李家佳 劉文捷 周建 夏長(zhǎng)春 左江

0 引言

伴隨城市地下交通設(shè)施的快速發(fā)展，地鐵上蓋項(xiàng)目將頻繁出現(xiàn)。而跨越既有地鐵隧道上的項(xiàng)目，其造價(jià)高、建設(shè)難度大和大跨復(fù)雜轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)對(duì)建筑功能空間及立面效果的影響，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)法回避的難題。

1 項(xiàng)目概況

南京NO.2012G84-E 地塊位于江蘇省南京市江寧區(qū)，鐵路南京南站以南，站中六路、站前一路、站中七路與站前二路合圍區(qū)域，由E1#、E2#兩棟辦公樓組成，E2#樓為本次分析的對(duì)象。

E2#樓總高度H=79.55m，地下2層，地下為車庫(kù)和設(shè)備用房；地上15 層，首層層高6.8m，2～ 6 層層高3.3m，7～ 8 層兩層（3.3m+6.6m=9.9m）布置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桁架，9～ 15 層層高均為6.6m，建筑功能為L(zhǎng)OFT 辦公。

既有的南京地鐵1 號(hào)線區(qū)間隧道從西北往東南呈近45°方向下穿本樓棟。據(jù)南京市軌道交通相關(guān)保護(hù)要求，本案地下室外緣與地鐵隧道凈距按12 米控制。E2#樓的地下室及地上1～ 6層被地鐵隧道分為南、北兩部分，利用7、8 兩層作為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，布置轉(zhuǎn)換鋼桁架；桁架高9.9m（上下弦桿軸線距），跨度達(dá)51m～ 56m，其承擔(dān)上部9～ 15 層LOFT 樓面荷載（相當(dāng)于14層普通樓面荷載），形成大跨度高位轉(zhuǎn)換復(fù)雜結(jié)構(gòu)。E2#樓平面關(guān)系及剖面關(guān)系示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 G84-E2 樓與地鐵隧道平面和剖面關(guān)系

本案具有“轉(zhuǎn)換樓層高、轉(zhuǎn)換跨度大、結(jié)構(gòu)荷載重、兩塔剛度差異較大、平面不規(guī)則”等特點(diǎn)，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工帶來(lái)了眾多難點(diǎn)問(wèn)題。

2 結(jié)構(gòu)體系及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 上部結(jié)構(gòu)

由于本案的結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)和難點(diǎn)——轉(zhuǎn)換跨度大、結(jié)構(gòu)荷載重；兩塔剛度弱且不均衡；平面形態(tài)不規(guī)則——同時(shí)為兼顧建筑功能需求，1～ 8 層采用“鋼框架-中心支撐”結(jié)構(gòu)體系，其中7～ 8 層設(shè)置9.9m 高鋼桁架作為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件，9 層以上采用“鋼框架”結(jié)構(gòu)體系。

1～ 8 層（轉(zhuǎn)換層以下）結(jié)構(gòu)，由于地鐵保護(hù)要求，相對(duì)薄弱，故所有框架柱均采用矩形鋼管混凝土柱，最大柱截面1.5m×1.5m；為增強(qiáng)底部剛度，在平面的角部設(shè)置柱間支撐，為改善抗震耗能能力采用了屈曲約束支撐（BRB）。

7～ 8 層為轉(zhuǎn)化桁架層，縱向共設(shè)置了4 榀主桁架，實(shí)現(xiàn)了51m～ 56m 的跨越。上、下弦桿采用箱形截面，最大斷面分別為1.4m×0.8m、1.5m×0.8m；端部直腹桿也采用箱形截面，最大斷面為0.8m×0.8m；其余斜腹桿均采用焊接H 型鋼。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)橫向設(shè)置了次桁架，為增強(qiáng)桁架上下弦面內(nèi)剛度，均設(shè)置了水平支撐，上弦的樓面板加厚至200mm。

9 層～屋面部分采用“箱形柱+工字形鋼梁”的純鋼框架結(jié)構(gòu)體系，為了克服由于大跨轉(zhuǎn)換層下沉變形在純框架梁柱節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的巨大次生內(nèi)力，在施工階段部分梁柱按鉸接連接，待全樓及填充墻施工完畢后，再焊接翼緣板。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

由于本案為高層建筑，天然地基承載力不足以承受主體結(jié)構(gòu)上部荷載，因此采用鉆孔灌注樁。針對(duì)普通柱跨柱和轉(zhuǎn)換桁架支座巨柱，鉆孔灌注樁樁徑分別采用800mm 和1 500mm，以5～ 2 層中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為樁端持力層，有效樁長(zhǎng)約20m，進(jìn)入持力層深度約9m；樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C45，1 500mm 和800mm 鉆孔樁單樁豎向抗壓承載力特征值分別為18 000kN 和6 000kN。

主樓下方地下二層，層高自下而上依次為5.4m、4.6m，經(jīng)驗(yàn)算，可以滿足上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的要求；埋深大于10m，滿足《高層民用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中抗傾覆要求。

