地铁车辆段上盖开发工程梁式结构转换层适用性分析验证——以佛山南海环岛车辆段上盖工程为例

赵璧归

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

0 引言

由于城市土地资源日渐紧缺，占地面积大、土地使用率低、市场效益低的非上盖开发车辆段已渐不能满足现今城市建设发展需要，因此，能够同时满足地铁运营和居住用地需要的上盖开发车辆段逐渐成为地铁车辆段设计优选方案[1]，而转换层的结构设计是上盖开发地铁车辆段结构设计的关键。基于此，本文归纳了广泛用于现今上盖开发地铁车辆段的各种形式结构转换层，并对其进行了优劣对比分析。再以佛山南海车辆段为例，通过各种计算分析手段，验证了地铁车辆段梁式转换结构的可行性和适用性。

1 转换层结构的主要形式

依据国内外目前外已有的带转换层结构工程建设实例[2-4]，转换层结构可分为梁式、厚板式、箱形式、桁架式、斜柱式等形式，转换层结构构件多采用普通混凝土、型钢混凝土、预应力混凝土等。各种形式的转换层结构示意图如图1所示。

(a)梁式转换 (b)厚板式转换 (c)箱形转换

(d)斜腹杆桁架 (e)空腹桁架 (f)V形斜柱转换图1 转换层的主要结构形式

根据工程实际运用情况，各类转换层的优缺点比较如下：

(1)梁式转换

梁式转换就是在转换层楼面设置大截面钢筋混凝土梁，以支承上部结构竖向构件，传递上部荷载的一种结构转换形式。其设计思路清晰、传力路径明确、构造相对简单、计算较为简明、施工工艺简便、造价相对低廉，因此广泛运用于实际工程中。为满足较高的承载力要求，转换梁的截面尺寸往往较大(通常有1.6 m～2.5 m)，同时为了满足上盖开发车辆段使用要求，盖体结构各层层高都有较为严格的限制。因此，转换梁高度必须结合受力和使用要求并经过精确的计算验证后才能合理确定。对于转换梁上荷载较大的情况，还需对梁端进行加腋处理，或者采用承载力高、刚度高、耐久性和抗震性能更强但造价较高的型钢混凝土转换梁。另外，由于转换梁宽度较为有限，无法形成整片的承托面，因此，转换梁位置还受制于上部结构竖向构件的分布，梁式转换结构也因此多用于盖上开发方案较为稳定的工程。

(2)箱式转换

箱式转换层是在转换层设置箱形结构体系来承载上部荷载的一种结构形式。该结构形式通过在转换层上、下楼板之间设置剪力墙和托梁等结构构件，使上下层较厚的楼板连同板间剪力墙共同工作，进而形成刚度很大的箱形转换层。该类型的转换层结构整体性好，而且当转换层上部结构布置较复杂时，仍能保证上、下竖向构件的有效传力。但箱形转换层占用了一个楼层的使用面积，使得该层在功能上一般只能作为技术设备层使用，同时转换层内部的剪力墙与设备、管线布置时常发生冲突。此外，箱形转换结构还存在自重大、耗材多、造价高等缺点，从结构分析角度考虑，其内力分析较复杂，设计难度大，施工难度也大，因此较少运用于实际工程。

(3)桁架式转换

桁架式转换层常用于钢筋混凝土高层建筑，可以看作是由梁式转换层转化而来。该类型转换层的承重体系由钢筋混凝土桁架组成，桁架上下弦杆分别设在转换层的上下楼面的结构层内，层间设有腹杆。由于桁架高度较高，所以上下弦杆的截面相对较小。它的优点是传力明确，整体性能好，能充分发挥各种材料的受力特性，自重轻，用钢省，造价低，便于管道安装维修等；缺点是施工复杂，截面高度大。

(4)厚板式转换

当转换层上部结构方案不稳定，或者上部柱网不规则、错开较多，难以用梁直接承托时，则需要采用厚板式转换层。

厚板式转换层的下层柱网可以灵活布置，无须与上层结构对齐。从抗剪和抗冲切角度考虑，转换板厚度往往很大，一般可达2 m～3 m，约为柱距的1/3～1/5。在地震作用下，由于厚板集中了很大的刚度和质量，因此其地震响应强烈。此外，由于结构在沿竖向刚度在转换层上发生突变，相邻的上、下层受到很大的作用力，容易发生震害。从设计角度上讲，厚板转换结构传力路径不清晰、受力复杂、计算繁琐、工作量大；从施工角度上讲，厚板转换结构施工属于大体积混凝土施工，结构自重很大，材料耗用多，模板支撑困难，混凝土的徐变、收缩及水化热对施工质量影响大，混凝土板的应力、内力分布复杂，因而造价也十分高昂，实际工程应尽可能避免采用厚板转换方式。

