1 车辆段上盖开发项目的发展现状及工程特点

1.1 发展概况

　　 车辆段上盖开发建筑将城市轨道交通与整体规划有机地结合起来,提高了城市土地综合利用效率。北京部分上盖开发车辆段如表1所示,其上盖开发主要以包括保障性住房在内的住宅建筑居多 ^[1]。

1.2 工程特点

　　 根据地铁车辆段工程项目特点,车辆段场区建筑主要由库区主体(一般包括运用库和联检库)、咽喉区、出入段线以及场区附属用房各部分组成 ^[1]。

　　 功能方面,首层库区、咽喉区、出入段线及附属用房为地铁运营所需用房; 2层受上盖开发要求大多设置小汽车库层; 3层及以上为上盖开发住宅塔楼。车辆段上盖住宅开发的主要区域是运用库及联检库,对于8度抗震区的北京以十几层小高层住宅居多。多数情况咽喉区不进行上盖开发或仅在轴网相对规则的区域开发3层以下的低矮小型办公。

　　 北京上盖开发地铁车辆段一览 表1

车辆段名称	所属线路	上盖开发情况	结构形式
平西府车辆段	8号线	高层住宅	框支剪力墙
五路停车场	6号线、10号线	高层住宅	层间隔震
南兆路车辆段	4号线南延	现况未开发, 改造开发住宅	正在设计中
焦化厂车辆段	7号线	高层公建	钢框架+支撑
榆树庄停车场	16号线	高层住宅	正在设计中
东小营车辆段	6号线	高层住宅	层间隔震
北安河车辆段	16号线	高层住宅	层间隔震
张家湾车辆段	7号线东延	商业综合体	框架结构
四惠车辆段	1号线	多高层住宅	层间隔震
郭公庄车辆段	9号线	高层住宅	框支剪力墙

 

　　  

　　 平面布置上,库区建筑轴网布置规则,外形通常为矩形,采用矩形框架柱; 而咽喉区受轨道的影响,柱网布置不规则,框架柱以圆柱居多。竖向布置上,受车辆限界和工艺方面的要求,首层层高较高,咽喉区一般为8m左右,运用库9～10m居多,而联检库达10～13m。2层小汽车库层高4.5～5.5m,小汽车库顶通常需设置1.0～1.5m屋面覆土。为适应此覆土高差,上盖开发首层(建筑3层)层高一般为4.5～5.0m,4层及以上层高则通常3.0m左右。整体结构明显呈现“下柔上刚”的不利情形。

2 层间隔震结构车辆段优缺点分析

　　 北京地处8度抗震区,对于上盖开发小高层住宅的车辆段项目,多采用层间隔震转换结构 ^[2]。其基本形式为,首层大库及2层小汽车库为隔震层下部结构,在小汽车库顶覆土厚度范围内设置隔震支座形成隔震梁板夹层,夹层上方为隔震层上部住宅塔楼 ^[2,3]。

　　 图1 层间隔震结构隔震层布置详图   

　　  

　　 此种结构形式存在其一定的合理性。首先,对于8度区上盖开发10～12层左右的小高层住宅,需设置一定数量的剪力墙才能有效保证整体结构的抗侧刚度。受车辆限界的限制,库区横向剪力墙几乎全部不能落至地面,与《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[4](简称《高规》)中部分框支剪力墙结构需有一定数量落地剪力墙的要求不符。如将横向剪力墙落地并在首层开大洞,则整体墙肢呈现明显的“下柔上刚”,结构形式不甚合理且落地墙厚度会因计算需求加大很多。采用层间隔震结构后解决了横向剪力墙不落地的问题。其次,《高规》规定8度区不允许采用厚板转换(类似“万能平台”方式)。采用层间隔震结构后,隔震层充当转换层,上盖墙柱布置更为灵活,基本不受下盖柱网条件的限制。再次,层间隔震结构可有效减小上部结构的地震作用,从而减小上部结构的梁柱截面尺寸。根据目前的设计经验,8度区建筑基本可减小1度即按7度区处理。最后,隔震支座除减小水平地震作用外,还可在一定程度上减小车辆竖向振动,虽然不及弹簧隔震支座,但相比未设隔震支座的一般建筑,对上盖住宅的舒适性起到一定的有利作用 ^[2,3]。

