基于上盖后开发的综合交通枢纽盖下结构预留适应性研究

2021-12-10陈春强

铁道建筑技术 2021年11期

陈春强

(广东省铁路规划设计研究院有限公司广东广州 510600)

1 引言

综合交通枢纽集合铁路、地铁、公交等多种交通方式，具有规模大，交通集成度高，客流大特点。枢纽上盖开发能提高土地利用率，并获得良好经济效益，是实现站城融合发展的有效途径[1]。交通枢纽上盖开发主要指在位于下部楼层的交通枢纽站场盖板上方，利用盖下枢纽站场结构，建设形成盖板上下功能不同，结构共建的开发项目，见图1。在盖下枢纽建设时，常受到开发权属、项目融资及开发时机等因素影响开发建设推进，造成上盖开发方案确定及建设时序滞后于盖下枢纽[2]，需要预留上盖开发条件。若盖下结构预留采用不恰当的技术标准或过于理想的上盖方案等，会造成盖下前期工程投资过大，或者后期开发建设时候可能面临盖下结构预留不足，需要补强加固。因此，在符合盖下枢纽交通功能要求前提下，开展具有满足盖下结构安全与经济性、后期开发适度灵活调整及施工安全的结构预留适应性研究是很有必要的。

图1 上盖开发与盖下枢纽关系示意

2 研究重点

2.1 结构预留技术标准的确定

上盖开发塔楼与盖下结构为共建一体的整体受力结构，涉及的主要技术标准有抗震设防类别、结构安全等级、设计使用年限和耐久性，选用技术标准的高低对结构安全可靠度及工程整体投资影响很大。以盖板为界，上盖建筑与盖下枢纽的建筑功能及重要性存在显著不同，重点研究确定合理的结构预留技术标准，保证盖下枢纽结构安全，同时兼顾整体投资的经济性。

2.2 交通流线建筑限界对结构体系选型的影响

每种交通工具均具有相应的建筑限界，任何建筑或设备均不得侵入限界内。综合交通枢纽融合多种交通工具，特别是轨道交通类枢纽，其限界高度大，例如高铁站内建筑限界高度(轨面至梁底)为7.25 m，造成盖下枢纽的层高大，楼层刚度小，容易形成下柔上刚的“鸡腿”式结构[3]；当盖下枢纽站场平面上多条交通流线并排布置时，形成平面连续的建筑限界，可能造成大量上盖开发墙柱不能与盖下结构墙柱重合，需采用受力复杂的转换结构避让建筑界限，材料利用效率低，工程投资大。研究基于不同上盖建筑功能、空间要求及高度，满足避让交通流线建筑限界要求的结构体系选型，减少结构转换，从整体上控制工程投资。

2.3 开发方案引起结构体型不规则影响

通常情况下城市规划对上盖开发的建筑限高及基本功能均有规定，但受各种因素影响，当上盖开发单位与建筑方案不能确定时，此时盖下结构预留的难点在于，不同层数、层高、建筑平面及立面的上盖方案，其体型不规则类型及程度不同，对盖下结构预留的影响也不同。在限定高度与基本功能前提下，适度合理考虑不同方案结构体型规则对盖下结构预留的影响，能为上盖开发后期建设提供一定灵活调整空间，有利于吸引社会资金参与开发建设，同时保证盖下结构安全。

2.4 上盖后开发施工对盖下结构影响

盖下枢纽开通运营后，后期建设的上盖建筑施工基础条件发生很大改变，研究在盖下枢纽中预留上盖后开发施工必要的基础条件，为实现上盖开发后期顺利建设提供支撑，同时确保施工期间盖下枢纽结构及运营安全。

3 盖下结构预留适应性研究

3.1 结构预留技术标准研究

(1)建筑抗震设防类别主要根据其破坏可能产生的人员伤亡、经济损失及社会影响的大小、建筑功能、规模等因素确定；工程结构安全等级根据工程破坏可能产生后果的严重性确定。盖下结构属于交通枢纽建筑，上盖开发常规多为公共建筑或居住建筑。根据《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153—2008)[4]规定，当抗震设防类别为重点设防类(乙类)时，安全等级宜按一级考虑。表1、表2所列盖下枢纽建筑与上盖开发建筑的抗震设防类别为乙类，安全等级为一级，其余可取为标准设防(丙类)，安全等级二级。

