州市白云区,项目总用地面积22.28万m²,其中一期建筑面积为18.71万m^{2 [6]}。项目建筑总图见图1。

　　 本工程一期不设地下室,地上为两层车辆段盖板(标高分别为8.5m和14.5m)及盖上建筑(17#～19#栋住宅、幼儿园、中小学)。17#～19#栋为14.5m标高处盖板层以上新建的46层建筑,盖下2层,结构总高度为156.6m。8.5m标高处地铁车辆段盖板已完成施工,通过结构防震缝划分为23个区,见图2。工程一期主要分布在12～23区,19#栋位于14区。本文以19#栋住宅为对象进行分析,结构楼层关系如图3所示。

　　 本工程设计基准期为50年,安全等级为二级,抗震设防烈度为7度(0.1g),抗震设防类别为标准设防类,场地类别为Ⅱ类,50年一遇设计基本风压为0.5kN/m²,地面粗糙度类别为C类。

　　 盖下建筑:8.5m标高处盖板(已施工完毕)主要功能为车库及其他功能用房,采用梁板结构,梁截面主要为400×900,300×800。14.5m标高处盖板作为上部住宅塔楼的转换层为现浇结构,上部结构落地剪力墙占比约为8%,转换层结构平面布置见图4(a)。

　　 盖上建筑:19#栋塔楼标准层楼面采用梁板式结构,梁截面主要为200×600,200×500,标准层结构平面布置见图4(b)。

　　 根据《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》(粤建市函[2016]20号)及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号)的有关条文,19#栋塔楼存在以下超限情况:1) 考虑偶然偏心的扭转位移比为1.40,属于扭转不规则;2)塔楼标准层平面外凸42%,属于凹凸不规则;3) 塔楼标准层楼板有效宽度为37%,属于楼板不连续;4) 设有转换层,属于存在竖向构件间断。

　　 综上,项目为存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、竖向构件间断、多塔等超限情况的B级高度的超限高层。采用SATWE软件对结构进行小震设计,并用MIDAS软件进行复核;中震作用下对结构进行等效弹性分析;采用PKPM-SAUSAGE对结构进行大震动力弹塑性分析。

　　 本工程设计难点:已建设车辆段为跨度较大框架结构,且沿着垂直轨道方向竖向构件制约很多;而盖上为小开间的剪力墙结构住宅,存在大量上部竖向构件一次甚至多次转换的情况。同时车辆段建筑层高较高(首层层高8m,2层层高6.5m),住宅首层层高为6m,标准层层高3m,容易造成结构底部刚度突变,形成底部软弱的“鸡腿”形式结构。

　　 为解决上述问题,设计引入了“强下部弱上部”的设计概念。首先通过并缝处理,使盖下结构形成强刚度的大底盘,为上部结构提供构造嵌固端;其次通过设置合理的性能目标,采取充分计算分析措施及完善的构造措施保证盖下框支柱(墙)、框支梁有足够的整体强度、刚度,进行有目的的性能设计,可保证结构底部区域及转换层相关范围破坏晚于上部塔楼,避免形成不合理的结构破坏形态。

　　 根据结构超限情况、结合结构特点,本工程以“强下部弱上部”为目标有针对性地将转换层的框支柱(墙)、框支梁抗震性能目标设定为B级,其余构件设定为C级。相应结构抗震性能目标要求见表1。

　　 由于盖下结构分区较多且底层车辆段层高较大,落地剪力墙数量少,容易形成上强下弱的“鸡腿”形式结构。为避免出现不利的“鸡腿”形式结构,如盖下裙楼可通过“并缝”处理,大幅加强结构底部区域刚度、强度,这样可在上盖顶部14.5m标高处形成结构第二嵌固端,同时加强结构整体抗倾覆、抗滑移能力。“并缝”处理后的结构,虽出现多塔及塔楼偏置等不利情况,但对于结构整体分析,可增强底部转换层刚度,所以可以选择“并缝”的做法。

　　 本工程高层住宅区域,在8.5m标高处通过“并缝”分别形成两个边长约为200m区域的(三角形及斜方格)大底盘结构,分区示意详见图5。14.5m标高处盖板分缝形式同8.5m标高处盖板。

　　 8.5m标高处盖板并缝拟采用植筋形式的叠合板做法。通过复核分区间传递的剪力及拉、压力,确定叠合板单边宽度为2.5m,植筋规格单边612,纵向间距500mm,植入原结构100mm。并缝大样具体做法详见图6,图中d为钢筋直径。

　　 8.5m标高处盖板分区间并缝后,形成大底盘结构,加强了底盘整体性。但同时带来大底盘多塔及塔楼偏置的不利影响,需通过合理有效的分析以保证其可靠性。

　　 为了研究单塔结构连接后形成多塔结构的影响,对比分析19#栋单塔模型和并缝后多塔模型,多塔结构模型图见图7,多塔模型与单塔模型结构自振周期对比见表2。从表2可知,多塔模型相对于单塔模型平动和扭转周期缩短,表明并缝后结构整体刚度有所加强。

　　 多塔模型与单塔模型裙楼层间位移角、扭转位移比比较见表3。由表3可知,在小震工况下,相对于单塔模型,多塔模型8.5m标高处盖板层X向层间位移角减小11.6%,转换层盖板层间位移角减小16.0%。8.5m标高处和转换盖板处的层间位移角对比结果同样说明,并缝后结构底部的层间位移角减小,X向刚度有所提高。

