地铁车辆段,主要用于地铁车辆停车、检修等工作。通常情况下,地铁车辆段占地大,建设用地规模大。典型车辆综合基地按功能大致可分为出入段线、咽喉区、库房区、白地区等几个部分,如图1所示。现在各大城市的地铁车辆综合基地大多进行了综合物业开发。在车辆段上部加盖一两层楼板,形成“盖板”,在盖板上进行的物业开发,称为“上盖”。车辆段上盖一般是集地铁、公交、居住、商业、办公等多种功能的综合体。

　　 车辆段上盖开发能促进土地节约集约利用,车辆段上盖开发土地收益可反哺轨道交通建设。

　　 由于车辆段功能的要求,车辆段多为高大空间,一般停车列检库,结构层层高约为10～11m,检修库更是达到了约14m,而上盖开发标准层层高一般为3m,小汽车库最高约6m,上下层层高相差大,造成结构刚度的突变,如图2所示。车辆段由于受轨道、行车及检修等功能限制,对限界要求严格,造成上部物业开发的结构竖向构件无法直接落地,尤其是垂直轨道方向的剪力墙基本无法落地。

　　 在结构上,车辆段上盖物业开发的主要难点 ^[1]体现在以下几个方面:

　　 (1)车辆段内不能满足上盖的柱网布置要求,即地铁轨行区范围内不能有竖向构件,垂直轨道方向不能布置剪力墙等。

　　 (2)车辆段首层、二层层高差异大,容易在首层同时形成薄弱层及软弱层。

　　 表1为全国部分车辆段结构形式统计 ^[2,3,4,5]。从表中可以看出,设防烈度为8度的地区一般都采用隔震,而6度、7度地区较少采用隔震;上部结构形式有剪力墙结构或框架结构;剪力墙结构一般与隔震技术结合使用。

　　 对于车辆段上盖开发,其盖上部分结构,与常规高层建筑结构差别不大,最大的问题是首层(地铁车辆段)及二层(小汽车库)盖板的特殊要求。竖向构件的各种转换、计算控制指标的各项超限,大部分出现在此二层。因此,结构体系的研究,主要集中在车辆段的首层、二层盖板。

　　 上盖开发强度较低,一般在开发高度能满足框架结构A级高度情况下,结构体系可采用框架结构。如盖上的公共建筑部分,包括学校、幼儿园等。转换形式一般为托柱转换,而此类结构体系满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[6](简称高规)中框架结构的对应要求,结构设计相对简单。但是,当上盖为住宅或公寓时,框架结构的梁柱会影响上盖的使用效果。

　　 该结构体系的最大问题是首层同时为软弱层和薄弱层。如图2所示,按常规车辆段上盖开发模式,即首层为地铁车辆段、二层为物业停车库,由于不同功能要求,两层层高相差特别大(一般首层层高11m,二层6m),造成首层同时为软弱层和薄弱层,这也是大量车辆段上盖开发经常遇到的问题。而同时为软弱层和薄弱层,对结构抗震非常不利。解决办法有两条,一是增加首层柱截面和配筋,至少将其中一项调整至高规允许值以内,但此做法要求首层柱截面及配筋均大幅增加,非常不经济。二是采用桁架转换(目的是继续增加转换层刚度),如图3所示,在转换层增设部分斜撑,这样即可以减小转换梁高度及配筋,又可以大幅度提高转换层刚度(实际控制小震下层间位移角小于1/4 000),使转换层近似于刚体,转换层和下层可以合并成一层进行计算参数统计,从而让首层的软弱层与薄弱层问题同时得到解决。

　　 有条件的车辆段,中间预留约10～15m宽范围,在此范围内不布置列车轨道,以布置高层建筑核心筒。核心筒外的剪力墙,考虑在盖板顶进行转换。这样,上盖开发高层建筑基本能满足部分框支剪力墙结构的各项要求,可以按高规的部分框支剪力墙结构进行设计。

　　 图4为官湖车辆段首层局部平面。车辆段轨道为东西向车辆段布置时,在中间预留了两条约10m宽条带(图中阴影部分),从而保证上盖南北向户型核心筒可全部布置于此二条带上,有完整的约10m宽核心筒下地,实现所有上盖满足部分框支剪力墙结构要求。图5为官湖车辆段上盖某户型首层竖向构件在车辆段内的布置。

　　 根据高规的相关规定,7度区B级高度的部分框支剪力墙结构最大适用高度为120m。因此,此类结构类型适应于高强度的车辆段上盖开发。但该结构形式也有一定的局限性,它对于车辆段的布置要求很高,如轨道走向,当轨道呈南北走向时,就很难满足布置部分框支剪力墙的条件。