　　 虽然具备上述优势,采用层间隔震结构形式的车辆段也存在其不甚合理之处。首先,理论上隔震层位置越低,隔震效果越好,最为有利的隔震位置应当是基础。但如前所述,车辆段上盖部分塔楼的横向剪力墙是不能落地的,为了满足竖向构件转换的需求,隔震层需设置在结构竖向构件不连续的位置,为此只能设置于2层车库顶。其次,隔震结构的应用范围相对有限。众所周知,隔震结构适宜用在低矮的以剪切变形为主的短周期结构当中,对于上盖开发8～10层及以下的住宅项目,层间隔震结构可以起到良好的效果,但对于上盖开发更高的工程,其减震效能明显减低。再次,隔震结构对于6度、7度区减震效果不及8度区明显,对上盖造价的节省和截面尺寸的优化相对有限。最后,根据现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[5](简称《抗规》),隔震层下部结构需要满足“抗弯大震不屈服,抗剪大震弹性”的性能指标要求,隔震层下部结构造价较一般结构昂贵不少,截面尺寸较为粗大 ^[2,3,6]。

　　 综上,采用层间隔震结构形式的车辆段上盖小高层住宅开发项目,最终的结果通常是“牺牲了下盖,优化了上盖” ^[3,6],上盖结构较为优化,但下盖结构显著浪费,仅勉强满足车辆段运营的使用要求。

　　 图2 运营库2段结构布置图   

　　  

　　 图3 榆树庄停车场运用库2段计算模型  

　　  

3 框架+支撑结构在8度区车辆段上盖小高层住宅开发中的应用

　　 北京地铁16号线榆树庄停车场运用库盖上开发多栋10～14层住宅。本文以其运用库2段结构单元为例进行说明。工程抗震设防烈度为8度(0.2g),地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类。该结构单元上盖共4栋住宅塔楼:塔楼1为14层住宅,塔楼2、塔楼3为12层住宅,塔楼4为10层住宅(上述层数均不含下盖2层)。混凝土强度等级C60,钢筋强度等级HRB400,型钢强度等级Q345C。下盖柱网横向尺寸6.4～14.25m不等,上盖柱网尺寸6.25,7.10m,纵向尺寸均为9.0m。首层至3层层高依次为10.8,5.1,5.0m(包括汽车库顶住宅塔楼范围以外部分1.5m覆土厚度),其上塔楼标准层层高均为3.0m。结构总高度为53.9m。结构布置见图2,整体模型及运用库2段模型中的塔楼2模型(简称分塔2模型)如图3所示。盖上分别采用了框架+普通支撑及框架+防屈曲支撑(BRB)两种方案。

3.1 方案1:框架+普通支撑方案

　　 运用库2段首层及2层塔楼下方框架柱采用方钢管型钢混凝土柱,首层柱截面尺寸1.4m×1.4m,其型钢尺寸□900×900×40,2层柱截面尺寸1.2m×1.2m,其型钢尺寸□800×800×40; 非塔楼下方均采用普通混凝土柱,首层柱截面尺寸1.3m×1.3m,2层截面尺寸0.6m×0.6m。上盖塔楼3～7层采用工字型钢混凝土柱,7层以上楼层采用钢筋混凝土柱,柱截面尺寸0.8m×1.0m～0.6m×0.6m不等。支撑除3层采用□400×400×10外,其余层支撑均采用□300×300×10,材料均为Q345C钢。按照《抗规》附录G的规定,上述所列框架柱截面尺寸为按框架和框架+支撑两种结构形式包络计算的结果 ^[5]。

