張伯英

北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082

引言

地鐵車輛段主要承擔(dān)停放地鐵車輛、整備、列檢、月檢以及架修任務(wù)。車輛段上蓋開發(fā)項目就是在占地面積巨大的軌道交通車輛段上進行停車場、商業(yè)、住宅、辦公等各種業(yè)態(tài)的物業(yè)開發(fā)，也就是對土地的二次利用，北京地鐵7 號線東延張家灣車輛段就采取了此種開發(fā)模式。車輛段首層為地鐵車輛停車、整備、檢修功能區(qū)，垂直軌道方向結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)受車輛限界及車輛檢修工藝限制，順軌道方向柱網(wǎng)受工藝設(shè)備空間限制，而首層以上，根據(jù)建筑業(yè)態(tài)不同，柱網(wǎng)布置需求與蓋下存在一定差異。但是此種類型的結(jié)構(gòu)，需要滿足上下兩種完全不同的使用功能需求，蓋下柱網(wǎng)規(guī)則，凈高要求高；蓋上柱網(wǎng)受建筑功能及流線限制，且凈高較低。這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、體型收進、樓板不連續(xù)、剛度突變等一系列問題。針對此種類型建筑結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性研究較少，本文以張家灣車輛段上蓋開發(fā)工程為例，結(jié)合上下結(jié)構(gòu)特點分析比選了多種結(jié)構(gòu)體系，對轉(zhuǎn)換層的選取及混合結(jié)構(gòu)的阻尼比取值、豎向地震作用取值等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行了分析，并針對結(jié)構(gòu)各種不規(guī)則結(jié)合我國規(guī)范對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件進行加強處理。為今后類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

張家灣車輛段位于東六環(huán)內(nèi)側(cè)，西側(cè)為環(huán)球影視城。車輛段用地呈不規(guī)則矩形，南北長950m，東西寬440m；車輛段占地面積20.42 公頃，蓋上開發(fā)主要業(yè)態(tài)為商業(yè)購物中心、戲曲中心、冰酷世界、影院、小型辦公樓等。整體方案效果及蓋上開發(fā)使用功能如圖1 所示。

蓋下車輛段主要功能為停車列檢庫、聯(lián)合檢修庫、設(shè)備用房、咽喉區(qū)及出入段線，車輛段根據(jù)各區(qū)域上蓋開發(fā)功能及蓋下車輛段使用功能，依據(jù)抗震縫位置，共分為10 個部分，結(jié)構(gòu)區(qū)段劃分如圖2所示。3、4 區(qū)蓋上開發(fā)功能較為復(fù)雜，需依據(jù)蓋下車輛段使用功能條件及蓋上開發(fā)功能綜合考慮結(jié)構(gòu)體系?，F(xiàn)以本工程停車列檢庫4 區(qū)為例，說明結(jié)構(gòu)體系的選型、轉(zhuǎn)換層的選取、設(shè)計參數(shù)的選用及相應(yīng)加強措施。

圖1 北京地鐵7 號線東延張家灣車輛段蓋上開發(fā)使用功能示意Fig.1 Schematic diagram of development and use function of Zhangjiawan depot cover on east extension of Beijing Metro Line 7

圖2 張家灣車輛段分區(qū)示意Fig.2 Division diagram of Zhangjiawan Depot

2 結(jié)構(gòu)體系的選型

根據(jù)已有的地鐵車輛段上蓋開發(fā)工程的經(jīng)驗，地鐵車輛段首層及二層小汽車庫層根據(jù)車輛段用地條件及工藝要求，采用框架結(jié)構(gòu)較多。如用地條件許可，垂直軌道方向在工藝及車輛限界允許條件下，能夠允許局部設(shè)置橫向剪力墻，沿軌道縱向設(shè)置剪力墻不受限制，可采用框剪結(jié)構(gòu)，大大增加下部結(jié)構(gòu)的整體剛度。三層及以上開發(fā)根據(jù)使用功能及地震設(shè)防烈度，采用框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)及剪力墻結(jié)構(gòu)較多。

停車列檢庫4 區(qū)投影尺寸為187m ×105.4m?？v向主要跨度為9m，橫向根據(jù)停車列檢需要主要跨度為13.3m和18.1m。各層層高如圖3所示。

