某地铁车辆段上盖结构设计分析

王小花

（深圳市工勘岩土集团有限公司 深圳 518063）

0 引言

地铁车辆段占地面积大，建筑密度小，与城市道路、管线及通信等相连，在土地资源紧缺的大中型城市具有显著的开发利用价值［1］。北京、上海、广州、深圳等城市已经对车辆段上盖平台物业开发进行了有益的尝试［2］，车辆段物业开发已成为解决大中型城市土地资源供需矛盾的有效措施，但其上盖物业开发涉及轨道、管线、建筑、结构等专业，问题比较复杂，应给予足够的重视并采取切实可行的措施。

1 工程概况

某地铁车辆段位于深圳市南山区，段址长约430 m、宽约220 m，呈不规则长方形布置，总用地面积10.9万m2，其中盖上用地面积为10万m2。盖上总建筑面积14.47万m2，是集地铁培训、休闲运动、地铁文化、科普教育等于一体的市民活动公共场地，包含培训综合楼2座（A、B座）、生活综合楼3座（A、B、C座）、认证研发中心1座、架空停车库、游泳池以及公园绿地等，如图1、图2所示。

图1 车辆段现场实拍Fig.1 The Photograph of a Metro Depot

图2 车辆段建筑纵向剖面Fig.2 Longitudinal Section of a Metro Depot（m）

2 结构主要设计参数

该车辆段上盖设计基准期为50年，结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类；抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.35 s；重现期50年的基本风压为0.75 kN/m2，地面粗糙度为C类，风荷载体型系数为1.3。

3 结构特点及设计难点

地铁车辆段主要用于地铁车辆的停放、检查、整备、运用和修理，采用大跨度大层高（跨度约12.4 m、层高约12.0 m）的框架结构体系，其地面约束弱。车辆段上盖可用于开发住宅、办公、酒店等物业，本项目车辆段上盖主要打造集休闲健身、地铁文化、科普教育为一体的公共场地，其建筑体型较复杂、层高小、结构总高度大、柱网密，采用框架、框-剪结构。因此，车辆段盖上盖下建筑使用功能与结构形式不同而导致：①盖下结构抗侧刚度较盖上结构小、抗剪能力低，易出现侧向刚度不规则和楼层承载力突变的情况；②车辆段盖板造就的大面积白地采用约0.9～1.2 m厚覆土绿化，盖板重量大，加剧盖下抗震薄弱部位的形成；③部分单体竖向构件不连续，需进行结构转换，如托柱、斜柱转换；④部分单体结构核心筒偏置严重，易出现扭转不规则的情况。

本车辆段盖上各单体结构形式如表1所示，主要单体结构情况如下：①培训综合楼（A、B座）三层裙房相连、塔楼核心筒偏置，裙房层高12.0 m、6.0 m、5.1 m，标准层层高4.2 m。A座是全国首座模拟车站及轨道交通各专业系统的岗位操作技能实训楼，内部有吊车、地铁实操设备、地铁区间、仿真车站等，其中2楼平台位置设有地铁运行机车，表现为荷载大（标准层6～8 kN/m2）、建筑空间关系复杂，标准层平面如图3所示；B座为理论培训楼，顶部设有档案中心，表现为顶部荷载大底部荷载小的“头重脚轻”现象；②生活综合楼（A、B、C座）三层裙楼相连、盖板上层采用梁托柱转换，裙房层高12.0 m、4.45 m、4.55 m，标准层层高2.90 m；一、二层为厨房和餐厅，其余为员工宿舍，转换层平面如图4所示；③认证研发中心塔楼核心筒偏置、盖板上层采用斜柱转换，三层裙房层高12.0 m、5.0 m、5.0 m，标准层层高4.2 m；其主要为加强城市轨道交通技术研发及实验、科技成果转化而建，轴测图如图5所示。

表1 车辆段上盖各单体结构形式Tab.1 The Structure Form of the Buildings on the Cover of a Metro Depot

