地铁车辆段上盖建筑结构设计有关问题探讨

2017-05-18林金洲尧国皇

四川建筑 2017年2期

关键词：车辆段钢管框架

林金洲, 尧国皇

(1. 深圳市建设科技促进中心，广东深圳 518031； 2. 深圳信息职业技术学院，广东深圳 518172)

地铁车辆段上盖建筑结构设计有关问题探讨

林金洲1, 尧国皇2

(1. 深圳市建设科技促进中心，广东深圳 518031； 2. 深圳信息职业技术学院，广东深圳 518172)

地铁车辆段上盖建筑结构，平台下部为大跨度框架结构，平台上部为小跨度结构，因此存在竖向构件不连续，对结构设计带来了挑战。文章就平台下部框架柱选型、新型节点的开发与研究以及结构高度超过规范规定限值的可能性进行了探索，有关结论可为相关工程设计提供参考。

车辆段；转换结构；动力弹塑性；分析；设计

随着城市土地资源日益紧俏，综合利用土地、提高土地的利用效率，日益成为城市地铁建设者重点关注的问题。地铁车辆段由于占地面积较大，利用上部空间结合规划开发成住宅及公共建筑设施，可充分开发商业利用价值。由于地铁车辆段工艺和线路的要求，平台下部为两层纯框架结构，在平台上部进行物业开发，上盖拟开发的物业大多为小开间轴线布置的住宅，而下部柱网较大，在结构设计中，由于上盖物业与下层的柱网不能对齐，上部楼层的竖向构件不能直接连续贯通落地，因此存在竖向构件转换[1]。

由于平台下的框架结构跨度较大，若采用普通钢筋混凝土框架柱，将使得柱截面较大，影响停车库的有效使用空间。对于地铁车辆段上盖物业这种底部仅有为框架柱落地、上部为框架结构或框架-剪力墙结构没有明确的结构体系划分依据，通常把它划为框架结构。深圳地区处于7度(0.1g)抗震设防，《建筑结构抗震设计规范》[1]给出了总高度不超过50 m的限制，极大的影响了上盖建筑结构的开发效率，大大降低了城市土地的使用效率。

文献[2]对杭州七堡车辆段上盖结构设计的有关问题进行了探讨，重点对转换层结构的选型进行了分析比较，文献[3]介绍了深圳前海湾地铁枢纽上盖物业结构设计的技术总结，对本文的研究提供了很好的参考。但文献[2]和文献[3]上盖的建筑结构都没有超过规范的限值。本文通过典型算例，对框架柱采用新型钢-混凝土组合柱进行选型比较和探讨，进而对新型钢-混凝土组合柱节点进行了开发和研究，建立了典型的地铁上盖建筑结构的弹塑性计算模型，对该结构进行了罕遇地震作用下的抗震性能进行研究，以进行平台上盖建筑结构高度超过规范规定限值的可能性进行探索。

1 下部框架柱的选型

对目前施工中的若干车辆段的调研可知，平台下部的大跨度框架柱的截面尺寸一般都为1 500～1 800 mm(采用普通钢筋混凝土柱)，这样对于地铁车辆段的建筑空间可能存在较大的影响，也可能影响停车库的有效使用空间。由于地铁上盖物业结构底部结构的框架柱主要承受轴力为主，本文通过对典型截面的钢管混凝土组合柱、型钢混凝土组合柱以及钢管混凝土叠合柱在轴压承载力相同的情况下，比较其柱截面的大小、柱用钢量的大小，所得结论可能框架柱的选型提供参考。

算例的计算条件：假定底层层高4.2 m，柱计算长度取1.5H(6 300 mm)；仅考虑轴压，在钢管混凝土柱和型钢混凝土柱的轴压承载力相同的情况下对比柱截面大小；钢材均选用Q345B，混凝土均选用C60；柱控制轴力约为60 000 kN；钢管混凝土柱钢管选用φ1200×25，型钢混凝土柱中的型钢选用十字形截面。钢管混凝土叠合柱截面选用1 300 mm×1 300 mm(计算时，均不考虑初始偏心的影响)。表1 给出了算例计算获得钢管混凝土柱、钢管混凝土叠合柱与型钢混凝土柱材料用量的比较。

对比可知，对于本典型计算参数条件下，在满足承载力要求的情况下，型钢混凝土柱截面面积约为钢管混凝土柱截面面积的1.73倍，用钢量约为1.3倍；型钢混凝土截面面积为钢管混凝土叠合柱截面面积的1.16倍，用钢量约为1.35倍。从地铁上盖物业的特点具体分析，综合材料用量和建筑效果，对于上部有物业开发的框架柱，建议采用钢管混凝土叠合柱这种钢-混凝土组合柱。