4 區(qū)首層為車輛段使用功能區(qū)停車列檢庫，庫內(nèi)橫向柱跨間均為軌道線，二層功能為小汽車庫，三層及以上為商業(yè)區(qū)。

根據(jù)車輛段建筑用地情況及使用功能要求，垂直于軌道方向無條件設(shè)置剪力墻及支撐等抗側(cè)力構(gòu)件，故首層車輛段內(nèi)考慮采用橫向限制較小的框架結(jié)構(gòu)。

車輛段上蓋主要業(yè)態(tài)為商業(yè)，對使用空間要求靈活，主要抗側(cè)力構(gòu)件的布置受建筑流線影響較大，故上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)形式采用框架結(jié)構(gòu)、框架加支撐結(jié)構(gòu)及框剪結(jié)構(gòu)均可行，由于垂直軌道方向即橫向所有跨支撐及剪力墻均無法落地，且首層層高為二層層高的兩倍左右，層剛度比無法滿足規(guī)范要求且相差較大，因此二層及以上各層同樣考慮采用框架結(jié)構(gòu)。本區(qū)塊結(jié)構(gòu)高度從室外地面起算為39.6m，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 20011—2010）［1］（以下簡稱為《抗震規(guī)范》），對于北京8 度（0.2g）設(shè)防烈度地區(qū)，混凝土框架結(jié)構(gòu)的最大適用高度為40m。本結(jié)構(gòu)已接近混凝土框架結(jié)構(gòu)的最大適用高度，且結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，采用純混凝土框架結(jié)構(gòu)較不經(jīng)濟，三層及以上采用鋼結(jié)構(gòu)，有利于減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用。因此，對首層、二層的材料選取做了比選。

圖3 停車列檢庫4 區(qū)層高示意Fig.3 Floor height schematic diagram of zone 4 of parking train inspection depot

對兩種材料分界面位置的選取進行了對比分析，即首層、二層采用鋼筋混凝土框架或型鋼混凝土框架和首層采用鋼筋混凝土框架、二層采用鋼框架。以此建立三種計算模型如圖4 所示，模型各層的構(gòu)成情況列于表1 中。

表1 模型各層構(gòu)成情況Tab.1 Composition of each layer of the model

圖4 對比計算模型Fig.4 Comparison calculation mode

根據(jù)業(yè)主需求，車輛段使用功能區(qū)優(yōu)先采用混凝土結(jié)構(gòu)，因此本工程考慮首層、二層采用鋼筋混凝土框架+三層及以上采用鋼框架的混合結(jié)構(gòu)體系。

計算結(jié)果對比如表2 所示。從表2 中可以看出，三種計算模型的層間位移角均能夠滿足《抗震規(guī)范》中表5.1.1 關(guān)于彈性層間位移角限值的要求。本結(jié)構(gòu)的突出問題在于1 層與2 層側(cè)向剛度比較小，結(jié)構(gòu)的豎向剛度應(yīng)自下而上逐漸減小，變化均勻、連續(xù)。否則，在地震作用下某些樓層或部位將率先屈服，出現(xiàn)較大的塑形變形集中，加重破壞。

表2 模型計算結(jié)果Tab.2 Model calculation results

因首層工藝專業(yè)需求，首層層高為11.2m（從嵌固端承臺頂計算），二層層高為5.3m，天然層高差距較大，且首層柱尺寸受軌道限界限制，剛度比不易滿足。對比模型中，模型1 的剛度比為0.71 接近《抗震規(guī)范》中對側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)的限值。模型3 的剛度比更是小于0.7，屬于側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)。為避免出現(xiàn)薄弱層，在結(jié)構(gòu)材料分界面的選擇上優(yōu)先選擇了剛度比指標(biāo)較好的模型2。由此本區(qū)塊采取了模型2 的劃分方法，首層、二層鋼筋混凝土框架+三層及以上鋼框架的混合結(jié)構(gòu)體系。

3 轉(zhuǎn)換層的選取

因首層為車輛段停車列檢庫，其柱網(wǎng)排布受到各專業(yè)使用功能限制，可供更改范圍極小。上部商業(yè)因劇場、電影院、中庭的排布以及商業(yè)流線的規(guī)劃致使柱網(wǎng)不能與首層結(jié)構(gòu)一致，不可避免產(chǎn)生豎向構(gòu)件不連續(xù)，產(chǎn)生托梁轉(zhuǎn)換層。

