浅谈地铁上盖开发常见结构问题与处理措施

邓季坤 DENG Ji-kun

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

1 研究背景与项目概况

1.1 研究背景

随着建筑行业和轨道交通行业的发展，以公共交通为导向的综合开发模式（TOD模式）近年来在国内地铁车辆段建设中兴起。对于结构设计而言，此类项目存在以下特点[1]：①为满足地铁车辆段停车检修等工艺要求，车辆段首层的结构计算高度一般在10m以上，车辆段盖板上下层高变化较大，底部容易出现薄弱层和软弱层在同一层的结构特征，对结构抗震极为不利；②车辆段咽喉区柱网布置往往极不规则，且容易形成大跨度柱网；③上部物业多为小开间布置，上部结构竖向构件无法完全落地，需通过转换的方式处理；④由于地铁车辆段建设周期长，为了顺应建筑市场的需求，实现开发利益的最大化，上盖开发方案往往存在一定的时效性，地铁车辆段盖板与综合开发建设的不同步可能导致开发方案在车辆段施工完成后修改，从而造成开发阶段预留的设计和施工条件的不确定性；⑤车辆段盖板结构长度通常远超规范要求的最大伸缩缝长度，需解决混凝土温度应力问题和收缩徐变的影响，防止大面积大体积混凝土的开裂。

1.2 项目概况

本文基于目前在建并且已部分建成的广州地铁八号线白云湖车辆段上盖开发项目进行分析。该项目首层为地铁车辆段，建筑层高8.5m，二层为停车库，开发业态为超高层住宅、多层学校、配套商业等。基础采用承台桩基和桩筏基础，住宅采用部分框支剪力墙结构，多层建筑采用全转换框架结构，转换层设置在二层，车辆段的基础和8.5m盖板于2016年开始施工，目前已经施工完毕，车辆段已经运营，同时为上盖开发预留设计条件。2019年，基于房地产市场需求，设计单位对原开发方案进行了调整，从而导致已施工基础和上部结构承载力局部无法满足新的开发方案要求，需对既有结构进行调整和改造。本项目的设计难点在于最大限度满足新方案要求且车辆段首层不具备结构加固条件的情况下，结构需完成上部超高层剪力墙和多层框架的转换，施工难点在于不影响盖下车辆段正常运营的前提下，进行复杂的转换层和上部结构施工。通过一系列计算手段、抗震措施及施工工艺措施，本项目2019年顺利通过了抗震超限审查，并完成了一期二期工程的施工图设计，目前部分超高层已经结构封顶。由于项目复杂，设计和施工过程遇到了诸多难题，本文对项目实施过程中遇到的部分问题进行分析总结，并提出了相应的处理措施。

图1 建筑方案效果图

2 基础设计难点及处理措施

项目开发阶段对建筑方案作的调整包括建筑平面布局、层数、在总平面中定位等调整，从而不可避免的导致部分桩的单桩承载力、承台和筏板的承载力无法满足规范要求，根据相关加固规范，常规的处理措施包括增大基础截面、补桩等，但本项目因车辆段已处于运营状态，首层不具备加固条件，所以项目从减荷载和转移荷载的角度采取了以下处理措施：

①减少覆土厚度或置换轻质覆土材料。由于园林景观和室外管线的需求，盖上往往存在较厚的覆土层，在方案能够接受的范围内，调整室外管线路由，适当减少超载位置的覆土厚度或换填更为轻质的覆土材料能够有效降低结构的负荷，但因此也可能引起楼板局部的错层，为使水平荷载作用能够有效通过错层结构传递，错层部位的框架梁端应设置竖向加腋。

②局部采用钢结构。钢结构具有材料强度高、自重轻、施工周期短、适应大跨度等优点，受车辆段咽喉区轨道的影响，咽喉区柱网布置不规则且跨度大，按混凝土结构设计时，咽喉区基础局部位置承载力不足，为了满足新方案需求，设计时局部采用了实腹钢结构，利用钢结构自重轻且适应大跨度的特点，降低结构自重，有效解决了桩基承载力问题。

③斜撑导荷。斜撑能够将撑顶的部分竖向荷载和水平荷载传递至与撑底相连的柱，从而达到降低撑顶附近框架柱柱底荷载或减小撑顶梁跨度的目的。另一方面，本项目斜撑未预留主筋，为了降低施工难度，避免在钢筋密集的节点区域进行大钢筋植筋施工，可采用图2所示的加腋节点，其中抗剪钢筋通过植筋的方式植入框架梁端，面积可偏保守的假设斜撑轴力的水平分量全部由抗剪钢筋承担求得，此外，应根据框架梁端钢筋的密集程度和框架梁截面尺寸，合理选择抗剪钢筋直径，防止因梁端钢筋密集而影响植筋质量。

