某地铁上盖结构设计分析

吴鸿志

(福建嘉博联合设计股份有限公司 福建福州 350001)

0 引言

地铁作为一种高效的公众出行方式，不受地面拥堵影响，被越来越多城市采用。随着地铁线路的开通，城市需要为地铁车辆的检修配套许多车辆基地。城市土地资源紧缺的形势下，地铁车辆检修库的顶板以上开发上盖物业的模式应运而生。然而，底层地铁检修库和上盖物业开发功能需求的冲突，造成检修库的竖向构件和上盖物业竖向构件无法对齐，因此上盖物业的竖向构件难以避免需要转换。基此，本文结合某实际工程，探讨带转换层的地铁上盖高层建筑抗震设计相关问题。

1 项目简介

该工程为福州某地铁车辆基地运用库，原规划上部高层均为30层住宅，结构体系采用部分框支剪力墙结构。运用库屋面(下文简称“盖板面”)由几条结构缝分割成若干独立的结构单元，每个结构单元为一栋塔楼。盖板面预留竖向墙柱插筋，主楼范围采用满堂桩筏基础。上盖进行开发时，该工程盖板面及其以下部分均已建成并投入地铁运营使用。所有地铁车辆检修均停于该运用库，因此，上盖物业的开发施工不得对地铁的正常运营产生影响，并且该工程也无条件进入运用库对盖板及其以下结构进行加固和维修。

原设计总图按多年前的设计规划条件，预留规划日照为1h。上盖物业开发时，规划日照要求变为3h，无法完全按照原设计总图位置来布置单体。新的建筑户型因市场变化产生较大的修改，修改后的平面与原盖下墙柱完全错位，必须设置转换层来转换上部竖向构件。

该工程抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度值0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.45s。

1.1 结构方案选择

该项目转换层结构形式选择有3种：梁式转换、箱形转换、厚板转换。

梁式转换，由于上部剪力墙布置受建筑功能影响，存在大量的二次转换，局部甚至存在3次转换，梁系布置非常密集。每道主梁均需要承担来自次梁的巨大扭转效应，这对主梁的受力极为不利。箱形转换，解决了主梁抗扭不利的问题，但密集的梁系同样会造成后期施工非常复杂。最终选择采用厚板转换的形式。经试算后，确定转换厚板厚度为1900mm。

该工程预留框支墙与上部建筑平面关系如图1所示。

图1 预留框支墙与上部建筑平面关系

依照图1所示，A9#塔楼北侧轮廓在下部原预留墙柱外边界范围内，塔楼南侧局部超出下部预留墙柱1.5m，东侧山墙位置超出下部预留墙柱3.9m，西侧山墙超出下部预留墙柱1.5m。因出挑太长，采用斜墙支撑出挑厚板方案，来保证结构安全性。结构剖面如图2所示。

1.2 超限情况及性能目标

该工程不规则情况如下：①扭转不规则；②凹凸不规则；③刚度突变；④厚板转换(构件间断)；⑤承载力突变。依据《超限高层建筑抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)[3]，该工程属于超限高层。

针对超限，该工程采取的性能目标为：转换厚板、转换梁、框支墙柱、斜墙满足中震弹性、大震不屈服；厚板以上住宅底部加强区的墙柱，满足中震斜截面弹性、正截面不屈服。

1.3 计算模型简化

该工程主要采用盈建科软件股份有限公司YJK软件计算。在厚板层上部住宅剪力墙底的位置建立虚梁，虚梁之间设置1900mm结构板。厚板平面内刚度接近无穷大，因此，将厚板定义为弹性板3。斜墙简化为斜撑输入模型，斜撑与框支墙之间墙体仅作为满足斜撑稳定性的一种手段，同时也作为一种安全储备。计算模型如图3所示。

图3 结构计算模型

1.4 计算内容

1.4.1小震反应谱计算

计算软件主要采用YJK，并且采用Midas Building进行补充计算，并对二者计算后的主要指标进行对比。

如表1所示，前3周期计算结果差别不大。

表1 两种软件计算得的结构自振周期

地震作用下楼层位移角指标如图4所示。

图4 地震作用下的楼层位移角

通过以上对比可知，YJK和Midas Building的计算结果相近，采用YJK的计算结果进行设计安全可靠。

1.4.2弹性时程分析

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[2]，《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[1]的要求，选取程序中自带的1条人工波和2条天然波，对该工程进行弹性时程分析。

计算结果显示， X 、Y向各3条波中，每一条的基底剪力均大于反应谱法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反应谱法基底剪力的80%，满足规范对时程分析地震波的要求。各地震波弹性时程分析的位移角均在规范允许范围之内。

图5～图6为3条波的弹性时程分析的楼层剪力包络值。从分析结果可知，振型分解反应谱法计算的部分楼层剪力，小于弹性时程分析计算的楼层剪力。因此，在振型分解反应谱法的前处理中回代相应放大系数重新计算，放大系数如图5～图6所示。