表1 重点设防类的交通运输建筑

表2 重点设防类上盖开发建筑

因上盖开发建筑与盖下枢纽的重要性显著不同，以盖板为界，可按区段划分不同抗震设防类别，但盖下枢纽的类别不应低于上盖开发区段，盖下结构预留的设防类别与安全等级应能适应上盖开发要求，主要选用原则有:

①当盖下枢纽为乙类，上盖开发不在表2范围时，从节约开发投资角度考虑，预留上盖开发可按丙类设防，安全等级二级预留；考虑到上盖开发位于枢纽上方，破坏后会危及盖下枢纽安全，安全等级也可提高至一级。

②当盖下枢纽规模较小，且不涉及功能不可间断建筑，不属于表1范围时，按丙类设防，安全等级二级考虑；但若上盖开发建筑为表2范围，则盖下枢纽结构也应按乙类设防，安全等级一级。

③常见的上盖开发建筑多为丙类设防，可通过优化项目平面布局，将相同设防类别的盖下枢纽与上盖开发建筑进行共建，并采取抗震缝划分为不同区段单元，减少不同类别建筑间相互影响，利于节约投资。

(2)设计使用年限指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限，取值直接影响结构所对应的可变荷载、材料强度、设计分项系数等，对工程投资影响大。常规的普通房屋结构按50年，标志性建筑和特别重要的建筑结构按100年。结构的耐久性设计是指结构在规定的工作环境中，在预期的使用年限内，在正常维护条件下不需进行大修就能完成预定功能的能力，根据设计年限、所处的环境类别和作用等级确定，主要涉及结构材料性能与指标、砼保护层厚度等耐久性措施的选用，对工程投资影响相对较小。耐久性设计应满足设计使用年限要求，有特殊要求时，可高于设计使用年限要求。盖下枢纽结构设计使用年限及耐久性设计要求见表3。

表3 盖下枢纽结构设计使用年限及耐久性设计

上盖开发建筑多为普通建筑，设计年限一般可取50年，开发塔楼宜布置在与盖下枢纽设计使用年限相同的范围内；当盖下枢纽设计使用年限或耐久性设计为100年时，为减少上盖塔楼到期后结构大修对盖下枢纽影响，上盖开发结构的耐久性设计宜按100年考虑，但设计使用年限仍可取50年，以控制后期开发建设工程投资。

3.2 结构体系选型研究

结构体系选型应根据上盖开发建筑功能与空间要求、高度、结构材料、抗震设防烈度及投资等因素考虑，并满足避让盖下枢纽交通流线限界要求。常用上盖开发结构体系选型见表4。

表4 常用上盖开发结构体系选型

综上，框架结构适用于上盖开发高度较小建筑；框架－剪力墙及框架－核心筒结构开发高度适中，建筑空间及布置灵活性较好，适用建筑类型较多，如采用型钢(钢管)混凝土框架等混合结构体系时，可适用更高的建筑高度[5]，但中部核心筒需要绕避枢纽交通流线；剪力墙结构多用于居住类建筑，应结合交通流线情况，优化总图及剪力墙布置，增加落地剪力墙数量，节约工程投资；筒中筒结构适用高度大，但外筒体尺寸过大，宜布置在非交通流线影响区域。

随着减隔震技术发展，在上盖开发项目中可采用层间隔震技术，但受上盖塔楼整体稳定性影响，隔震房屋高宽比一般宜控制在4以内[6]，可建开发高度上受到一定影响。

3.3 结构基础及主要承重构件研究

盖下枢纽结构基础及墙柱等主要构件承载能力是上盖开发的重要支撑条件。相同上盖高度情况下，当层高与层数不同，结构的荷载及刚度差别很大，对盖下结构预留也有很大影响。主要影响设计指标有单桩承载力、基础不均匀沉降、墙柱构件尺寸与轴压比等。在上盖开发方案的建筑功能、层数尚未确定情况下，采取适当的富余预留，能更好适应后期上盖开发方案的调整。主要措施有:(1)桩基础选择大桩径、高强度持力层；(2)采用桩端扩大头或后注浆技术提高单桩承载力，减少基础变形沉降；(3)墙柱构件选择高强度混凝土，或在墙柱构件内插型钢，形成组合结构，能有效降低轴压比，获得更高承载力与抗震延性。型钢混凝土柱轴压比n为:

式中，fc为混凝土强度设计值，Ac为混凝土截面积；fa为型钢抗压强度设计值，Aa为型钢截面积。

型钢混凝土柱含钢率宜控制在4%～15%之间，在不同含钢率情况下，根据式(1)计算，在含钢率区间的型钢混凝土柱轴压比较普通柱可减少约25%～55%[7]。

3.4 上盖开发结构体型不规则性影响研究

因上盖开发塔楼与盖下枢纽采用结构共建，塔楼结构体型不规则程度对盖下结构的抗震性能存在很大影响。不规则程度高的结构体型，地震时其结构薄弱部位更容易形成应力集中，并率先屈服破坏，最终可能引起结构倒塌。对于特别不规则的高层结构需进行抗震性能化设计及超限审查，并应避免采用严重不规则的方案。结构常见的体型不规则性可总体上归纳为平面不规则和竖向不规则两类，对于连体、错层等类型少见于上盖开发项目中，本文暂不做研究。结构体型不规则主要内容见表5。

表5 上盖开发常见体型不规则类型

针对后期上盖开发建筑平面、层高与规模、外立面效果等因素造成体型不规则，盖下结构预留时可采取的适应性措施主要有:

(1)合理划分抗震缝。根据上盖塔楼所处盖板中的平面位置，单个结构单位内宜设一栋上盖塔楼，位置宜居中布置，可较大程度减少因塔楼偏置引起盖下结构扭转不规则及塔楼的偏心程度。

(2)当受盖下枢纽影响不能设缝时，结构单元内多个塔楼的布置宜对称、均匀，盖板上下结构综合质心偏心距离不宜大于相应边长20%，同时在盖下枢纽的卫生间、楼梯间、顺轨道方向柱间等适宜位置布置剪力墙、柱间支撑等抗侧力构件，或预留加建条件，提高盖下结构抗侧、抗扭刚度，减小竖向刚度突变与偏心不规则程度。

(3)上盖方案为住宅类剪力墙结构时，利用盖下枢纽交通流线间空隙位置，尽量增加落地剪力墙数量，增大墙体截面尺寸，形成巨型框架柱，提高盖下结构抗侧刚度，以减小竖向刚度不规则程度，见图2。同时可在落地剪力墙端部内插型钢，减小墙体小偏心受拉时名义拉应力。

图2 利用盖下轨道间空隙布置落地剪力墙示意

对不落地的剪力墙等竖向构件进行转换时，多采用梁式、厚板等转换结构，转换层位置可设于盖板层或盖板以上楼层，当设于盖板以上楼层时，上刚下柔的结构会引起地震作用效应显著放大，转换层宜优先设于盖板层。如上盖塔楼墙柱钢筋未能明确时，可采用上翻叠合式转换梁，方便后期墙柱钢筋锚固在叠合部分梁内，并预埋扁钢带，提供后焊钢筋套筒锚固条件，及预留加强转换梁抗扭等措施，做法见图3。当转换层位于盖板以上楼层时，重点对支撑转换梁的框支柱进行加强，如柱内预留芯柱或内插型钢。

图3 上翻叠合式转换梁做法示意

(4)上盖塔楼的凹凸与组合平面不规则对盖下结构影响主要为扭转效应引起塔楼外围墙柱构件内力及变形增大，可通过增加外周墙柱截面尺寸，提高角部墙柱抗震措施，增强结构整体抗扭刚度及重点部位构件承载能力与抗震延性。

(5)上盖开发建筑功能为办公、酒店时，常在底层大堂上方楼板处大开洞，形成跃层的高大空间和建筑外周布置悬挑楼盖，以配合建筑立面造型，并增加使用空间。对盖下结构预留的影响有:

①穿层柱的高度大，造成其承载力降低；与楼层其他柱刚度差别大，受力复杂。盖下结构预留时，宜将塔楼主出入口周边一定范围框架柱，预留按穿层柱考虑，通过结构专项分析，采取相应加强措施。

②建筑外周悬挑楼盖造成边框柱受荷面积增加，竖向轴力增大；当塔楼周边质量增加后，引起结构整体扭转效应增大，进一步使边框柱内力增加。上盖塔楼宜预留适当尺寸的悬挑楼盖，考虑边框柱超载及扭转不规则对盖下结构预留影响。