　　 利用MIDAS Gen结构有限元软件,对整体模型和分塔2模型分别进行弹性反应谱小震分析,主要计算结果如表2所示。

3.2 方案2:框架+防屈曲支撑(BRB)方案

　　 基本结构设计参数同方案1,防屈曲支撑(BRB)主要性能指标见表3。利用MIDAS Gen有限元软件,进行弹性反应谱小震分析,结果见表2。分别选取7条波进行中震及大震弹塑性时程分析。对整体模型和分塔2模型分别进行计算,7条波作用下,分塔2模型最不利层间位移角计算结果如表4所示。

　　 榆树庄停车场运用库2段结构小震计算结果 表2

计算指标		框架+普通支撑方案		框架+防屈曲支撑(BRB)方案		规范限值
		整体模型	分塔2模型	整体模型	分塔2模型
一阶周期/s		1.125	1.148	1.320	1.336
最不利层间位移角 (所在楼层)	X向	1/701(8层)	1/735(8层)	1/645(8层)	1/669(8层)	宜≤1/633
	Y向	1/688(9层)	1/718(9层)	1/627(9层)	1/635(9层)
最不利层剪力比 (所在楼层)	X向	1.012 7(8层/9层)	1.018 0(8层/9层)	1.056(8层/9层)	1.020(8层/9层)	宜≥0.8; 应≥0.65
		1.231 9(1层/2层)	1.341 9(1层/2层)	1.388(1层/2层)	1.375(1层/2层)
	Y向	1.009 2(8层/9层)	1.012 5(8层/9层)	1.089(8层/9层)	1.016(8层/9层)
		1.231 9(1层/2层)	1.341 9(1层/2层)	1.388(1层/2层)	1.375(1层/2层)
最不利位移比 (所在楼层)	X向	1.030(3层)	1.089(3层)	1.077(3层)	1.104(3层)	宜≤1.2; 应≤1.5
	Y向	1.160(3层)	1.121(3层)	1.123(3层)	1.171(3层)
最不利刚度比 (所在楼层)	X向	1.088(1层/2层)	1.072(1层/2层)	1.252(1层/2层)	1.136(1层/2层)	≥1.0
			1.631(2层/3层)		2.205(2层/3层)
		1.042(3层/4层)	1.037(3层/4层)	1.133(3层/4层)	1.087(3层/4层)
	Y向	1.022(1层/2层)	1.019(1层/2层)	1.134(1层/2层)	1.070(1层/2层)
			1.426(2层/3层)		1.952(2层/3层)
		1.161(3层/4层)	1.147(3层/4层)	1.145(3层/4层)	1.079(3层/4层)

 

　　 注:1)整体模型中未列出2层/3层刚度比,因其处于大底盘多塔上下分界位置,有限元程序无法自动识别刚度比计算的塔楼相关范围区域; 2)刚度比为本层刚度与上层刚度的70%及上3层刚度平均值的80%比值的较小值,故以≥1.0为限定;3)按照《抗规》附录G的规定,层间位移角限值为框架结构和框架-剪力墙结构二者层间位移角限值依结构总高度的内插结果 ^[5]。

　　  

　　 防屈曲支撑主要性能指标 表3

产品系列		Q235耗能型 (3层)	Q235耗能型 (4层及以上)
设计承载力Nb/kN		2 700	2 250
屈服承载力Ny/kN		3 000	2 500
极限承载力Nu/kN		5 625	4 687.5
屈服强度标准值/(N/mm2)		235	235
等效截面面积/mm2		15 565	13 288
屈服前刚度/(N/mm2)		206 000	206 000
屈服后刚度/(N/mm2)		20 780	20 780
外观尺寸	b/mm	400	400
	h/mm	400	400
节点板厚度/mm		40	40
价格/(万元/根)		约0.9	约0.8

 

　　  