本工程在考慮轉(zhuǎn)換層位置的設(shè)置時，分別考慮轉(zhuǎn)換層設(shè)置在首層（圖5）和二層（圖6）兩種情況，分析如下：

（1）根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）［2］（以下簡稱為《高規(guī)》）10.2.1對帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的定義，是指在高層建筑結(jié)構(gòu)的底部，當(dāng)上部樓層部分豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地時，應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。經(jīng)查閱資料，結(jié)構(gòu)的底部高度約指房屋下部的1／3 高度范圍內(nèi)，若轉(zhuǎn)換層設(shè)置在二層，轉(zhuǎn)換層位置超過總體結(jié)構(gòu)高度的1／3，對結(jié)構(gòu)抗震較為不利。

圖5 首層結(jié)構(gòu)布置Fig.5 Structural layout of the first floor

（2）根據(jù)《高規(guī)》10.2.4 條要求，轉(zhuǎn)換構(gòu)件的水平地震作用內(nèi)力應(yīng)乘以增大系數(shù)1.6?！陡咭?guī)》3.5.8 條規(guī)定，豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的樓層，其對應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的地震作用剪力應(yīng)乘以1.25。經(jīng)過地震力放大，二層豎向抗側(cè)力構(gòu)件尺寸必然較大，根據(jù)前文分析，首層與二層的剛度比比值會更為不利，加重結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性。

圖6 二層結(jié)構(gòu)布置Fig.6 Structural layout of the second floor

（3）根據(jù)結(jié)構(gòu)布置及使用功能要求，車輛段首層雖然橫向跨度較大，但梁柱排布較均勻，整體性較好。二層使用功能復(fù)雜，有錯層及開洞，整體性較差。

綜合以上三點，考慮將轉(zhuǎn)換層設(shè)置在首層，放大首層梁、柱尺寸，盡量減小二層抗側(cè)力構(gòu)件的剛度。在滿足剛度比要求的同時，放低轉(zhuǎn)換層的位置，對結(jié)構(gòu)抗震性能較為有利。因此本結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層限制在梁柱尺寸較大的首層，如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structural diagram of transfer floor

4 關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的選用

4.1 鋼筋混凝土框架+鋼框架結(jié)構(gòu)的阻尼比取值

本結(jié)構(gòu)體系存在混凝土和鋼兩種不同的工程材料，兩種材料的阻尼比取值不同。以往的部分工程設(shè)計采用鋼材和混凝土材料的阻尼參數(shù)分別計算，而后取其包絡(luò)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，這將不可避免造成浪費。因此，采用三種方法針對阻尼比的取值進行對比研究分析。

1.統(tǒng)一阻尼比取值。《抗震規(guī)范》5.1.5 條規(guī)定：除有專門規(guī)定外，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比應(yīng)取0.05。《抗震規(guī)范》8.2.2 條對鋼結(jié)構(gòu)抗震計算的阻尼比做出了規(guī)定，在多遇地震下的計算，高度不大于50m 時可取0.04。因本結(jié)構(gòu)同時采用了混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，兩者協(xié)同工作，此種“豎向混合結(jié)構(gòu)”與《高規(guī)》中的混合結(jié)構(gòu)較為類似，《高規(guī)》11.3.5 條規(guī)定：混合結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的阻尼比可取為0.04。因此采用統(tǒng)一阻尼比0.04 進行計算分析。

2.振型阻尼比法。《抗震規(guī)范》10.2.8 條針對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋下部支撐為混凝土結(jié)構(gòu)時的阻尼比做出了規(guī)定，根據(jù)條文說明，此類協(xié)同計算時的阻尼比取值采用振型阻尼比法。組合結(jié)構(gòu)中，不同材料的能量耗散機理不同，因此相應(yīng)構(gòu)件的阻尼比也不同。對于每一階振型，不同構(gòu)件單元對于振型阻尼比的貢獻與單元變形能有關(guān)，變形能大的單元對該振型阻尼比的貢獻較大。所以可根據(jù)該階振型下的單元變形能，利用下式，采用加權(quán)平均的方法計算出振型阻尼比。

式中：ζi為結(jié)構(gòu)第i 階振型的阻尼比；ζi為第s個單元阻尼比，對鋼構(gòu)件取0.02；對混凝土構(gòu)件取0.05；Wsi為第s個單元對應(yīng)于第i階振型的單元變形能。