2 新型组合柱节点的开发与研究

通常地铁上盖物业的框架梁常采用钢筋混凝土梁；钢管混凝土和钢管混凝土叠合柱与钢筋混凝土梁的节点通常采用钢管开钢筋孔的节点形式，施工较为不便。本文建议一种新型叠合柱节点构造：根据钢筋混凝土梁的实际配筋在钢管上开矩形孔洞使梁中纵向钢筋可以顺利通过(管壁开孔的截面损失率不超过50 %)，这样较大的方便了施工，减少施工周期。为研究这类节点的可靠性，本文采用有限元软件ABAQUS[4]进行数值模拟。

[5]的研究方法，有限元计算分析时取其中的节点标准单元进行分析。边界条件为：柱上下端为铰接的边界条件，梁端采用自由的边界条件。计算时采用两种加载模式：(1)叠合柱上先施加一定轴向荷载，然后在梁端施加同向荷载直到钢筋混凝土破坏；(2)叠合柱上先施加一定轴向荷载，然后在梁端施加反向向荷载直到钢筋混凝土破坏。

图1给出了典型计算获得有限元分析结果，包括节点的变形云图、节点混凝土主拉应力云图、钢筋的Mises应力云图和内部钢管的Mises应力云图。从计算结果可见，在叠合柱上施加0.7的轴压比后，节点的破坏先从梁端钢筋屈服开始，且此时节点区域内部钢管未进入屈服状态，满足强节点弱构件。

(a) 整体模型

(b) 钢筋应力

3 平台上盖建筑结构的设计总高度限值研究

本文建立了典型的地铁上盖建筑结构的计算模型。建筑总高度为70 m(超过深圳地区50 m限值)。采用通用有限元软件ABAQUS，对该结构进行了罕遇地震作用下的抗震性能进行研究，以进行平台上盖建筑结构高度超过规范规定限值的可能性进行探索。为进行罕遇地震下结构的非线性动力弹塑性反应分析，将建立一个三维非线性结构整体分析模型，与弹性分析的模型相对应，通过保证基本动力特性、质量等参数的一致性来实现与弹性分析模型相一致。非线性分析计算模型的几何模型按照设计图纸的具体尺寸和截面建立。单元类型选取：梁、柱采用三维梁单元；剪力墙、楼板采用三维壳单元进行模拟。图2为典型计算算例的整体结构弹塑性有限元分析模型，平台下部为大跨度框架结构，上部为异型剪力墙结构。

图2 结构计算模型

模型计算结果对比表明，ABAQUS弹性模型与ETABS软件[6]弹性分析模型的动力特性是一致的，用于罕遇地震作用下的结构动力弹塑性时程分析的计算模型是准确的。按照抗震规范要求，罕遇地震弹塑性时程分析所选用的单条地震波需满足以下频谱特性：特征周期与场地特征周期接近、最大峰值符合规范要求(7度0.10g为220 cm/s2)、持续时间为第一周期的5～10倍[7]，取15 s，输入地震波采用EI centro波。

在15 s时刻，最大受压损伤因子接近为0.7，其余部分剪力墙混凝土的受压损伤因子仍在0.05以下。随着地震的持续输入，剪力墙开始受拉损伤因子和出现受拉损伤的区域也不断增加，同时剪力墙的受拉损伤因子继续增加。在15 s时，本计算模型中的三片剪力墙的最大受拉损伤因子约为0.9。图3为剪力墙的最终的受拉损伤云图。在15 s时，巨柱中混凝土的受压损伤因子依然处于一个很小的数值，表明在地震波输入过程中，上盖建筑结构的巨柱一直处于受压弹性的工作状态。在15 s时刻，局部巨柱混凝土的最大受拉损伤因子约为0.8，说明此时该局部混凝土受拉塑性应变较大。图4为底部框架柱的最终的受拉损伤云图。

图3 剪力墙的最终受拉损伤云图

图4 底部框架柱的最终受拉损伤云图

计算结果表明，最大层间位移角为1/315(X方向，出现在第7层)和1/366(Y方向，出现在第6层)，可见，均远小于规范限值1/50(按钢筋混凝土框架结构体系取值)的要求，能满足现行《建筑结构抗震设计规范》规定的弹塑性层间位移要求。通过对典型计算模型的整体弹塑性分析可知，只要结构布置和设计合理，这类结构在罕遇地震作用下能够满足“大震不倒”的性能目标。因此，对应这类底部为大尺寸的框架柱，平台上部进行物业开发的建筑结构，突破规程的相关高度限值是可能的，当然具体的项目要具体分析，本文提供了一种可能的设计思路。