地铁车辆段上盖建筑高度提升探讨

2021-10-20刘维亚黎少峰

广东土木与建筑 2021年9期

关键词：车辆段楼层抗剪

李恒，刘维亚，黎少峰，李明

（深圳千典建筑结构设计事务所有限公司深圳 518057）

1 研究背景

由于城市用地日趋紧张，地铁车辆段上盖建筑的综合开发成为当下热点。早期开发多以小高层为主，开发强度偏低。本文以深圳地铁某车辆段上盖为研究对象，对地铁车辆段上盖建筑的可建高度及结构形式进行了研究和探索，为提升车辆段上盖建筑高度提供技术支持。

2 车辆段结构特点及研究重、难点

车辆段厂房主要由大、架修库、运用库及咽喉区组成，均为单层框架结构，典型柱网布置如图1⒜所示。其中运用库柱网一般为6.0～9.0 m×（12.0～13.3）m，如图1⒝所示，层高在9.0 m 以上；大、架修库柱网一般为7.5 m×（18.6～21.0）m，如图1⒞所示，层高在14.0 m 以上，厂房内设有桥式起重机；咽喉区柱网不规则，层高同运用库，部分区域白地面积较大，如图1⒟所示，有剪力墙落地条件。上盖住宅和公寓大多需要采用剪力墙结构，两者主要矛盾是垂直车行方向柱距较大且没有剪力墙落地条件，导致结构出现构件间断，刚度、承载力突变等不规则项目，成为超限高层建筑。采用合理结构体系和抗震措施来保证结构安全及使用要求是此类研究的重点和难点。

图1 车辆段典型柱网示意Fig.1 Typical Column Grids of Depot （mm）

针对车辆段上盖建筑整体结构特点，本研究主要思路为：①考虑在满足限界［1］（包括车辆限界、设备限界和建筑限界等）要求的前提下，寻找可以增加底框抗侧刚度的条件；②采用合理结构体系和设计方法，保证底框结构在罕遇地震作用下具有适宜的承载能力；③在不能设置地下室的条件下，确定合理的基础埋深。

为了便于研究，假定研究基本条件为：抗震设防烈度为7度（0.1g），场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35 s。

3 车辆段上盖结构抗震设计关键技术

选取某住宅单元作为研究对象，令其柱网与车辆段柱网正交，结构平面关系如图2所示，图2中填充墙体为上盖住宅剪力墙。

图2 住宅单元与车辆段柱网正交示意Fig.2 Orthogonal Vertical Members of Housing and Garage

3.1 通过柱端加腋提高结构抗侧刚度

运用库垂直车行方向缺少剪力墙落地条件，在对车辆段厂房限界条件研究后确定采用在垂直车行方向的框架柱端加腋，作为提高车辆段厂房首层抗侧刚度的方法，框架柱端加腋如图3所示。

图3 柱端加腋示意Fig.3 Schematic of Column End Haunch （mm）

为验证框架柱端加腋对结构抗侧刚度的影响，分别选取加腋与不加腋模型，采用盈建科建筑结构计算软件YJK-A辅助分析，对相邻楼层侧向刚度比进行对比研究。研究模型基本条件如表1所示。

表1 研究模型基本条件Tab.1 Basic Condition of Models

研究模型结构三维简图如图4 所示，重点研究柱端加腋方向相邻楼层的侧向刚度比值。楼层侧向刚度计算采用楼层剪力与层间位移角之比计算［2］，结果如表2所示。

表2 模型楼层侧向刚度对比Tab.2 Comparison of Lateral Stiffness of Models

图4 研究模型结构三维简图Fig.4 Three Dimensional Sketch of Models

对比模型1 和模型2：梁、柱采用杆单元建模时，加腋前后楼层侧向刚度变化很小，说明盈建科杆系加腋模型对结构刚度计算模拟失真，计算结果不能真实反映框架柱加腋对楼层侧向刚度的影响。