　　 一般在车辆段盖板顶部设置隔震层,将车辆段上盖结构与盖板采用隔震支座连接。目前设防烈度为8度的地区,车辆段上盖多采用隔震结构,7度区也有采用隔震结构的案例,如北京的五路车辆段上盖、西平府车辆段上盖、徐州杏山子车辆段上盖等。然而,在低烈度区,由于隔震结构经济性不明显,甲方往往不愿意采用隔震结构的形式。

　　 在低烈度区,上述提到的三种结构体系,都存在一定的缺陷,要么上盖开发强度上不去,要么受车辆段本身条件限制,探讨一种适用性广、上盖开发强度高的结构形式,在车辆段上盖开发中显得尤为重要。

　　 在多数情况下,车辆段布置不能满足采用部分框支剪力墙的条件,即没有办法让一个完整的核心筒直接落地。为此,研究了一种采用全框支剪力墙的结构形式,将转换层以上的剪力墙全部(单向或双向)进行转换。图6为一种全框支剪力墙结构转换层布置图,上盖塔楼剪力墙全部在盖板顶转换,盖下全部采用框支柱。转换层楼板可采用梁式转换或厚板转换。

　　 全框支剪力墙结构为现行国家规范所列的结构体系之外的一种新结构体系,因此,需对其设计方式进行一系列的研究探讨。

　　 国际著名混凝土及抗震专家R.Park教授和T.Paulay教授首次提出了基于能力的设计原理。其核心思想是选择理想的塑性铰位置并进行仔细的配筋设计,以保证其延性抗震能力;而不利的塑性铰或破坏机制(脆性破坏)则要通过提供足够的强度(考虑超强因素)加以避免。

　　 根据能力设计原理,选择一个合理的、动力特性可行的塑性铰机构,是成功设计一个延性抗震结构的第一步。根据“强转换弱上部”的思想,在大震作用下,整体屈服的楼层,应出现在转换层以上的底部加强部位,转换层以上的楼层应先于转换层以下楼层先屈服。对于构件,转换层以上结构的连梁端部、框架梁端部、转换层上部剪力墙底部加强区为带转换层结构潜在的塑性铰区,而不管竖向还是水平构件,均应实现“强剪弱弯,强节点弱杆件” ^[7]。

　　 为了保证以上选定的屈服机制,对于此类结构,要求采取以下措施:

　　 (1)如图7所示,控制楼层屈服强度系数,使转换层以下楼层屈服强度系数最小值大于转换层以上五层(高度与转换层以下相当,约15m)最大值的1.5倍,同时,转换层以下各层楼层屈服强度系数均不小于1.2。此规定的目的,一是保证屈服楼层出现在转换层以上的塔楼底部,二是保证转换层以下楼层具有足够的承载力,在大震作用下能基本处于弹性工作状况。

　　 (2)保证转换层以下楼层层间位移角最大值小于1/4 000(图7中的转换层以下两层),且与转换层上层层间位移角比小于1/1.5。此目的是保证转换层以下楼层具有足够的刚度。

　　 (3)严格按规范规定的要求进行构件承载力设计及采取构造措施,确保构件在预定的部位出现塑性铰。

　　 (4)进行大震或超大震弹塑性动力时程分析,进一步验证转换层上下楼层屈服的先后顺序,以及构件塑性铰出现顺序。

　　 为了达到“强转换弱上部”的设计思想,在性能目标设计方面,对转换层上、下需区别对待。目前设计的全框支剪力墙结构,转换层以上整体性能目标为C,而转换层以下整体性能目标为B,而对于框支框架,要求做到中震抗弯抗剪弹性,大震抗剪弹性,抗弯不屈服。

　　 为了有效利用车辆段内落柱空间,提高转换层以下楼层刚度,可采用普通框支柱与巨型框支柱相结合的方式来设计。普通框支柱可采用了矩形钢管混凝土柱,以提高其承载力和延性,而转换主梁为带窄翼缘型钢混凝土梁,窄翼缘型钢主要用于增加转换梁的抗剪承载力。普通框支柱及框支梁按规范要求及预设的抗震性能目标进行设计。

　　 由于框支层无落地剪力墙,水平地震力均由框支柱承担。为了提供足够的水平地震承载力,要求无剪力墙方向应设置巨型框支柱,如图6所示,巨型框支柱截面一般要求沿地震作用方向不小于1.6～1.8m,对于高度超100m高层建筑,一般要求不小于2.0m,并且巨型框支柱承担的水平地震剪力不小于楼层总水平地震剪力的50%。

　　 构造方面,根据萝岗车辆段上盖第一次超限审查意见要求,巨型框支柱箍筋配箍特征值在高规10.2.10条基础上增加1.5倍采用,且7度区体积配箍率不小1.6%。

　　 为了方便施工,钢管混凝土柱钢管壁只伸至梁底。钢管内插钢筋笼传递柱端弯矩,柱端设置钢牛腿,以增加节点刚度和承载力,同时防止钢管壁对梁端混凝土造成局部受压破坏。针对转换梁柱节点(图8),进行了有限元分析(图9),确保节点承载力大于构件承载力要求。从节点有限元分析结果(图10)可知,节点设计能满足强节点弱杆件要求。