　　 榆树庄停车场运用库2段结构中震及大震计算结果 表4

计算指标		中震	大震	规范限值
最不利层间 位移角 (所在楼层)	X向	1/261(8层)	1/175(8层)	中震:≤1/275可适当 放宽; 大震≤1/50
	Y向	1/249(7层)	1/126(7层)

 

　　  

4 框架+支撑结构在低烈度抗震区车辆段上盖高层住宅开发中的应用

　　 杭州市轨道交通10号线仁河车辆段运用库盖上开发多栋10～12层住宅。工程抗震设防烈度为6度(0.05g),地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类。以运用库3段结构单元为例进行说明。该结构单元上盖共5栋住宅塔楼:塔楼1、塔楼2为10层住宅,塔楼3、塔楼4为14层住宅,塔楼5为18层住宅(上述层数均不含下盖2层)。混凝土强度等级C60,钢筋强度等级HRB400。选取采用框架结构的塔楼2及框架+普通支撑结构的塔楼5说明。横向柱网尺寸为12.6m,纵向柱网尺寸为8.9,6.3m。首层至3层层高依次为9.8,5.0,4.5m(包括汽车库顶塔楼范围以外部分1.5m覆土厚度),3层以上塔楼标准层层高均为3.0m。结构总高度为70.3m(18层)。结构布置见图4,运用库3段模型中的塔楼2模型(简称分塔2)及塔楼5模型(简称分塔5)如图5所示。

　　 运用库3段全部采用钢筋混凝土结构柱,首层及2层塔楼下方框架柱截面尺寸1.2m×1.2m(塔楼5),1.0m×1.0m(塔楼2),非塔楼下方框架柱截面尺寸首层为1.0×1.0m,2层为0.6m×0.6m。上部塔楼3～20层截面尺寸从0.7m×0.9m～0.4×0.4m不等。塔楼5支撑均采用□300×300×20,材料为Q345C钢。按照现行《抗规》附录G的规定,塔楼5所述框架柱截面尺寸为按框架和框架+支撑两种结构形式包络计算的结果 ^[5]。利用MIDAS Gen结构有限元软件进行弹性反应谱小震分析。对分塔2和分塔5模型分别进行计算,主要计算结果如表5所示。

5 车辆段上盖小高层住宅开发项目框架+支撑结构与层间隔震结构造价及优缺点对比

　　 北京地铁16号线北安河车辆段目前已经建成运营,该车辆段首层为大库,2层为小汽车库,3层及以上开发8层住宅塔楼。车辆段采用层间隔震结构,在小汽车库顶设置隔震支座并形成隔震梁板转换夹层,分隔上部及下部结构。主要参数如表6所示。

　　 图4 运营库3段结构布置图   

　　  

　　 图5 杭州市10号线仁河车辆段3段计算模型   

　　  

　　 杭州仁河车辆段运用库3段结构小震计算结果 表5

计算指标		分塔5模型	分塔2模型	规范限值
一阶周期/s		1.714	2.115
层间位移角 (所在楼层)	X向	1/1 063(4层)	1/2 534(11层)	分塔2≤ 1/550; 分塔5≤ 1/577
	Y向	1/996(4层)	1/3 534(10层)
最不利层 剪力比 (所在楼层)	X向	1.016(4层/5层)	1.022(11层/12层)	宜≥0.8; 应≥0.65
		1.869(1层/2层)	1.711(1层/2层)
	Y向	1.018(4层/5层)	1.010(10层/11层)
		1.869(1层/2层)	1.711(1层/2层)
最不利 位移比 (所在楼层)	X向	1.298(3层)	1.264(3层)	宜≤1.2; 应≤1.5
	Y向	1.132(3层)	1.214(3层)
刚度比 (所在楼层)	X向	1.005(1层/2层)	1.002(1层/2层)	≥1.0
		6.545(2层/3层)	3.011(2层/3层)
		1.138(3层/4层)	1.074(3层/4层)
	Y向	1.105(1层/2层)	1.050(1层/2层)
		5.710(2层/3层)	2.432(2层/3层)
		1.036(3层/4层)	1.096(3层/4层)