图3 培训综合楼A座标准层平面Fig.3 Typical Plan of Training building A （mm）

图4 生活综合楼B座转换层平面Fig.4 The Transfer Floor Plan of Living Building B（mm）

图5 认证研发中心轴测图Fig.5 The Axonometric Projection of R&D Center

4 结构计算与分析

弹性分析选用SATWE计算，考虑偶然偏心、双向地震作用、扭转耦联及施工模拟加载的影响。嵌固端取基础顶面，计算参数依据文献［3-5］取值，主要计算结果如表2所示。

表2 小震作用下主要计算结果Tab.2 Main Calculation Results of Elastic Analysis

各单体扭转周期比均小于0.85，结构具有必要的抗扭刚度；培训综合楼在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下的最大位移比小于1.8（结构最大位移角小于1/650限值的0.5倍）、认证研发中心及生活综合楼的位移比小于1.5，均属于扭转不规则，但满足文献［4］要求；各单体剪重比（部分经调整后≥1.60%）、刚重比、楼层侧向刚度比（框架≥0.7、框筒≥0.9）、层间受剪承载力比（除生活综合楼X向为0.77外，其余均大于≥0.8），结构侧向刚度合理、整体稳定、竖向布置相对均匀。

根据《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》［6］，培训综合楼、认证研发中心属于扭转不规则建筑，生活综合楼为扭转不规则和竖向构件不连续（各0.5项不规则）建筑，均不属于超限建筑工程。

5 采取的结构与构造措施

根据车辆段及上盖结构单体的实际情况，采取合理的结构与构造措施［7］，尽量使上盖结构平面规则对称、侧向刚度沿竖向均匀变化。

⑴侧向刚度不规则控制措施：调整车辆段柱截面和层高，保证车辆段侧向刚度；培训综合楼、认证研发中心、生活综合楼均设置2层裙房，使层高由大到小逐渐过渡；盖板覆土采用轻质材料换填或部分架空等，减轻盖板重量，以减小地震剪力。

⑵竖向构件不连续控制措施：生活综合楼转换层设置在车辆段盖板的上一层，转换柱全部落在框架梁上，控制转换梁刚度和挠度，其截面尺寸为1 000 mm×1 600/1 800 mm，施工中采用预起拱减小挠度［8］，加强与转换梁相连次梁的配筋构造做法，如增大梁顶通长筋的配筋面积和长度、箍筋全长加密等［9］；认证研发中心在车辆段盖板上层采用斜柱转换，充分考虑斜柱开裂刚度及其与竖柱相交的楼层产生水平拉力的影响，控制斜柱轴压比，保证斜柱有一定的延性；加强斜柱影响区域楼板厚度和配筋、复核楼板和梁受拉承载力［10］，该区域楼板和梁纵向钢筋连续配置，钢筋接头按受拉要求处理。

⑶扭转不规则控制措施：培训综合楼、认证研发中心主要是由于塔楼核心筒偏置较严重引起较大的扭转位移，调节楼层的刚心与质心，减小偏心距；在满足净高要求下，增大最外圈框架梁的刚度（梁宽500～700 mm、高700～800 mm），增加结构抗扭刚度［11］；楼盖四周外角设置双层双向钢筋增加拉结；加强角柱纵筋并加密箍筋提高其延性；对于核心筒连接薄弱位置，增大板厚至150 mm，加密楼板钢筋并双层双向拉通布置，楼梯梯段钢筋锚入剪力墙内。

6 结语

本项目属于较典型的地铁车辆段上盖物业开发，涵盖了车辆段上盖物业开发结构设计常见的结构设计特点及难点，如盖板上下层侧向刚度不匹配、竖向构件不连续、塔楼核心筒偏置等，通过对其计算与分析认为：①设置裙房逐渐过渡层高、盖板覆土换填轻质材料或架空等措施可减缓或避免侧向刚度不规则；②采用梁托柱或斜柱转换可解决竖向构件不连续问题，但需要考虑转换引起的拉力等不利作用并采取相应措施；③对于塔楼核心筒偏置引起的扭转不规则，可采取调节楼层的刚心与质心，增大最外圈框架梁尺寸，加强角柱、楼盖四周外角配筋构造等措施减小扭转或减轻不利影响。此外，建议车辆段与上盖物业开发统一规划与设计，避免车辆段预留条件不足后期需要加固或前期预留的结构构件未充分利用，导致成本增加、资源浪费。