3.CCQC法。針對由不同材料組成的混合結(jié)構(gòu)體系，周錫元、俞元芳于2006 年提出了在粘滯阻尼理論基礎(chǔ)上的基于規(guī)范反應(yīng)譜的CCQC法，此方法使用了與CQC 法完全相同的假設(shè)，與CQC 法不同在于除考慮不同振型位移地震響應(yīng)的相互影響外還需考慮兩個振型的速度響應(yīng)之間、以及一個振型的位移響應(yīng)和另一個振型的速度響應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)性。CCQC 法求解非比例阻尼系統(tǒng)具有很好的精度，指定混凝土部分阻尼比為0.05，鋼結(jié)構(gòu)部分阻尼比為0.02，利用CCQC法對結(jié)構(gòu)進行計算分析。

三種不同的計算方法，結(jié)構(gòu)基底剪力的計算結(jié)果如表3 所示。

表3 基底剪力計算結(jié)果對比Tab.3 Comparison of calculation results of base shear

通過計算對比發(fā)現(xiàn)，采用統(tǒng)一的阻尼比0.04進行計算得到基底剪力偏大，按此方法設(shè)計偏于不經(jīng)濟。兩種非比例阻尼計算方法得到的計算結(jié)果相差在2%以內(nèi)。針對此種混合結(jié)構(gòu)，采用非比例阻尼的計算方法更加合理可靠。

4.2 豎向地震作用的取值分析

《高規(guī)》4.3.15 中規(guī)定，設(shè)防烈度8 度（0.2g）地區(qū)，高層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值不宜小于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的重力荷載代表值的0.1 倍，并未給出建議取值。因水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件是關(guān)鍵構(gòu)件，且在計算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換梁構(gòu)件的設(shè)計結(jié)果受豎向地震組合控制。為準(zhǔn)確分析本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的豎向地震作用，分別采用豎向反應(yīng)譜分析和時程分析兩種方式研究豎向地震的影響程度。計算模型如圖8 所示，分析中采用的計算參數(shù)如表4所列。

圖8 計算模型Fig.8 Calculation model

表4 計算參數(shù)Tab.4 Calculation parameters

部分轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力計算結(jié)果如表5 所示?？梢钥闯觯Q向地震反應(yīng)譜分析及七組豎向地震時程分析結(jié)果中，典型轉(zhuǎn)換梁的剪力及彎矩效應(yīng)大致相當(dāng)，均約為重力荷載效應(yīng)的5.2% ～14%。在設(shè)計中等效考慮豎向地震作用系數(shù)取為0.15，對關(guān)鍵構(gòu)件偏于安全。

表5 部分轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of internal forces of the transfer beam

5 結(jié)構(gòu)加強措施

本工程停車列檢庫4 區(qū)由于存在結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件不連續(xù)、樓板不連續(xù)、豎向混合結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，屬于超限高層結(jié)構(gòu)，需對關(guān)鍵構(gòu)件進行針對性加強，以保證結(jié)構(gòu)安全性。

5.1 豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)

轉(zhuǎn)換構(gòu)件承擔(dān)上部豎向抗側(cè)力構(gòu)件，其關(guān)鍵性不容置疑。針對轉(zhuǎn)換構(gòu)件，包括轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱，根據(jù)《抗震規(guī)范》M.1.2-3，按照設(shè)防烈度地震作用進行配筋計算，并與多遇地震結(jié)果進行包絡(luò)取值。

在計算過程中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換構(gòu)件在設(shè)防烈度地震作用下的配筋結(jié)果并不能起到控制作用。其原因在于，多遇地震調(diào)整考慮抗震等級調(diào)整系數(shù)，轉(zhuǎn)換構(gòu)件的抗震等級為一級，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)為1.6，其調(diào)整后的內(nèi)力大于設(shè)防烈度地震下不考慮抗震等級調(diào)整系數(shù)和荷載分項系數(shù)的計算結(jié)果。因此，對于轉(zhuǎn)換構(gòu)件，不能只依據(jù)性能化計算的結(jié)果進行配筋設(shè)計，應(yīng)包絡(luò)考慮多遇地震作用下的配筋結(jié)果。對于本工程，為進一步保證轉(zhuǎn)換構(gòu)件的安全性，針對轉(zhuǎn)換構(gòu)件提高性能目標(biāo)為設(shè)防烈度地震作用下抗彎彈性、抗剪彈性，即按照《抗震規(guī)范》M.1.2-2 進行中震性能化設(shè)計，與小震包絡(luò)取值，加強其安全儲備。

5.2 樓板不連續(xù)