对比模型1 和模型3：对于不加腋的框架，实体单元模型计算的楼层侧向刚度大于杆单元模型，楼层侧向刚度比则小于杆单元模型。

对比模型4 和模型3：加腋模型的楼层侧向刚度大于不加腋模型，证明框架柱端加腋可以有效地改善车辆段楼层的侧向刚度。

3.2 全框支转换结构

“全框支转换结构”与“部分框支剪力墙结构”相对，是一种转换层及以下为框支框架及框架，没有落地剪力墙的新型结构体系，现已列入文献［5］，采用抗震性能设计方法，确保提高上盖高度后结构整体安全。以3.1节中的模型1为例，确定各构件的抗震性能目标［3］，如表3所示。

表3 全框支剪力墙结构［5］抗震性能目标Tab.3 Seismic Performance Target of Bottom-frame Support Shear-wall Structure

全框支转换结构需重点解决以下问题：①多遇地震设计时的抗震措施；②抗剪承载力突变的应对措施；③框支柱在设防烈度和预估罕遇地震作用下的抗剪承载力问题。

3.2.1 多遇地震设计时的主要抗震措施

对于全框支转换结构，框支框架是结构关键构件，抗震等级不应低于文献［4］中部分框支剪力墙结构框支框架的抗震等级。剪力墙底部加强区的高度可从转换层板顶算起，宜取转换层以上2层，且不宜小于转换房屋高度的1/10。性能设计证明此措施可保证上盖结构整体延性与部分框支剪力墙结构相当。

3.2.2 抗剪承载力突变的应对措施

研究模型存在首层和转换层等两个明显的薄弱层，下部楼层的抗剪承载力计算结果如表4所示。

表4 楼层抗剪承载力验算Tab.4 Shear Capacity for Storey Checking

结果表明：只有首层的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%（＞65%）。

参照文献［2］第5.5.4条关于结构薄弱层（部位）的确定方法，对模型1进行大震等效弹性计算，得到相应的楼层剪力及屈服强度系数如表5所示。

表5 楼层剪力及屈服强度系数Tab.5 Shears and Yield Strength Coefficients of Storey

结果表明：通过小震计算时各种系数放大和加强措施，下部刚度突变位置楼层其屈服强度系数远大于上部楼层。遭受罕遇地震作用时，楼层屈服强度系数相对较小的上部楼层更有可能先进入塑性，符合强下部、弱上部的概念设计要求。文献［2］规定的薄弱层判断就是要找出相对薄弱楼层的位置，对这些部位地震力进行放大、加强构造措施等，保证其不至过于薄弱。

设计时建议结构布置尽量满足抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65%［2］的要求。

3.2.3 框支柱在罕遇地震作用下的抗剪承载力问题

采用三维非线性结构分析软件PERFORM-3D 对模型1中框支柱分加型钢和不加型钢进行了动力弹塑性时程分析，主要计算结果汇总如图5所示。

图5 罕遇地震作用下框支结构主要计算结果Fig.5 Major Calculation Results of Frame-support Structure under Rare Earthquakes

结果表明：按照表3目标设计的全框支转换结构，可以实现转换层上部剪力墙先于下部结构进入塑性状态；在框支柱增设型钢以后，可以明显提高框支柱的抗剪承载力；框支柱内是否增设型钢，对结构整体延性影响不大。

4 层间隔震框支剪力墙结构

相对于其它厂房，大、架修库楼层抗侧刚度更小，研究采用层间隔震性能化设计，上盖、盖下结构平面关系如图6所示，图中填充墙体为上部住宅剪力墙。

图6 住宅单元与大、架修库柱网正交示意Fig.6 Orthogonal Vertical Members of Housing and Overhaul Garage

模型基本条件为：盖下柱网18.6 m × 6.0 m；首层（大、架修库）层高16.0 m；2 层（车库）层高5.0 m；3 层（隔震层）层高2.8 m；4 层以上（住宅）层高3.0 m，总高度为80.8 m。模型简图如图7所示。

图7 隔震模型结构三维简图Fig.7 Three Dimensional Sketch of Model

4.1 层间隔震框支剪力墙结构抗震性能目标

依据文献［2］隔震结构进行设防地震、罕遇地震二水准设计，确定各构件的抗震性能目标，如表6所示。

表6 隔震框支剪力墙结构抗震性能目标Tab.6 Seismic Performance Target of Isolation for Bottom-frame Support Shear Wall