　　 为研究剪力在塔楼和裙楼间的传递规律,多塔模型提取塔楼范围内的楼层剪力和单体模型数据进行比较,如图8所示。多塔模型在裙楼以上的楼层剪力比单塔模型有所放大。塔楼向裙楼屋面传递的剪力仅为439kN,在连接区域产生的楼板应力在0.1MPa之内。说明裙楼刚度的影响较小,塔楼仅有小数量级的剪力传递给了裙楼。

　　 多塔模型与单塔模型结构受力主要差异如下:1) 多塔模型由于裙楼的作用,塔楼吸收的地震力有所增大。2) 由于裙楼刚度的存在,在裙楼顶部出现塔楼楼层剪力向裙楼传递的现象,相当于裙楼是塔楼的第二嵌固端。塔楼剪力在第二嵌固端出现扩散的现象。3) 剪力传递的数值不大,塔楼与裙楼连接区域有足够的安全度。

　　 本工程结构内力主要为地震控制,主体结构在小震下的计算分析采用PKPM和MIDAS两个不同计算内核的软件,得出主要计算结果基本吻合,见表4。由表4可知,地震作用下转换层最大层间位移角X向为1/8 620,Y向为1/9 999,满足性能目标设定的转换层层间位移角最大限值为1/2 000的要求。

　　 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[3](简称高规)附录E.01条,当转换层设置在1,2层时,转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比γ_e1宜接近1.0且不应小于0.5。本工程19#栋X向γ_e1为0.79,Y向为1.25,满足规范要求。

　　 根据高规及广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ 15-92—2013) ^[4]第3.5.3条规定B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。本工程的转换层与上一层的受剪承载力比X向为1.74,Y向为2.45,满足相关规范要求。

　　 根据计算配筋结果并通过对已施工部分构件进行复核,可知所有转换层相关构件在小震作用下均满足弹性的性能目标要求。

　　 采用PKPM软件对住宅塔楼结构进行中震等效弹性分析,整体计算结果见表5。由表5可知,中震作用下,结构各构件均能满足设定的性能目标要求。

　　 采用PKPM软件对住宅塔楼结构进行大震作用下等效弹性分析,整体计算结果见表6。由表6可知,大震作用下,框支柱(墙)、框支梁可满足抗剪不屈服,抗弯不屈服的性能目标。

　　 本工程采用PKPM-SAUSAGE动力弹塑性计算软件建立模型进行动力弹塑性时程分析(图9)。结合本场地实际情况,选取了天然波1(TH101TG040)、天然波2(TH076TG040)、人工波(RH4TG040)共3组地震波(图10)进行结构大震作用下的动力弹塑性时程分析,地震波峰值加速度为220gal。在3组地震波作用下,X向楼顶最大位移为0.483m,最大层间位移角为1/230(位于24层);Y向楼顶最大位移为0.645m,最大层间位移角为1/178(位于26层)。转换层X向层间位移角为1/1 233,Y向层间位移角为1/1 413,均满足规范限值要求,见图11,12。

　　 选用RH4TG040波作为典型地震波,由剪力墙钢筋塑性应变水平云图(图13)可见,结构大震作用下转换层以上绝大部分剪力墙受压损伤处于轻度损坏的状态,中部及以上的部分楼层出现小范围中度损坏的状态,塑性区域主要集中在连梁部位,出现了轻度及中度等不同程度的破坏。连梁耗能能力得到充分发挥,作为第一道设防体系消耗能量,对剪力墙墙肢起很大的保护作用。

　　 由转换梁性能水平图(图14)知,大震作用下框支柱(墙)基本处于无损或轻微损坏状态,仅个别转换梁出现轻度损伤,大部分转换梁处于完好状态,可满足关键构件抗剪不屈服、抗弯不屈服的性能目标要求。对于出现轻微损伤转换梁,在其内部增设型钢,加强抗震性能,保证其在大震作用下处于弹性水平。

　　 综上可知,结构在大震作用下处于相对稳定的状态,充分体现了强柱(墙)弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件,以及“强下部弱上部”的设计思路。可满足“大震不倒”的抗震设防目标。

　　 本工程为全框支-剪力墙结构,转换层框支框架作为整体结构中的关键构件,其损伤或破坏会直接导致结构系统的严重破坏或垮塌。采用PKPM-SAUSAGE软件将地震加速度时程最大值增大至400gal进行动力弹塑性分析,结构构件损伤见图15。由图15可知,在超越大震作用下,上部塔楼剪力墙较多部位出现中度或重度破坏部位(部分转角结构墙和连梁位置),框支框架仅出现轻微及轻度破坏(转换层框架梁和部分框支柱)。分析结果表明,当超越大震来临时,上部塔楼剪力墙将先于转换层框支框架破坏,可认为能实现“强下部弱上部”的目标。

　　 本文以实际工程为案例,引入“强下部弱上部”为目标的性能设计方法,有目的地引导结构往设定的破坏方向发展,避免不合理的结构破坏形态。

　　 通过合理设定结构的性能目标和一系列的抗震分析,针对性地加强关键构件的构造措施,确保地铁车辆段上盖全框支转换结构在整体满足规范要求的同时,实现“强转换,弱上部”的目标。探索了地铁车辆段上盖全框支转换结构设计的新方向,为今后类似工程提供一定的借鉴和参考。