　　 由于无落地剪力墙,所以上部剪力墙所承担的水平地震力需全部通过转换层楼板传递到框支柱上,如图6所示。全框支剪力墙结构的转换层楼板是一个非常关键的传力构件。在全框支剪力墙结构中,要求转换层楼板为关键构件,并满足大震抗剪弹性、拉压弹性的性能目标要求。

　　 构造上,为了保证墙底剪力能可靠传递至框支柱上,并协调普通框支柱与巨型框支柱间共同承担楼层地震剪力,转换层楼板的刚度和截面抗剪承载力都必须得到保证。要求转换层楼板厚度不小于250mm(结构总高120m)或200mm(结构总高100m),双层双向拉通配筋,配筋率不小于0.25%。中震及大震作用下,通过有限元方法对转换层及上下层楼板进行应力分析,并根据分析结果对楼板应力较大区域进行加强,保证在地震作用下楼板能有效传递水平荷载和有效协调所连接结构的变形。

　　 广州地铁六号线萝岗车辆段位于广州市萝岗区,规划用地面积31万m²,总建筑面积93万m²,其中计容面积60.6万m²,容积率2.14,车辆段上盖总高度119m。项目鸟瞰效果图如图11所示。

　　 由于车辆段轨道呈南北走向,无法满足采用部分框支剪力墙结构要求。本项目垂直轨道方向采用了全框支剪力墙结构。图12为萝岗车辆段某户型转换层布置图。框支柱采用了两类截面形式,一类是巨型框支柱,尺寸为1 500×2 900,其中2 900mm方向为垂直轨道方向,采用普通钢筋混凝土柱。另一类为普通框支柱,尺寸为(1 000～1 400)×(1 500～1 600),采用矩形钢管混凝土柱,钢管壁厚为30mm。转换梁高2 000mm,内置窄翼缘型钢,以增强转换梁抗剪承载力。转换层楼板厚度为250mm。

　　 性能设计方面,转换层以上整体性能目标为C,而转换层以下整体性能目标为B,而对于框支框架,要求做到中震抗弯抗剪弹性,大震抗剪弹性,抗弯不屈服。转换层楼板,性能目标为大震抗剪弹性、拉压弹性。

　　 转换层以下楼层屈服强度系数最小值与转换层以上五层(高度与转换层以下相当,约15m)最大值的比值为1.53,转换层以下楼层屈服强度系数最小值为1.39,如表2所示。

　　 转换层以下楼层层间位移角1/4 540,小于1/4 000;转换层以上楼层与转换层以下楼层层间位移角比为1.49,基本满足小于1.5的要求,具体见表3。

　　 表4为转换层以下各类竖向构件承提的水平地震力情况,由表中数据可知,巨型框支柱承担了约58%的水平地震剪力,满足巨型框支柱承担楼层水平地震力大于50%的要求。

　　 图13为车辆段单塔户型的大震弹塑性时程分析结果。由图可知,转换层以上墙体出现轻度至局部中度损伤而框支柱仅出现轻微损伤;转换层以上楼层先于转换层以下屈服。进一步证明了此类全框支剪力墙结构,在转换层以下具有足够的刚度和承载力,结构在大震作用下,能按照预设的楼层进入屈服,而转换层以下基本处于弹性状态。

　　 该项目已经完成了政府组织的超限审查和施工图设计,超限审查中,专家对全框支剪力墙结构的屈服机制、框支柱(含巨型框支柱)的承载力和延性保证、转换梁柱节点设计等方面提出了合理建议,并已经落实在结构设计中。目前正处于施工阶段。

　　 采用全框支剪力墙结构,应着重处理好以下几方面的设计工作:

　　 (1)应保证全框支剪力墙结构转换层以上的楼层先于转换层以下楼层屈服,保证转换层以下楼层具有足够的侧向刚度和楼层抗剪承载力,其屈服机制、变形特征等与预定目标相符。应在转换层以下设置巨型框支柱,保证巨型框支柱承担的水平地震剪力不小于楼层总水平地震剪力的50%。

　　 (2)应控制转换层上下楼层的屈服强度系数,转换层以下楼层屈服强度系数最小值大于转换层以上五层(高度与转换层以下相当,约15m)最大值的1.5倍,同时,转换层以下各层楼层屈服强度系数均不小于1.2。

　　 (3)保证转换层以下楼层层间位移角最大值小于1/4 000,且与转换层上层层间位移角比小于1/1.5。

　　 (4)强化转换梁柱节点设计,确保节点传力的可靠性。

　　 (5)转换层以下整体性能目标应比转换层以上整体性能目标提高一级。