隔震框支剪力墙结构需重点解决以下问题：①隔震层下部结构楼层侧向刚度突变；②框支柱在罕遇地震作用下的抗剪承载力；③隔震层上部结构的抗倾覆稳定。

4.2 隔震层下部结构楼层刚度突变

隔震层以下的结构（包括地下室和隔震塔楼下的底盘）中直接支承隔震层以上的相关构件，应满足嵌固的刚度比要求［2］。这个要求对于隔震层位于基础和地下室顶板时是比较容易满足的，但对于本案则要求偏高。为此引入支承隔震层的刚性楼盖概念，以解决底层和2层之间侧向刚度突变问题。

采用三维结构分析设计软件ETABS建模分析，在设防地震作用下各工况2 层层间位移角如表7 所示，均小于1/4 000，远小于不开洞填充墙框架开裂层间位移角1/2 500［2］。说明大、架修库屋面与其上一层屋面之间的变形很小，近似刚体，故可以将大、架修库屋面及其上一层形成的空腹桁架、混合空腹桁架作为立体桁架屋面进行整体分析，从而解决了隔震层下部结构楼层侧向刚度突变的问题。

表7 设防地震作用下隔震模型层间位移角Tab.7 Storey Drift under Precautionary Earthquake

4.3 框架柱在罕遇地震作用下的抗剪承载力问题

选取了5 条实际强震记录和2 条人工模拟加速度时程，对隔震模型和非隔震模型进行计算，得到隔震层上部结构和下部结构的水平向减震系数分别为0.521 和0.573，按文献［2］，结构的地震作用及抗震措施仍需按7 度（0.1g）执行。虽然设计没能使上部结构的抗震措施降低，但是隔震后上盖及盖下结构地震反应均有所减弱，增加了结构的延性储备。

采用三维非线性结构分析软件PERFORM-3D 对层间隔震框支剪力墙模型进行了动力弹塑性时程分析。主要计算结果汇总如图8所示。

图8 罕遇地震作用下隔震结构主要计算结果Fig.8 Major of Calculation Results of Isolation Structure under Rare Earthquakes

结果表明，在罕遇地震作用下隔震层以下结构层间位移角为1/619＜1/150；隔震层以上结构层间位移角为1/297＜1/200；框支柱满足抗剪弹性的性能目标。隔震支座耗能占比超过80%以上，直接减小了由于刚度突变产生的地震作用放大效应，减轻了地震中结构损坏，提高了建筑的抗震能力。

4.4 隔震层上部结构的抗倾覆稳定

由于橡胶隔震支座抗拉屈服强度较低，需要限制非地震作用水平荷载，本案风荷载产生的总水平力标准值为3 893 kN，总重力为225 425 kN，风荷载产生的总水平力不超过结构总重力的10%；隔震层屈服力（5 452 kN）与风荷载产生水平力的比值为1.40≥1.4；在罕遇地震作用下，隔震支座最大拉应力为0.04 MPa＜1 MPa，满足抗倾覆要求［2］。

5 车辆段基础埋深的讨论

由于车辆段一般不设置地下室，与常规高层建筑的基础设计相比，基础埋深一般不能满足文献［2］的相关要求［6］，其抗倾覆和抗滑移稳定性是车辆段上盖高层建筑设计中的另一个热点问题。

以咽喉区某住宅单元（高度170 m，高宽比约为5.2）为研究对象，对其在不同水准地震作用下的抗倾覆能力进行计算，基本模型如图9 所示，计算结果如表8所示。

表8 抗倾覆计算结果汇总Tab.8 Summary of Overturning-resist Calculation

图9 咽喉区研究模型三维简图Fig.9 Three Dimensional Sketch of Throat Model

结果表明：①在各个工况下，结构抗倾覆系数均大于1.6，说明对于大多数高层建筑，结构抗倾覆能力具有足够的安全储备，基础埋深一般不是控制高层建筑抗倾覆稳定性的决定因素；②高宽比较大，底盘小的结构在大震作用下基础底面与地基之间易出现零应力区，说明适当加大高层建筑的底盘，有利于提高结构的抗倾覆稳定性。对于车辆段上盖设计来说，减少车辆段结构分缝是提高稳定性最有效的措施之一。