上蓋業(yè)態(tài)商業(yè)及劇場均有較大開洞，造成樓板不連續(xù)，結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則。針對開洞周邊的框架柱，設(shè)置中震抗彎不屈服，抗剪彈性性能指標(biāo)，加大構(gòu)件截面，提高整體剛度。對開洞周邊樓板采取加厚措施，并輔以雙層雙向配筋，加強整體性。

5.3 豎向混合結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)三層及以上采用鋼框架結(jié)構(gòu)，二層及以下采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致在二層頂存在結(jié)構(gòu)的材料轉(zhuǎn)換。雖結(jié)構(gòu)已通過非比例阻尼的方式進行了補充計算，但在材料轉(zhuǎn)換位置應(yīng)進行抗震措施的加強。本結(jié)構(gòu)通過設(shè)置二層及三層為薄弱層、放大地震力，提高配筋率、增大截面的方式對材料轉(zhuǎn)換部位進行了加強。并針對二層的豎向構(gòu)件設(shè)置抗彎不屈服、抗剪彈性的性能指標(biāo)，提高其對三層鋼結(jié)構(gòu)的嵌固作用。

綜合以上問題，本工程參照《抗震規(guī)范》進行了局部性能化設(shè)計，在小震作用下，整體結(jié)構(gòu)按照常規(guī)設(shè)計，對首層轉(zhuǎn)換層及二層薄弱層進行了地震力放大，并對關(guān)鍵構(gòu)件進行了抗震等級調(diào)整。結(jié)構(gòu)層間位移角限值如表6 所示。

表6 結(jié)構(gòu)各部分層間位移角限值Tab.6 Limits of displacement angle between layers of each part of the structure

在設(shè)防烈度地震作用下，針對關(guān)鍵構(gòu)件，分別指定了不同的性能水準(zhǔn)，如表7 所示。其中中震彈性即承載力按照不計抗震等級調(diào)整的地震效應(yīng)設(shè)計值進行復(fù)核。中震不屈服即承載力按照不計抗震等級調(diào)整的地震效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進行復(fù)核。利用中震設(shè)計結(jié)果與小震計算結(jié)果進行包絡(luò)配筋。

表7 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件抗震性能目標(biāo)Tab.7 Seismic performance targets of main structural components

在罕遇地震作用下，進行整體結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，將包絡(luò)配筋結(jié)果導(dǎo)入計算軟件中進行復(fù)核。在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角均小于1／50，滿足《抗震規(guī)范》要求。

6 結(jié)論

車輛段上蓋開發(fā)類建筑因其上下明顯的功能差別，需要針對具體情況對結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)籌考慮。

1.車輛段結(jié)構(gòu)因首層工藝條件限制，首層層高較高，二層層高較低，剛度比較難滿足，因此為保證結(jié)構(gòu)有較好的整體剛度變化趨勢，首層應(yīng)盡量采用剛度較大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，二層及以上視情況采用鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)，在滿足承載力的情況下，控制各層剛度比，減小結(jié)構(gòu)不規(guī)則的影響。

2.轉(zhuǎn)換層的選取，應(yīng)盡量控制在較低的高度上。因轉(zhuǎn)換梁轉(zhuǎn)換柱為關(guān)鍵構(gòu)件，尺寸均較大，結(jié)合建筑功能，設(shè)置在對尺寸相對不敏感的首層（車輛段功能區(qū)）更為合適。且能增大首層剛度，利于結(jié)構(gòu)剛度比的控制。

3.針對豎向混合結(jié)構(gòu)的阻尼比取值，采用統(tǒng)一阻尼比的方式，計算結(jié)果并不準(zhǔn)確，可能造成結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于不安全或者不經(jīng)濟。建議采用非比例阻尼的計算方法，現(xiàn)有軟件均能夠?qū)崿F(xiàn)，計算結(jié)果合理可靠。因豎向地震作用對水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的影響較大，規(guī)范僅給出了豎向地震作用的簡化取值底線值。針對關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)采用補充豎向時程分析的方法進行補充計算，得到偏于安全的豎向地震作用取值進行設(shè)計。

4.針對車輛段建筑的各項結(jié)構(gòu)問題，建議進行性能化設(shè)計。在確定性能水準(zhǔn)時，應(yīng)對小震結(jié)果進行充分分析，避免構(gòu)件性能水準(zhǔn)低于小震相應(yīng)的承載力水平。針對車輛段可能產(chǎn)生的豎向構(gòu)件不連續(xù)、樓板不連續(xù)、豎向混合結(jié)構(gòu)等問題給出了相應(yīng)的加強方式，供后續(xù)類似工程參考借鑒。