(6)受交通流线建筑限界影响，上盖开发项目中普遍存在扭转不规则、刚度与承载力突变、构件间断及局部规则等多项不规则情况，应根据超限情况，对整体结构分析采用抗震性能化设计方法，确保结构满足抗震设防目标要求。主要措施有:①合理确定结构抗震性能目标，对于重要结构构件如落地剪力墙、转换结构、穿层柱、内力及变形较大的墙柱构件等，适当提高性能目标，如中震抗弯、抗剪弹性及大震抗弯、抗剪不屈服等；②合理确定有利于盖下结构适当保守预留的设计参数，如等效弹性分析时的阻尼比、连梁刚度折减系数等取值；③对结构薄弱楼层及重要部位构件采取加强措施，如适当放大盖下结构核心筒、角柱等构件小震下地震剪力，严格控制核心筒中震下双向地震偏心受拉时名义拉应力大小。

3.5 预留上盖塔楼施工基础条件研究

盖下枢纽开通运营后，上盖塔楼的施工基础条件发生很大改变，如施工荷载、材料运输、柱头预留及防锈，临时抗浮等。考虑不周时会影响上盖开发顺利建设，甚至危及盖下结构安全。综合盖板经济性等因素考虑，可采取的适应性措施有:

(1)上盖塔楼下的盖板及四周适当外扩一定范围，预留不小于10 kN/m2的施工荷载[8]，荷载较大的钢筋加工、堆放等区域宜布置在场地之外。

(2)施工塔吊预留布置在核心筒或楼梯间剪力墙筒体内，有条件时，可利用盖下不需启用的楼梯间布置施工货梯，提高运输效率。

(3)临近上盖塔楼周边如设有覆土地下室顶板时，宜考虑停放大型施工机械荷载。

(4)上盖塔楼预留柱头高度不小于1.5 m，具体做法:柱头下部0.5 m正常施作，上部采用强度较低的砼浇筑，方便后期凿除，柱顶设排水坡；纵筋接头按50%错开预留，顶部为机械连接螺纹；柱头内设防裂钢筋网，必要时采用表面涂刷高渗透环氧树脂加强防腐处理[9]。

(5)确保上盖塔楼未施工时盖下结构的整体或局部抗浮稳定性，可采用压重、抗拔锚杆或抗拔桩等措施。

4 工程案例应用

4.1 工程概况

某大型综合交通枢纽工程集铁路特大型站房、地铁、市内公交、旅游及长途大巴为一体。地下3层、地上4层为交通枢纽功能，盖板位于4层屋面，高度24 m。因开发单位未确定，初步拟定建筑功能为公寓、酒店及办公，建筑限高150 m，开发面积约1.2万m2，仅提供一层标准平面图，用于开展盖下结构预留设计。建筑方案如图4所示。

图4 建筑效果及标准层平面图

4.2 上盖开发结构预留适应性措施

(1)结构技术标准

盖下为重要的大型综合交通枢纽建筑，抗震设防类别为乙类，结构安全等级一级，设计使用年限为100年；因上盖建筑规模大，结构单元内经常使用人数可能超8 000人，抗震设防类别及安全等级同盖下，设计使用年限为50年，耐久性使用年限为100年。

(2)结构体系选型

该工程抗震设防烈度为7度，建筑总高度为150 m，根据本文表4所述，可选用的结构体系类型为框架－核心筒与筒中筒结构。因筒中筒体系外筒尺寸过大，难以避让交通流线，结构体系选择框架－核心筒结构，通过利用核心筒与框架柱之间空间布置车道，二者关系见图5。

图5 盖下枢纽交通流线与核心筒关系

基于建筑限高150 m，考虑不同层高、层数与业态对盖下结构影响，按以下两种方案进行结构初算对比:方案一，3.6 m层高的35层普通公寓；方案二，4.2 m层高的20层酒店和办公＋4.2 m层高的10层LOFT公寓。初算结果见表6。

表6 不同建设方案结构初算结果对比

结果表明，方案二各项指标均大于方案一，对盖下结构影响更加不利，盖下结构预留设计采用方案二进行。

(3)结构基础与主要承重构件

场地不良地质为岩溶，下伏基岩为中、微风化泥灰岩，抗压强度分别为25 MPa、52 MPa，岩溶较发育，基底位于黏土层，基础采用2 m大直径灌注桩基础，为避免过多扰动溶洞，持力层选择中风化泥灰岩。采用桩底后注浆，以减少桩基沉降；盖下塔楼范围框架柱采用型钢混凝土柱，以控制柱轴压比及截面尺寸，并满足交通流线建筑限界要求。