 

　　  

　　 北安河车辆段工程主要参数 表6

楼层	横向柱网 /m	纵向柱网 /m	层高 /m	建筑功能	结构总 高度/m
首层	6.0,9.0,10.8, 12.0,18.0	6.0,6.5	9.5	运用库	40.8
2层			4.8	小汽车库
3层	6.0	6.0,6.5	5.5	住宅
4层及以 上标准层	6.0	6.0,6.5	3.0

 

　　 注:3层楼面在住宅开发塔楼范围以外部分为1.5m上盖覆土。

　　  

　　 本文第3节所列榆树庄停车场与目前已建成运营的北安河车辆段相比,从规模、跨度及上盖开发塔楼住宅的形式上均较为接近,二者具备一定的可比性。虽然塔楼高度和层数有所不同,但开发层数对于各自工程所采用的结构形式均较恰当,不影响整体结论判断。表7给出了北安河车辆段与榆树庄停车场运用库上盖与下盖主要墙柱构件截面尺寸对比结果。

　　 北安河车辆段与榆树庄停车场运用库墙柱截面尺寸对比 表7

位置		主要墙 截面尺寸/m	主要柱 截面尺寸/m	组合构件 使用情况
下盖	北安河 车辆段	1.0,1.2,1.4	1.0×1.0,1.2×1.2 (1.4×1.4)	塔楼范 围采用
	榆树庄 停车场	无	1.3×1.3(1.4×1.4)
上盖	北安河 车辆段	0.2	无	否
	榆树庄 停车场	无	0.8×1.0	塔楼下部 楼层采用

 

　　 注:括号内为塔楼范围内首层柱截面尺寸; 上盖墙柱截面尺寸均指上盖首层。

　　  

　　 从表7可以看出,对下盖,在柱截面相差不多的情况下,北安河车辆段下盖采用1.0～1.4m厚钢板剪力墙组合结构构件,不论混凝土还是钢结构用量均较榆树庄停车场大。对上盖,北安河车辆段采用剪力墙结构,并无框架柱,底部加强部位剪力墙厚度0.2m,结合建筑隔墙及分户墙体布置后基本不影响建筑使用功能,榆树庄停车场采用0.8m×1.0m框架柱,突出建筑墙面,建筑户型需根据结构框架柱作合理布局。

　　 表8给出了榆树庄停车场采用框架+支撑结构方案与北安河车辆段采用层间隔震结构方案下盖的单方经济对比情况。

　　 北安河车辆段与榆树庄停车场运用库主要材料用量对比 表8

车辆段名称	混凝土用量 /(×10-2m3/m2)	钢筋用量 /(×10-2t/m2)	钢结构用量 /(×10-2t/m2)
北安河车辆段	90.30	17.85	25.68
榆树庄停车场	48.41	14.17	13.44
工程量变化率	-46.4%	-20.6%	-47.7%

 

　　 注:1)工程量变化率=(榆树庄停车场-北安河车辆段)/北安河车辆段; 2)表中数值为首层+2层的工程量总数除以首层+2层总建筑面积,且未含桩基承台的混凝土用量及钢筋用量。

　　  

　　 从表8可以看出,榆树庄停车场项目采用框架+支撑结构,有效实现了下盖结构的优化,下盖结构截面尺寸及经济指标较北安河车辆段有明显的改善。混凝土用量同比节省46.4%,钢筋用量同比节省20.6%,钢结构用量同比节省47.7%。混凝土及钢结构用量节省较多主要是因为榆树庄停车场下盖未使用钢板剪力墙组合结构,钢筋相对节省稍少是因为其下盖取消墙体变为框架结构后,框架柱配筋有所上升的缘故。框架+支撑结构与层间隔震结构车辆段上盖住宅开发项目优缺点对比见表9。