由于Fenton法降解反應(yīng)需要控制pH值，且過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生含鐵污泥，后續(xù)處理存在較大難度，目前主要被應(yīng)用于廢水處理中。如今自然水體中的有機(jī)物污染日益嚴(yán)重，而且近年來(lái)，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，出現(xiàn)了催化型Fenton技術(shù)，從根本上解決了傳統(tǒng)Fenton的弊端：拓寬了體系pH值的適用范圍（在5~9之間）；該技術(shù)能固化催化劑，減少催化劑溶出，更便于分離回收，不會(huì)產(chǎn)生明顯的污泥（牛建瑞等，2016）。而Fenton法對(duì)有機(jī)物的去除效果突出，將是未來(lái)水處理的研究主題之一。

3 結(jié)構(gòu)超限情況分析及抗震性能目標(biāo)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本案抗震設(shè)防類別丙類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50 年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)；基本風(fēng)壓0.4kN/m（n=50），承載力計(jì)算時(shí)1.1倍，地面粗糙度C 類；基本雪壓0.65 kN/m（n=50）；抗震設(shè)防烈度7 度，基本地震加速度0.1g，地震分組第一組，場(chǎng)地類別II 類，特征周期0.35s；抗震等級(jí)：1～ 8 層轉(zhuǎn)換桁架及其相連的鋼管混凝土柱均為二級(jí)，1～ 8 層的其它框架及柱間支撐、9～ 15 層框架均為三級(jí)。

3.2 超限情況分析

（1）扭轉(zhuǎn)規(guī)則性：豎向構(gòu)件的層間最大水平位移與平均層間位移之比值為1.23，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

（2）平面規(guī)則性：L 形平面突出部位與最大寬度之比為0.46，大于0.35，存在凹凸不規(guī)則；建筑物1 層至6 層樓板有效寬度均小于該層樓板典型寬度的50%，存在樓板不連續(xù)。

（3）豎向規(guī)則性：①側(cè)向剛度不規(guī)則：由于轉(zhuǎn)換層剛度極大，故第4 層、5 層、6 層Y 向存在側(cè)向剛度不規(guī)則。②樓層承載力突變：由于轉(zhuǎn)換層剛度極大，第5 層、6 層Y 向抗剪承載力小于其上一層受剪承載力的80%，存在樓層抗剪承載力突變。

3.3 抗震性能化目標(biāo)

由于存在以上多項(xiàng)不規(guī)則，綜合考慮建筑的功能和規(guī)模，設(shè)定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C 級(jí)，各構(gòu)件性能目標(biāo)如表1。

表1 構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 多遇地震彈性分析

采用SATWE 和MIDAS 兩種軟件比較分析，最大層間位移比1.23，存在少許扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；風(fēng)荷載作用下最大位移角1/798（X 向）、1/1404（Y 向），滿足1/400 的限值要求；多余地震作用下最大樓層層間位移角為1/620（X 向）、1/628（Y向），滿足1/300 的限值要求；Y 向第4 層、5 層、6 層抗側(cè)剛度比分別為0.98、0.6、0.58，不滿足規(guī)范要求，故需對(duì)第4 層、5 層、6 層的地震內(nèi)力放大；轉(zhuǎn)換層第5 層、6 層Y 向與相鄰上層的抗剪承載力比分別為0.72、0.73，存在抗剪承載力突變，對(duì)豎向構(gòu)件及柱間支撐提高抗震等級(jí)，保證大震下的截面控制條件。

4.2 設(shè)防地震性能化分析

4.3 罕遇地震彈塑性分析

采用SAUSAGE 軟件進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，結(jié)果顯示：在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)仍保持直立，最大彈塑性層間位移角X 向?yàn)?/87、Y 向1/87，均小于1/75，整體變形指標(biāo)滿足抗震性能水準(zhǔn)4 要求；關(guān)鍵構(gòu)件（轉(zhuǎn)換桁架、1～ 8 層與轉(zhuǎn)換桁架相連的矩形鋼管混凝土柱及9、10 層框架柱）均未出現(xiàn)塑性鉸；僅部分轉(zhuǎn)換層以上的框架梁出現(xiàn)塑性鉸?？梢?jiàn)，本結(jié)構(gòu)性能良好，實(shí)現(xiàn)了“大震不倒”的目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目為大跨度高位轉(zhuǎn)換復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，存在扭轉(zhuǎn)、平面、豎向等多項(xiàng)不規(guī)則，屬于復(fù)雜超限高層鋼結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，選用輕質(zhì)、高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料（Q420 鋼），采用合理的結(jié)構(gòu)形式（鋼管混凝土+BRB 柱間支撐框架，轉(zhuǎn)換鋼桁架，鋼框架3 者的組合），獲得了較好的抗震性能。通過(guò)小震、中震、大震等系列分析，證實(shí)本結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程要求，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的性能化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)方案是安全可行的。

作為地鐵上跨典型案例，南京G84-E 地塊為特殊高位連體轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)換跨度大、荷載重、平面不規(guī)則及豎向薄弱部位突出等特點(diǎn)。對(duì)本案進(jìn)行系統(tǒng)梳理，在其結(jié)構(gòu)選型過(guò)程中，綜合考慮建筑品質(zhì)、成本造價(jià)、結(jié)構(gòu)安全及施工難度等因素，明確項(xiàng)目設(shè)計(jì)方向，不僅對(duì)本項(xiàng)目的順利實(shí)施意義重大，而且對(duì)今后類似工程的項(xiàng)目立項(xiàng)、方案分析，也具有一定參考意義。