(4)结构体型不规则预留适应性措施

①沿上盖塔楼外围设抗震缝，合理划分结构单元，减少平面不规则程度，见图6所示。

图6 抗震缝划分及穿层柱示意

②塔楼1～5层框架柱抗震等级提高为特一级，作为预留上盖结构竖向构件间断时加强措施，保证后期作为框支柱受力要求。

③上盖塔楼外周楼盖按悬挑3 m考虑，预留考虑上盖建筑外立面及规模等方案调整条件，可增加上盖开发面积约2万m2。

④首层主入口处3根框架柱按2层楼面开洞后形成穿层柱考虑，预留考虑局部不规则影响，见图6。

⑤适当提高核心筒角部内插型钢含钢率，控制名义拉应力不超混凝土抗拉强度标准值。

⑥按特别不规则结构进行抗震性能化设计及弹塑性时程分析，对结构薄弱部位采取加强措施。

(5)上盖塔楼施工基础条件

按本文2.4节原则预留上盖施工基础条件，经核实塔楼下桩基已能满足临时抗浮稳定性要求，对桩基按抗拔桩构造加强。

4.3 考虑适应性预留的结构超限情况

根据适应性预留情况，经过计算分析，按《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》规定进行超限判定，具体超限情况见表7。

表7 结构超限情况

针对盖下扭转位移比及周期比超限情况，经分析，当取消3 m悬挑楼盖及穿层柱后，盖下结构扭转位移比减少至1.25，周期比减少至0.84<0.85，证明预留楼盖悬挑及穿层柱是合理的。

上述表明采用适应性预留后，结构存在4项不规则超限项，属于特别不规则结构，按要求进行抗震性能化设计，受篇幅所限，下面仅给出主要计算结果。

4.4 抗震性能化设计

(1)抗震性能目标设定

针对超限情况，综合考虑建筑功能、经济等因素，抗震性能目标设定为C级，要求小、中、大震作用分别达到性能水准1、3、4。适当提高穿层柱性能目标，按关键构件考虑，性能目标提高为中震弹性，大震不屈服。

(2)中、大震等效弹性分析

考虑中、大震作用下部分构件进入弹塑性阶段[10]，大震分析时结构阻尼比增至0.07，中震分析时不作调整，不考虑阻尼比增加的有利影响；中、大震作用下的连梁刚度折减系数分别取0.5、0.3。

计算结果表明，大部分竖向构件为小震控制，局部为中震控制，采用中震计算结果包络设计；盖下核心筒角部墙肢未加强时，双向中震作用下名义拉应力为2.05ftk，设置型钢进行加强后，减低至1.0ftk以下；穿层柱采用型钢混凝土柱后，能满足设定的性能目标要求；大震作用下盖下剪力墙及框架结构均可满足抗剪不屈服要求。

(3)弹塑性时程分析

采用SAUSAGE软件进行大震动力弹塑性时程分析，分析结果表明:①结构弹塑性层间位移角曲线如图7所示，最大层间位移角X向为1/172，Y向为1/156，均小于限值1/125[11]。②结构塑性开展主要集中在核心筒连梁位置；加强盖下核心筒墙体配筋率及角部设置型钢后，外围剪力墙未出现明显损伤；框架部分仅极少量梁出现砼受压损伤和钢筋塑性应变；除连梁外，构件均满足抗剪不屈服要求。

图7 结构弹塑性层间位移角

综上，结构预留能较好适应上盖开发适度灵活调整需求，结构整体抗震性能良好，满足设定的抗震性能目标。

4.5 穿层柱专项分析

为满足底层大堂高大空间要求，2层楼板局部开洞后形成3根12.6 m高的穿层柱。采用MIDAS gen软件对穿层柱进行特征值屈曲分析，得到屈曲模态和屈曲临界荷载，如图8所示。根据压杆稳定的欧拉公式[12]，反算得穿层柱计算长度系数μ＝0.657，小于设计采用的计算长度系数1.25，表明在设计荷载下，该穿层柱在结构整体破坏前不会先发生局部屈曲失稳。

图8 穿层柱一阶屈曲模态

因穿层柱(长柱)与普通框架柱(短柱)刚度差异大，在大震作用下，易发生短柱先屈服后刚度退化，地震力转移至处于弹性阶段的长柱，最终造成长、短柱逐个破坏的非预期后果[13]，对穿层柱采取以下加强措施:(1)小震作用下地震剪力取相邻普通框架柱剪力及楼层框架柱剪力平均值较大值；(2)箍筋直径不小于12 mm，全高加密，提高变形能力；(3)加强上下层及相邻跨楼板厚度，保证整体变形协调能力。