　　 框架+支撑结构与层间隔震结构优缺点比较 表9

比较项目		框架结构(框架+支撑结构)	层间隔震结构
上 盖 住 宅 开 发	是否可灵活布置	受下盖一定限制	可以
	梁柱截面尺寸	相对较大	相对较小
	是否能起到 减震作用	防屈曲支撑可减小水平地震,普通支撑不能,且均不能减小竖向振动	可减小水平地震作用,也有一定的竖向减振作用
	造价	相对较高	相对较低
	开发高度 是否受限	混凝土框架(框架+支撑)一般12层以下效果较好, 钢框架可大幅提高上盖结构高度	一般8～10层以下效果较好
	是否受地震 烈度限制	不受限制	较为适用于8度区,对于6,7度区影响其效能
下盖 车辆 段	梁柱截面尺寸	相对较小	相对较大
	造价	相对较低	相对较高
	是否需要 检修维护	使用年限内 基本无需维护	隔震支座 需定期维护

 

　　  

6 框架结构及框架+支撑结构设计要点

6.1 结构形式的选择

　　 通过计算,笔者认为除8度区4～12层多层及小高层住宅开发项目根据实际情况可考虑与层间隔震结构作比选之外,其余均可采用框架、框架+普通支撑或框架+防屈曲支撑结构形式。车辆段上盖住宅开发项目结构形式选择建议如表10所示。

　　 车辆段上盖住宅开发项目结构形式选择参考 表10

抗震设 防烈度	盖上住宅开发 塔楼层数	对结构的设计要求	可考虑采取的结构形式
8度区	3层及以下	无特殊要求	混凝土框架
	4～12层	有条件剪力墙落地	混凝土框剪结构
		无条件剪力墙落地	混凝土框架+支撑
		对上盖品质 要求稍高	混凝土框架+ 防屈曲支撑
		对上盖品质 要求很高	层间隔震 (宜10层或以下)
	13层及以上	有条件剪力墙落地	框剪结构
		无条件剪力墙落地	钢框架+支撑
		对上盖品质要求稍高	钢框架+防屈曲支撑
7度区	10层及以下	无特殊要求	混凝土框架
	11层及以上	有条件剪力墙落地	框剪结构
		无条件剪力墙落地	混凝土/钢框架+支撑
		对上盖品质要求稍高	混凝土/钢框架+ 防屈曲支撑
6度区	13层及以下	无特殊要求	混凝土框架
	14层及以上	有条件剪力墙落地	框剪结构
		无条件剪力墙落地	混凝土/钢框架+支撑
		对上盖品质要求稍高	混凝土/钢框架+ 支撑/防屈曲支撑

 

　　 注:1)7度区11层及以上塔楼、6度区14层及以上塔楼,根据实际情况选择采用混凝土框架或钢框架,优先采用混凝土框架。2)对上盖品质要求稍高指上盖结构需做一定性能化设计; 对上盖品质要求很高指业主要求,上盖方案需灵活布置并设计为剪力墙结构的情形。3)防屈曲支撑也可根据具体工程情况采用其他消能减震构件代替。

　　  

　　 需要注意的是,目前针对住宅类的建筑,由于钢结构普遍存在防腐防火、噪声隔音等问题,多数业主仍偏向混凝土住宅,故对于高度不高的上盖塔楼,混凝土结构仍是首选。只有当上盖塔楼超高计算困难时,再考虑采用钢结构 ^[7]。