总之，上述各类型的转换层结构都各自有其独特的优缺点，但其在上盖开发车辆段工程的运用广泛程度却各不相同。表1列举了国内部分已建车辆段的转换层结构形式[5-6]。

由表1可以看出，梁式转换结构相对于其它形式转换结构更加广泛地运用于国内上盖开发地铁车辆段工程中，具有成为上盖开发车辆段首选结构转换形式的潜力。因此，本研究仅对梁式转换结构的适用性展开验证。

表1 国内部分已建车辆段的转换层结构形式

2 佛山南海环岛车辆段工程概况

为验证梁式转换结构的适用性，本研究采用佛山南海区环岛车辆段上盖开发这一工程实例[7-8]进行分析验证。

佛山南海环岛车辆段工程，抗震设防烈度为7度，采用“地铁+物业”模式，地上一层是车辆段房屋，地上二层是住宅的车库，地上三层为住宅的第一层，同时也是转换层，四层至十四层为住宅，主要屋面高度49.3m。由于工艺需要，部分住宅的柱子不能落地，需通过设在三层的梁式结构转换层进行转换。本文选取该工程某典型分区——D1区进行研究。该区计算模型图如图2所示。

图2 典型区块D1区计算模型

为减少设计和计算工作量、节省造价、方便施工、充分发挥梁式结构转换层的优势，该工程采用了竖向构件平面布置较为规则的盖上住宅户型，并提前稳定盖上塔楼位置，然后再布置结构转换梁，承托盖上结构竖向构件，实现传力路径清晰化。D1区住宅柱网及其下部转换梁平面布置如图3所示。

图3 D1区住宅柱网及其下部转换梁平面布置图

在盖上结构竖向构件均被底部转换梁承托后，结构整体依然具有竖向构件不连续、底层刚度偏小、转换层处于高位、结构规则性差等不利因素，梁式转换结构的抗震性能还需通过计算分析加以验证，因此，本研究对该工程进行了超限高层抗震专项分析和审查。该工程D1区存在扭转不规则、凹凸不规则、侧向刚度不规则等情况，属于轻微超限结构。根据超限审查要求，对D1区进行了弹性分析、小震时程分析、中震验算、静力弹塑性分析等验算过程，分析验算结果如下文所述。

3 超限分析计算结果展示

(1)小震时程分析

根据《抗规》[9]《高规》[10]中关于时程分析要求原则，选定2条人工波和5条天然波对D1区进行小震弹性时程分析。各地震波波形及其加速度谱与规范谱在统计意义上基本相符，如图4～图5所示。

图4 规范谱与地震波平均谱对比图

图5 规范谱与地震波平均谱对比图

经过弹性时程分析可得各地震波作用下结构的内力和变形值。D1区各楼层剪力和层间位移角时程分析结果如图6～图7所示。

图6 D1区最大楼层剪力曲线

由以上弹性时程分析结果可以发现：各地震波谱计算所得楼层内力、层间位移角均大致相等，且均在规范限值以内，说明该工程梁式转换结构满足规范要求，具有建造可行性。另外，楼层位移曲线在转换层有明显突变，而在其余楼层均平滑变化，说明结构侧向刚度在转换层发生突变，结构设计要对转换构件采取相应加强措施。

图7 D1区最大层间位移角曲线

(2)中震验算

根据《高规》3.11小节有关结构抗震性能设计的条文，该工程的转换梁、转换柱和底层梁柱均属于结构的关键构件，其正截面承载力需按中震不屈服的计算方法计算。计算中不考虑地震组合内力调整，荷载作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数均取为 1.0。进行中震验算时，转换柱配筋率设定为1%～1.5%，转换梁梁面、梁底的配筋率分别设定为1.2%。经过计算，D1区各转换柱的轴力、弯矩值均在其承载能力范围以内。以底层某转换柱为例，其验算结果如图8所示。