图2 斜撑加腋

3 上部结构设计难点及处理措施

3.1 转换结构设计计算措施与建议

上盖开发项目最关键的设计难点是转换层的设计，常用的转换层布置方式包括局部转换（如部分框支剪力墙结构、局部转换框架结构等）和全部转换（如隔震转换、厚板转换等）。根据项目荷载预留和结构布置特征，本项目沿用原方案的转换方案，对超高层剪力墙结构选择较常用的部分框支剪力墙结构，对多层框架结构则采用全转换框架结构。现方案住宅大部分竖向构件不能直接落地，为了减少二次转换，项目充分利用了原结构方案在顺车辆段轨道方向布置的落地剪力墙作为竖向转换构件。设计时基于“强转换弱上部”的结构概念设计理念，对结构做了一系列超限分析，包括多遇地震、设防地震、罕遇地震的等效弹性分析和多遇地震的静力弹性时程分析，罕遇地震和极罕遇地震的动力弹塑性时程分析，对关键部位进行了专项分析与加强，加强措施包括加强关键部位的构件尺寸、配筋、材料强度、采用型钢混凝土、既有结构补强等，复核了已经施工的首层盖板的承载力和变形，通过以上措施确保了结构的安全可靠。

对于车辆段上盖开发结构，一般建议将转换层设置在二层盖板以上。与首层盖板转换相比，二层盖板转换一方面能够避免在首层盖板施工阶段预留上盖开发建筑的竖向构件，从而提高开发阶段方案变化的灵活性，另一方面也可作为上盖开发的地下车库，提高盖上结构利用率和经济效益。同时，对于结构概念设计指标计算而言，转换层作为上下部结构的过渡层，通过合理设置转换层层高及竖向构件的尺寸，能够减轻甚至消除因底层层高过高引起的底层薄弱的影响，从而提高结构的整体抗震性能。此外，建议有条件的情况下，在首层盖板顺股道方向设置适量剪力墙，也是解决底层软弱层和薄弱层问题的有效措施，同时还能减小首层竖向构件的尺寸，为车辆段工艺设计提供更多空间。

3.2 已施工梁配筋不足

开发方案调整导致房间布局、功能、层高的变化，上部结构质量的变化导致地震响应与原方案的不一致，这些因素都可能引起已经施工的梁配筋不足。对于梁配筋不足，常用的处理措施有增大截面法、外包型钢、粘贴钢板或纤维布补强等[3][4]，但因项目不具备首层加固的条件，无法完全采用常规加固方式，本项目采取以下措施：①调整梁端负弯矩调幅系数；②盖板板顶加固。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3的规定，竖向荷载作用下，考虑框架梁端塑性变形内力重分布，对梁端负弯矩乘以调幅系数进行调幅，现浇框架梁端负弯矩调幅系数可取0.8～0.9[5]。对于已施工的框架梁，当跨中钢筋配置不足时，梁端负弯矩调幅系数可以取规范规定的大值，减少跨中正弯矩，同时增大梁端负弯矩，以减少跨中配筋，增加支座配筋，当支座实际配筋不足时，可以采用在盖板板顶梁端粘贴钢板或碳纤维布等方式加固。当调幅的方式仍然无法解决梁配筋不足的问题时，可以考虑采用在梁顶面加大截面形成叠合梁的方式处理。

3.3 柱钢筋预留不足

柱钢筋预留不足包含两种情况：盖下已施工的柱实际配筋小于计算配筋、盖上未施工的柱预留的插筋少于计算配筋。

对于已施工柱配筋不足，常规措施不具备施工条件时，可以从减荷载和转移荷载两方面进行处理，处理方式仍然包括减少覆土、换填、斜撑导荷、采用自重轻的结构类型等。对于插筋预留不足，由于节点区域钢筋较密，柱主筋直径大，规范要求的植筋深度大，植筋施工非常困难，本项目采取的主要措施为：①按柱受力情况分段配筋；②加大柱底截面。

软件计算时，柱的计算配筋通常按柱顶柱底控制内力分别计算后取包络值，事实上，当柱底插筋预留不足，但柱的计算配筋由柱顶截面内力控制时，设计时可以按照柱顶柱底实际控制内力分段配筋，即将柱下半段按照柱底控制内力配筋，上半段按照柱顶控制内力配筋，通过这种方式可以避免在梁柱节点区域植筋施工。当柱底计算配筋较大，采用前述方式插筋仍然不足时，可以采用加大柱底截面的方式处理，其目的是增加可植筋范围，同时将大直径钢筋等效换成小直径钢筋，从而减少植筋深度，降低植筋难度，大柱脚可以作为柱主筋的锚固端。