6.2 框架+支撑结构设计及优化

6.2.1 平面及竖向整体结构布置优化

　　 采用框架或框架+支撑结构形式的车辆段,下盖与上盖是一个整体,需要按照一般民用建筑结构的各项指标控制整体计算。按此类结构的规则性分析判断,首先,首层库区横向(垂直轨道方向)跨度较大,一跨两线12～14m,一跨三线达19～21m。而上盖开发住宅因不可能采用如此大跨结构而需在横向跨间设柱,故此类工程通常需采取转换结构形式 ^[8]。其次,此类工程防震缝的设置大多不能按一塔楼一结构单元划分,故各结构单元一般存在多塔情形。以上两点是受建筑条件所需必定存在的不规则类型,根据现行《抗规》的相关规定,如再有1项超限条款,即达3项指标超限,便需进行抗震超限审查。

　　 库区横向柱网受限界及工艺条件限制不易调整,但纵向柱网一般无特殊要求。方案阶段结构专业需和建筑专业配合,通过调整库区纵向柱网的布置尽量减少转换柱的数量。车辆段库区主体结构横向(垂直线路方向)刚度相对较弱,当有条件时,结构专业可提请建筑专业适当拉开横向柱网间距,为增加框架柱横向截面尺寸、调整截面形式如做成工字形截面、中空薄壁箱形截面创造有利条件。

　　 因首层与2层柱截面尺寸很大程度上受刚度比控制,为使主体结构由下至上实现刚度均匀过渡,总体的原则是:尽量与建筑、工艺专业配合压低首层层高,控制2层及上盖开发首层(3层)层高。根据经验,建议首层层高控制不超过10m为宜; 2层层高控制在5.0m左右为宜; 3层层高控制在4.5m左右为宜。此外,因首层顶板楼面梁梁高相对较大,为了减小层高的不利影响,建议取梁高中线作为首层层高位置进行建模计算。

　　 采用框架或框架+支撑结构形式的车辆段上盖住宅开发项目,小汽车库顶覆土厚度范围的夹层一般不宜按单独1层建模。原因是夹层层高较矮(等同于覆土厚度1.0～1.5m),按单独1层建模往往使刚度比等整体指标计算困难。实际中宜将夹层梁板作为荷载加载至2层结构顶,构造上夹层结构也不与结构框架柱相连。如连接,则建议按“刚性层”方式办理 ^[9]。

6.2.2 主要结构构件的布置和优化思路

　　 由于车辆段上盖住宅开发项目首层、2层及3层框架柱截面尺寸很大程度上受刚度比控制,故框架结构、框架+支撑结构形式的车辆段上盖住宅开发项目总体设计思路为:通过合理优化上部楼层结构布置和柱截面尺寸,在保证上盖整体侧移和柱承载能力的前提下,尽量减小上盖开发首层(3层)的柱截面尺寸,由此再依次推算2层及首层的柱截面尺寸,并最终确定上部结构各楼层的柱截面尺寸。

　　 以本文榆树庄停车场项目上盖开发小高层住宅塔楼的混凝土框架+支撑结构形式工程为例说明。由于塔楼整体层间位移曲线呈反S形,故反弯点楼层附近(塔楼8～11层位置)不易过多缩小截面,但因此处强度计算不起控制作用,故采用钢筋混凝土截面可满足承载要求。对塔楼下部楼层(塔楼3～7层),除整体刚度外,构件承载能力也决定截面大小,为了在满足整体侧移刚度的同时尽量减小塔楼底部楼层柱截面尺寸,塔楼下部各楼层均考虑采用型钢混凝土柱。当框架+支撑结构用于低烈度地区时(6,7度区),地震作用相对较小,塔楼首层(3层)框架柱无需使用型钢即可满足要求,采取适当措施提高结构延性即可。此外,塔楼首层(3层)由于2层顶覆土缘故,该楼层相对上部标准楼层高,设计中还需特别注意该楼层与相邻上部楼层刚度的比值是否满足要求。