(a)底层某柱X向中震验算 (b)底层某柱Y向中震验算图8 D1区底层某关键柱中震验算结果

所有转换梁在中震作用下也未进入屈服阶段。部分转换梁跨中和支座的弯矩、剪力在最不利工况组合下验算结果如表2所示。

通过对D1区结构关键构件进行中震分析验算发现：D1区转换梁、转换柱满足抗弯不屈服、抗剪弹性的要求，该工程采用的梁式转换结构构件满足中震下的抗震性能目标，整体在中震作用下仅受到轻度损坏，具有较好的抗震性能。

(3)静力弹塑性分析

该项目在超限专项审查过程对D1区结构模型进行了X方向和Y方向非线性推覆分析(即push-over分析)。推覆过程使用的加载模式为模态加载的方式。根据结构自身特点，选取住宅单塔作为推覆的主体，在该塔顶层设置监测点进行推覆分析。分析过程提取结构基底剪力和塔楼顶点位移关系，进而转化为谱加速度和谱位移的关系，得到对应的能力谱曲线。D1区在设防烈度地震下性能点位置、层间位移角分布曲线、塑性铰分布位置，分别如图9～图11所示。

表2 D1区部分转换梁中震不屈服分析验算结果

(a)设防烈度地震下X方向推覆工况对应的性能点

(b)设防烈度地震下Y方向推覆工况对应的性能点图9 D1区设防烈度地震下推覆工况对应的性能点

(a) X方向层间位移角分布图 (b) Y方向层间位移角分布图图10 D1区设防烈度地震下层间位移角分布曲线

(a)设防烈度地震作用X方向塑性铰分布图

(b)设防烈度地震作用Y方向塑性铰分布图图11 D1区设防烈度地震下塑性铰分布图

D1区在罕遇地震下性能点位置、层间位移角分布曲线、塑性铰分布位置分别如图12～图14所示。

(a)罕遇地震下X方向推覆工况对应的性能点

(b)罕遇地震下Y方向推覆工况对应的性能点图12 D1区罕遇地震下推覆工况对应的性能点

(a) X方向层间位移角分布图 (b) Y方向层间位移角分布图图13 D1区罕遇地震下层间位移角分布曲线

(a)罕遇地震作用X方向塑性铰分布图

(b)罕遇地震作用Y方向塑性铰分布图图14 D1区罕遇地震下塑性铰分布图

根据D1区push-over分析结果发现：在设防地震作用下，转换梁柱处于弹性状态，少量构件(以盖上塔楼框架梁为主)进入塑性，但塑性发展不明显，均在IO水准以内；多数楼层X方向和Y方向层间位移角大于1/550，但均小于塑性层间位移角限值1/50，满足性能设计目标规定的弹塑性层间位移角的限值，具有较强的抗侧向变形能力，满足《高规》所规定的抗震性能设计水准3的要求。罕遇地震作用下，部分构件进入塑性，进入塑性状态的构件以盖上塔楼框架梁为主，个别位于底层的框架柱进入塑性，转换层构件有少量的构件进行塑性，框架梁和框架柱的塑性发展不明显，大部分在IO水准以内，个别塑性构件塑性发展超过IO但仍然在LS水准以内，层间位移角均远小于1/50，满足性能设计目标规定的弹塑性层间位移角的限值，且层间位移角分布较为均匀，未发生较大的突变，结构变形能力有较大的富余，满足《高规》所规定的抗震性能设计水准4的要求。

综上，D1区梁式转换结构满足《高规》所规定的性能目标C要求，具有较好的抗震性能。

4 结论

本文对比了各种类型的上盖开发车辆段结构转换层的优缺点，然后根据佛山南海区环岛车辆段的上盖开发项目转换层结构设计和超限专项审查分析，论证了梁式转换结构的合理性和适用性，得出主要结论如下：

(1)各种形式的上盖开发车辆段转换层均具有其独特的优缺点和适用范围，但梁式转换结构在实际工程运用频率相对较高。

(2)通过预先稳定盖上结构布置方案，合理布置转换梁，可保证盖上结构竖向构件均得以承托，避免梁式转换结构的缺点，同时简化了设计工作，节省了施工造价。

(3)梁式转换结构可以满足上盖开发工程预定的抗震性能目标，具有良好的抗震性能。建议在车辆段上盖结构梁式转换层方案中优先采用钢筋混凝土梁式转换。