图5 弹性时程分析X向楼层剪力

图6 弹性时程分析Y向楼层剪力

1.4.3中震弹性分析、大震不屈服分析

为了增加转换相关构件的抗震承载能力，对转换层及其以下竖向构件和转换层的水平构件进行中震弹性、大震不屈服计算。

(1)中震弹性分析参数如下设置

①地震影响系数最大值，按设防烈度地震选取。

②不计内力调整系数。

③材料强度采用设计值，不计算风荷载。

④考虑中震下填充墙破坏、结构阻尼增加、刚度弱化、结构周期不折减，结构阻尼采用0.06，连梁适当破坏，刚度折减系数采取0.5。

(2)大震不屈服分析参数如下

①地震影响系数最大值按照罕遇地震选取。

②不计内力调整系数。

③材料强度用标准值，不计算风荷载。

④结构周期不折减，阻尼比采用0.06，连梁刚度折减系数采用0.3。

采用上述小震、中震和大震的计算结果对转换构件进行包络设计，保证转换构件达到中震不坏、大震仅轻微损坏的性能目标。

1.4.4罕遇地震下结构响应

结构在罕遇地震作用下，某些部位会发生屈服甚至破坏退出工作，结构工作状态从弹性进入弹塑性，并随着塑性发展，结构刚度不断退化，阻尼比随之增加。对这一过程的模拟，该项目通过近似的静力弹塑性分析(pushover)来实现。通过分析，对结构在多遇地震下的弹性设计假定进行校核，同时大致确定结构在罕遇地震下的破坏过程，找到薄弱环节，使设计能针对性地对薄弱环节进行加强，保证整体结构实现基于性能的抗震设计。

计算所得的能力谱与需求谱曲线如图7～图8所示。X、Y方向的性能点对应的最大层间位移角分别为1/199(X向)和1/274(Y向)，满足规范规定的限值要求和性能目标要求。罕遇地震性能点之后结构还有上升空间，表明该结构能够承受罕遇地震的作用，满足“大震不倒”的抗震设防目标。

图7 X方向结构能力谱与需求谱关系图

图8 Y方向结构能力谱与需求谱关系图

1.4.5楼面谱多遇地震、设防地震分析

该工程采用的厚板转换，厚板平台对地震波有一定的滤波作用。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[2]，不同的平台本身所处的场地、结构特性等因素不同，对平台上结构的地震反应有一定的放大作用，因此要考虑平台的滤波效应。

该项目对平台上的结构进行拟楼面谱分析，近似考虑平台的放大效应。计算结果用于复核厚板以上底部加强区墙柱，使厚板以上底部加强区能达到小震不坏、中震可修的性能目标。具体做法如下：多遇地震分析假设厚板面为嵌固端，将转化层以下结构删除，在前处理中填写一个固定楼层剪力放大系数，然后进行小震整体分析计算，使得计算后底部楼层剪力与原带转换层结构的相应楼层剪力相当。计算结果用于复核转换层以上两层墙柱(底部加强区)的配筋。

设防地震采用中震不屈服分析的计算参数，模型和前处理的做法与多遇地震做法相同。

1.5 卧梁做法

已施工的运用库屋面预留插筋的墙柱截面小于底部墙柱截面，上下层墙柱相对位置如图9所示。

若按预留插筋施工运用库屋面以上的转换墙柱，会较大削弱转换层墙柱刚度，因此，设计时南北两排转换墙柱按下层墙柱相同截面伸至厚板转换层，中间排墙柱按预留插筋的截面伸至厚板转换层。

南北两排框支剪力墙的预留插筋截面无法满足设计要求截面，因此，在运用库屋面设置一道卧梁，增大部分墙柱纵筋，通过卧梁形成一个整体。卧梁位置如图10斜阴影所示。

图10 卧梁平面示意图

图11为卧梁剖面大样图。预留插筋贯穿卧梁与上部墙柱钢筋，采用套筒连接；上部墙柱多余的钢筋穿过卧梁，以植筋方式与下层墙柱连接，小部分无法植筋的钢筋，伸至卧梁底部弯锚；最后，通过设置卧梁箍筋，让上下层墙柱连接处形成一个整体，保证运用库屋面上下层转换墙柱节点可靠性。

图11 卧梁剖面大样图

1.6 厚板的设计与施工技术措施

1.6.1厚板的设计

厚板作为承上启下的重要转换构件，应提高其抗震性能目标，达到中震弹性、大震不屈服的要求。因此，采用Midas Gen软件进行整体多尺度有限元分析其应力，并根据应力分析结果验算厚板受拉配筋。同时，验算上柱对厚板的冲切承载力和板支座处的剪切承载力。为了提高转换板的延性和抗剪承载力，厚板内布置一定数量的暗梁和型钢梁，如图12所示。

图12 厚板平面示意图

1.6.2厚板的施工技术措施

该工程转换板厚度达到1.9m，属于大体积混凝土，浇筑过程应降低混凝土水化热和控制混凝土温度应力，严格控制混凝土中水泥用量，并在厚板中铺设冷却水降温钢管[4]。

由于盖板层预留的荷载无法承担1.9m厚板混凝土和支撑模板的荷载，同时为了控制混凝土的温度应力，该工程1.9m厚板分两次浇筑:第一次浇筑800mm，第二次浇筑1100mm，待第一次浇筑的混凝土达到90%以上强度后浇筑第二次混凝土[4]。为了增强两次浇筑混凝土表面间的粘结，设计加密加大了板底板面筋间的拉结筋，并在第一次浇注混凝土面上增设抗剪件，如图13所示。

图13 厚板抗剪件示意图

2 结论

(1)地铁上盖物业在7度区，采用厚板转换结构满足上下层功能需求，是一种有效可行的结构方案。

(2)厚板转换结构在设计时，转换构件应提高性能目标，满足中震弹性、大震不屈服的要求；厚板以上底部加强区墙柱，应满足中震正截面不屈服、斜截面弹性的要求。

(3)厚板以上的结构，应考虑平台对地震力的放大作用，即“楼面谱”效应。

(4)厚板以下存在两层以上墙柱时，转换墙柱不宜变截面。通过设置“卧梁”，可以避免厚板以下墙柱存在的较大刚度突变，同时增强节点整体性，满足结构要求。

(5)厚板作为重要的转换构件，应提高其抗震性能目标，采用有限元分析厚板应力；控制大体积混凝土浇筑的温度应力，考虑模板的支撑承载力。