　　 综上,以8度区上盖开发12层小高层住宅为例(共14层),各层框架柱的截面优化控制因素如表11所示。

　　 框架柱截面优化计算控制因素 表11

框架柱位置		控制指标	截面形式	设计思路
首层	塔楼 范围	强度:中震不屈服 刚度比:首层/2层	型钢 混凝土	截面尺寸受限界控制,加入型钢尽量做强
	塔楼 以外	刚度比:首层/2层	钢筋 混凝土	截面尺寸由刚度比控制,无需型钢
2层	塔楼 范围	强度:中震不屈服 刚度比:2层/3层	型钢 混凝土	截面尺寸由刚度比控制,加入型钢提高强度尽量缩小截面
	塔楼 范围	强度:小震弹性	钢筋 混凝土	在满足强度的情况下,尽量缩小截面
3层	塔楼 范围	强度:小震弹性 刚度比:3层/4层 侧移:塔楼侧移	型钢 混凝土	截面尺寸由刚度比及塔楼侧移控制,加入型钢提高强度,尽量缩小截面
4～6层	塔楼 范围	强度:小震弹性 侧移:塔楼侧移	型钢 混凝土	截面尺寸由塔楼侧移控制,加入型钢提高强度尽量缩小截面
7～11 层	塔楼 范围	侧移:塔楼侧移	钢筋 混凝土	截面尺寸由塔楼侧移控制,强度不控制,无需加入型钢
12～14 层	塔楼 范围	构造或较小截面 即可满足	钢筋 混凝土	一般不控制,普通钢筋混凝土可满足要求

 

　　 注:1)楼层分段范围及建议截面形式仅供参考,实际中需根据具体工程情况酌情调整; 2)对于6,7度区,塔楼底部框架柱截面尺寸可能由轴压比控制; 3)对带有转换的结构构件而言,转换梁柱的性能指标一般为中震抗弯抗剪弹性。

　　  

　　 对于框架+防屈曲支撑结构,因防屈曲支撑工作核心截面一般较小,相对于框架+普通支撑结构,设计中应注意结构周期延长、塔楼整体抗侧刚度偏弱和层间位移角偏大等问题 ^[10,11]。此外,通常为充分发挥防屈曲支撑的滞回耗能功效,防屈曲支撑应优先布置在反弯点附近楼层(结构水平变形较大部分)及其下部楼层(杆件内力较大易进入屈服耗能阶段)。上述榆树庄项目经计算,确定在反弯点位置附近(塔楼8～11层)及其下各楼层布置防屈曲支撑,大震状态下均可达到屈服状态 ^[12]。

7 结语

　　 (1)对于8度抗震区车辆段上盖小高层住宅开发项目,层间隔震结构与框架+支撑结构各有其优势和不足。通过对北京地铁16号线榆树庄停车场框架+支撑结构的计算,并与北京地铁16号线北安河车辆段层间隔震结构进行对比,说明采用层间隔震结构可更好地优化上盖住宅结构截面尺寸,并满足其灵活布置需求,但下盖结构较为浪费; 框架+支撑结构统筹考虑上下盖的综合效益,适当降低上盖要求,使下盖结构得到优化。设计人员应当在充分理解和掌握层间隔震结构和框架+支撑结构各自特点、优缺点和适用范围的前提下,明确具体项目设计意图(尽可能满足上盖还是上下盖兼顾考虑),并将层间隔震结构方案与框架+支撑结构方案进行充分对比论证,从而选择合理的结构形式。

　　 (2)框架+支撑结构相对于层间隔震结构有更为广泛的适用性,除上述8度抗震区的车辆段上盖小高层住宅开发项目,其余抗震设防烈度和塔楼高度的工程,可根据具体条件采用框架、框架+普通支撑、框架+防屈曲支撑等结构形式。相比之下,层间隔震结构应用条件受到较大限制,更适用于8度抗震区3～10层的上盖小高层住宅开发情形。

　　 (3)车辆段框架+支撑结构设计不同于层间隔震结构。笔者总结了框架+支撑结构形式车辆段上盖住宅开发项目的结构选型,并针对小高层住宅开发项目的设计要点及优化思路作了简要的说明,为广大结构设计人员提供一定的参考。