地鐵車輛段上蓋建筑結構設計有關問題探討

林金洲, 堯國皇

(1. 深圳市建設科技促進中心，廣東深圳 518031； 2. 深圳信息職業(yè)技術學院， 廣東深圳 518172)

?

地鐵車輛段上蓋建筑結構設計有關問題探討

林金洲1, 堯國皇2

(1. 深圳市建設科技促進中心，廣東深圳 518031； 2. 深圳信息職業(yè)技術學院， 廣東深圳 518172)

地鐵車輛段上蓋建筑結構，平臺下部為大跨度框架結構，平臺上部為小跨度結構，因此存在豎向構件不連續(xù)，對結構設計帶來了挑戰(zhàn)。文章就平臺下部框架柱選型、新型節(jié)點的開發(fā)與研究以及結構高度超過規(guī)范規(guī)定限值的可能性進行了探索，有關結論可為相關工程設計提供參考。

車輛段； 轉換結構； 動力彈塑性； 分析； 設計

隨著城市土地資源日益緊俏，綜合利用土地、提高土地的利用效率，日益成為城市地鐵建設者重點關注的問題。地鐵車輛段由于占地面積較大，利用上部空間結合規(guī)劃開發(fā)成住宅及公共建筑設施，可充分開發(fā)商業(yè)利用價值。由于地鐵車輛段工藝和線路的要求，平臺下部為兩層純框架結構，在平臺上部進行物業(yè)開發(fā)，上蓋擬開發(fā)的物業(yè)大多為小開間軸線布置的住宅，而下部柱網(wǎng)較大，在結構設計中，由于上蓋物業(yè)與下層的柱網(wǎng)不能對齊，上部樓層的豎向構件不能直接連續(xù)貫通落地，因此存在豎向構件轉換[1]。

由于平臺下的框架結構跨度較大，若采用普通鋼筋混凝土框架柱，將使得柱截面較大，影響停車庫的有效使用空間。對于地鐵車輛段上蓋物業(yè)這種底部僅有為框架柱落地、上部為框架結構或框架-剪力墻結構沒有明確的結構體系劃分依據(jù)，通常把它劃為框架結構。深圳地區(qū)處于7度(0.1g)抗震設防，《建筑結構抗震設計規(guī)范》[1]給出了總高度不超過50 m的限制，極大的影響了上蓋建筑結構的開發(fā)效率，大大降低了城市土地的使用效率。

文獻[2]對杭州七堡車輛段上蓋結構設計的有關問題進行了探討，重點對轉換層結構的選型進行了分析比較，文獻[3]介紹了深圳前海灣地鐵樞紐上蓋物業(yè)結構設計的技術總結，對本文的研究提供了很好的參考。但文獻[2]和文獻[3]上蓋的建筑結構都沒有超過規(guī)范的限值。本文通過典型算例，對框架柱采用新型鋼-混凝土組合柱進行選型比較和探討，進而對新型鋼-混凝土組合柱節(jié)點進行了開發(fā)和研究，建立了典型的地鐵上蓋建筑結構的彈塑性計算模型，對該結構進行了罕遇地震作用下的抗震性能進行研究，以進行平臺上蓋建筑結構高度超過規(guī)范規(guī)定限值的可能性進行探索。

1 下部框架柱的選型

對目前施工中的若干車輛段的調研可知，平臺下部的大跨度框架柱的截面尺寸一般都為1 500～1 800 mm(采用普通鋼筋混凝土柱)，這樣對于地鐵車輛段的建筑空間可能存在較大的影響，也可能影響停車庫的有效使用空間。由于地鐵上蓋物業(yè)結構底部結構的框架柱主要承受軸力為主，本文通過對典型截面的鋼管混凝土組合柱、型鋼混凝土組合柱以及鋼管混凝土疊合柱在軸壓承載力相同的情況下，比較其柱截面的大小、柱用鋼量的大小，所得結論可能框架柱的選型提供參考。