3.4 转换构件剪压比超限的调整

转换梁作为转换构件，直接承受被转换竖向构件传递的弯矩和剪力，构件截面尺寸通常与建筑高度成正比，当转换梁跨高比达到一定数值时，框支梁转变为深受弯构件，其破坏机理由受弯破坏转变为剪切破坏，截面大小由受弯控制转变为抗剪截面控制。对一些项目的计算发现，对于框支转换超高层建筑，在模型调整过程中，框支梁梁端剪压比超限是这类项目出现最多的一类问题，特别是存在较多二次转换的框支剪力墙结构，框支主梁需承担框支次梁传递的荷载，对梁截面的需求更大，剪压比问题尤为突出。另一方面，考虑建筑、设备专业的需求及结构的经济性，梁截面尺寸一般受限。针对转换梁剪压比超限问题，根据相关规范的抗剪截面计算公式，可采取的处理措施主要包括提高混凝土强度、增大截面尺寸、采用型钢混凝土、梁内增设抗剪钢板等。经验计算表明，采用增加梁宽的方式，梁截面面积增加的幅度通常比增加梁高更显著，因此通过增加梁宽解决剪压比问题比增加梁高更有效，当梁宽大于柱宽时，通过在柱顶增设柱帽可以有效解决梁内钢筋锚固的问题。而采用型钢混凝土或梁内设置抗剪钢板则是充分利用钢板较高的抗剪强度，规范表明，同截面尺寸的型钢混凝土构件抗剪能力远强于普通混凝土构件。

此外采用壳元梁模拟梁单元也是解决剪压比超限问题的一种方式，壳元梁能够较为准确的模拟墙与梁的变形协调，分析梁沿高度方向的应力变化，与传统杆单元模拟梁计算相比，转换梁采用壳元更合理。

4 上部结构施工难点及处理措施

4.1 梁柱节点钢筋密集

梁柱节点区域钢筋密集是设计过程中容易被忽视的问题，现行《混凝土结构设计规范》GB50010关于钢筋间距的规定虽然考虑了对混凝土浇筑质量的影响[2]，但对于一些配筋率较大的构件，按照规范规定的最小钢筋间距排布钢筋仍然可能导致节点钢筋密集，普通混凝土难以浇筑密实的现象（图3）。对于有抗震要求的、荷载需求较大的混凝土结构，特别是高烈度地区的混凝土结构，节点区域钢筋交汇，且构件本身计算配筋大，纵筋根数和层数多，箍筋肢数多、肢距小，且加密配置，再加上现场施工误差，将可能导致节点区域混凝土浇筑难以达到理想的密实状态，严重影响结构的抗震性能，形成安全隐患。

图3 梁柱节点钢筋

对于此类节点，梁柱主筋可以按照规范要求采用并筋，同时严格限制混凝土粒径、和易性等参数，施工过程加强振捣，或采用如自密实混凝土等流动性高的特殊混凝土。

此外，当涉及植筋施工时，梁柱节点钢筋密集也将影响施工质量，对于重要的非悬挑构件，当钢筋直径较大时，在节点区域植筋难以达到计算要求的深度，所以本项目较多的采用了14mm以下的小直径钢筋等效替换大直径钢筋，保证植筋能够穿过钢筋间隙达到设计深度，从而保证植筋施工质量。

4.2 塔吊的安装

首层盖板作为上盖开发的施工场地，施工车道、材料堆场、塔吊等荷载的预留也存在很大的不确定性。项目原方案设计时预留了充足的塔吊施工荷载，但由于建筑总平面和房间布局的调整，大部分预留的塔吊位置无法满足现方案的施工要求。为解决塔吊安装问题，结合建筑总平面和竖向构件的布置，选择插筋富余较大的竖向构件在车辆段盖板上布置十字交叉塔吊基础梁，并在设计阶段进行整体建模分析，充分考虑基础梁在施工过程各个工况下的受力情况，同时对与基础梁相连的框架柱进行箍筋加密与纵筋加强，通过以上措施确保了塔吊的安全。

5 结语

以上分析了广州地铁白云湖车辆段上盖开发项目在设计和施工过程遇到的结构问题，并提出了相应的解决措施，为同类项目设计和施工提供了新的思路。地铁车辆段上盖开发是国内TOD模式的一种发展趋势，由于轨道交通和上盖开发建设的不同步，为了顺应建筑市场需求，开发方案调整在所难免，也给设计和施工制造了新的难题，提出了新的挑战，如何安全合理的设计施工此类项目是值得每个参与项目的人员深入思考的问题。