算例的計算條件：假定底層層高4.2 m，柱計算長度取1.5H(6 300 mm)；僅考慮軸壓，在鋼管混凝土柱和型鋼混凝土柱的軸壓承載力相同的情況下對比柱截面大小；鋼材均選用Q345B，混凝土均選用C60；柱控制軸力約為60 000 kN；鋼管混凝土柱鋼管選用φ1200×25，型鋼混凝土柱中的型鋼選用十字形截面。鋼管混凝土疊合柱截面選用1 300 mm×1 300 mm(計算時，均不考慮初始偏心的影響)。表1 給出了算例計算獲得鋼管混凝土柱、鋼管混凝土疊合柱與型鋼混凝土柱材料用量的比較。

對比可知，對于本典型計算參數(shù)條件下，在滿足承載力要求的情況下，型鋼混凝土柱截面面積約為鋼管混凝土柱截面面積的1.73倍，用鋼量約為1.3倍；型鋼混凝土截面面積為鋼管混凝土疊合柱截面面積的1.16倍，用鋼量約為1.35倍。從地鐵上蓋物業(yè)的特點具體分析，綜合材料用量和建筑效果，對于上部有物業(yè)開發(fā)的框架柱，建議采用鋼管混凝土疊合柱這種鋼-混凝土組合柱。

2 新型組合柱節(jié)點的開發(fā)與研究

通常地鐵上蓋物業(yè)的框架梁常采用鋼筋混凝土梁；鋼管混凝土和鋼管混凝土疊合柱與鋼筋混凝土梁的節(jié)點通常采用鋼管開鋼筋孔的節(jié)點形式，施工較為不便。本文建議一種新型疊合柱節(jié)點構造：根據(jù)鋼筋混凝土梁的實際配筋在鋼管上開矩形孔洞使梁中縱向鋼筋可以順利通過(管壁開孔的截面損失率不超過50 %)，這樣較大的方便了施工，減少施工周期。為研究這類節(jié)點的可靠性，本文采用有限元軟件ABAQUS[4]進行數(shù)值模擬。

[5]的研究方法，有限元計算分析時取其中的節(jié)點標準單元進行分析。邊界條件為：柱上下端為鉸接的邊界條件，梁端采用自由的邊界條件。計算時采用兩種加載模式：(1)疊合柱上先施加一定軸向荷載，然后在梁端施加同向荷載直到鋼筋混凝土破壞；(2)疊合柱上先施加一定軸向荷載，然后在梁端施加反向向荷載直到鋼筋混凝土破壞。

圖1給出了典型計算獲得有限元分析結果，包括節(jié)點的變形云圖、節(jié)點混凝土主拉應力云圖、鋼筋的Mises應力云圖和內部鋼管的Mises應力云圖。從計算結果可見，在疊合柱上施加0.7的軸壓比后，節(jié)點的破壞先從梁端鋼筋屈服開始，且此時節(jié)點區(qū)域內部鋼管未進入屈服狀態(tài)，滿足強節(jié)點弱構件。

(a) 整體模型

(b) 鋼筋應力

(c) 混凝土應力圖1 新型鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點有限元分析模型和分析結果

3 平臺上蓋建筑結構的設計總高度限值研究

本文建立了典型的地鐵上蓋建筑結構的計算模型。建筑總高度為70 m(超過深圳地區(qū)50 m限值)。采用通用有限元軟件ABAQUS，對該結構進行了罕遇地震作用下的抗震性能進行研究，以進行平臺上蓋建筑結構高度超過規(guī)范規(guī)定限值的可能性進行探索。為進行罕遇地震下結構的非線性動力彈塑性反應分析，將建立一個三維非線性結構整體分析模型，與彈性分析的模型相對應，通過保證基本動力特性、質量等參數(shù)的一致性來實現(xiàn)與彈性分析模型相一致。非線性分析計算模型的幾何模型按照設計圖紙的具體尺寸和截面建立。單元類型選取：梁、柱采用三維梁單元；剪力墻、樓板采用三維殼單元進行模擬。圖2為典型計算算例的整體結構彈塑性有限元分析模型，平臺下部為大跨度框架結構，上部為異型剪力墻結構。

圖2 結構計算模型

模型計算結果對比表明，ABAQUS彈性模型與ETABS軟件[6]彈性分析模型的動力特性是一致的，用于罕遇地震作用下的結構動力彈塑性時程分析的計算模型是準確的。按照抗震規(guī)范要求，罕遇地震彈塑性時程分析所選用的單條地震波需滿足以下頻譜特性：特征周期與場地特征周期接近、最大峰值符合規(guī)范要求(7度0.10g為220 cm/s2)、持續(xù)時間為第一周期的5～10倍[7]，取15 s，輸入地震波采用EI centro波。

在15 s時刻，最大受壓損傷因子接近為0.7，其余部分剪力墻混凝土的受壓損傷因子仍在0.05以下。隨著地震的持續(xù)輸入，剪力墻開始受拉損傷因子和出現(xiàn)受拉損傷的區(qū)域也不斷增加，同時剪力墻的受拉損傷因子繼續(xù)增加。在15 s時，本計算模型中的三片剪力墻的最大受拉損傷因子約為0.9。圖3為剪力墻的最終的受拉損傷云圖。在15 s時，巨柱中混凝土的受壓損傷因子依然處于一個很小的數(shù)值，表明在地震波輸入過程中，上蓋建筑結構的巨柱一直處于受壓彈性的工作狀態(tài)。在15 s時刻，局部巨柱混凝土的最大受拉損傷因子約為0.8，說明此時該局部混凝土受拉塑性應變較大。圖4為底部框架柱的最終的受拉損傷云圖。

圖3 剪力墻的最終受拉損傷云圖

圖4 底部框架柱的最終受拉損傷云圖

計算結果表明，最大層間位移角為1/315(X方向，出現(xiàn)在第7層)和1/366(Y方向，出現(xiàn)在第6層)，可見，均遠小于規(guī)范限值1/50(按鋼筋混凝土框架結構體系取值)的要求，能滿足現(xiàn)行《建筑結構抗震設計規(guī)范》規(guī)定的彈塑性層間位移要求。通過對典型計算模型的整體彈塑性分析可知，只要結構布置和設計合理，這類結構在罕遇地震作用下能夠滿足“大震不倒”的性能目標。因此，對應這類底部為大尺寸的框架柱，平臺上部進行物業(yè)開發(fā)的建筑結構，突破規(guī)程的相關高度限值是可能的，當然具體的項目要具體分析，本文提供了一種可能的設計思路。

4 結束語

地鐵車輛段上蓋建筑結構，平臺下部為大跨度框架結構，平臺上部為小跨度結構，是一種相對復雜的建筑結構。

本文就平臺下部框架柱選型、新型節(jié)點的開發(fā)與研究以及平臺上蓋建筑結構高度超過規(guī)范規(guī)定限值的可能性進行了探索，建議了平臺下部框架柱可采用鋼管混凝土疊合柱和新型組合柱節(jié)點的構造措施。

在對典型計算模型的整體彈塑性分析結果的分析的基礎上，可見這類結構能夠滿足“大震不倒”的性能目標，因此作者建議平臺上部進行物業(yè)開發(fā)的建筑結構，突破規(guī)程的相關高度限值是可能的，但具體項目要進行具體的深入的抗震性能分析和試驗研究的驗證。

參考文獻

[1] GB 50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[S].

[2] 樂倩. 杭州地鐵七堡車輛段上蓋平臺結構設計有關問題探討[J].重慶建筑，2007,42(4): 36-38.

[3] 徐霖.深圳前海灣地鐵樞紐上蓋物業(yè)結構設計[J].福建建設科技，2010(4):66-67.

[4] ABAQUS Version 6.7: Theory manual, users’ manual, verification manual and example problems manual [M]. Hibbitt, Karlson and Sorenson Inc, 2007.

[5] 堯國皇，陳宜言，林松. 新型鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點的有限元分析[J].特種結構，2010，27(6)：34-38.

[6] 北京金土木軟件技術有限公司.CSI分析參考手冊[Z].2005.

[7] CECS 160 建筑工程抗震性態(tài)設計通則(試用)[S].

林金洲(1986～)，男，碩士，工程師，從事建設科技、綠色建筑的研究和項目管理工作；堯國皇(1980～)，男，博士，高級工程師，從事建筑工程專業(yè)的教學工作。

TU973.3+1

A

[定稿日期]2016-11-17