地鐵車輛段上蓋開發工程梁式結構轉換層適用性分析驗證
——以佛山南海環島車輛段上蓋工程為例

趙璧歸

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

0 引言

由于城市土地資源日漸緊缺，占地面積大、土地使用率低、市場效益低的非上蓋開發車輛段已漸不能滿足現今城市建設發展需要，因此，能夠同時滿足地鐵運營和居住用地需要的上蓋開發車輛段逐漸成為地鐵車輛段設計優選方案[1]，而轉換層的結構設計是上蓋開發地鐵車輛段結構設計的關鍵。基于此，本文歸納了廣泛用于現今上蓋開發地鐵車輛段的各種形式結構轉換層，并對其進行了優劣對比分析。再以佛山南海車輛段為例，通過各種計算分析手段，驗證了地鐵車輛段梁式轉換結構的可行性和適用性。

1 轉換層結構的主要形式

依據國內外目前外已有的帶轉換層結構工程建設實例[2-4]，轉換層結構可分為梁式、厚板式、箱形式、桁架式、斜柱式等形式，轉換層結構構件多采用普通混凝土、型鋼混凝土、預應力混凝土等。各種形式的轉換層結構示意圖如圖1所示。

(a)梁式轉換 (b)厚板式轉換 (c)箱形轉換

(d)斜腹桿桁架 (e)空腹桁架 (f)V形斜柱轉換圖1 轉換層的主要結構形式

根據工程實際運用情況，各類轉換層的優缺點比較如下：

(1)梁式轉換

梁式轉換就是在轉換層樓面設置大截面鋼筋混凝土梁，以支承上部結構豎向構件，傳遞上部荷載的一種結構轉換形式。其設計思路清晰、傳力路徑明確、構造相對簡單、計算較為簡明、施工工藝簡便、造價相對低廉，因此廣泛運用于實際工程中。為滿足較高的承載力要求，轉換梁的截面尺寸往往較大(通常有1.6 m～2.5 m)，同時為了滿足上蓋開發車輛段使用要求，蓋體結構各層層高都有較為嚴格的限制。因此，轉換梁高度必須結合受力和使用要求并經過精確的計算驗證后才能合理確定。對于轉換梁上荷載較大的情況，還需對梁端進行加腋處理，或者采用承載力高、剛度高、耐久性和抗震性能更強但造價較高的型鋼混凝土轉換梁。另外，由于轉換梁寬度較為有限，無法形成整片的承托面，因此，轉換梁位置還受制于上部結構豎向構件的分布，梁式轉換結構也因此多用于蓋上開發方案較為穩定的工程。

(2)箱式轉換

箱式轉換層是在轉換層設置箱形結構體系來承載上部荷載的一種結構形式。該結構形式通過在轉換層上、下樓板之間設置剪力墻和托梁等結構構件，使上下層較厚的樓板連同板間剪力墻共同工作，進而形成剛度很大的箱形轉換層。該類型的轉換層結構整體性好，而且當轉換層上部結構布置較復雜時，仍能保證上、下豎向構件的有效傳力。但箱形轉換層占用了一個樓層的使用面積，使得該層在功能上一般只能作為技術設備層使用，同時轉換層內部的剪力墻與設備、管線布置時常發生沖突。此外，箱形轉換結構還存在自重大、耗材多、造價高等缺點，從結構分析角度考慮，其內力分析較復雜，設計難度大，施工難度也大，因此較少運用于實際工程。

(3)桁架式轉換

桁架式轉換層常用于鋼筋混凝土高層建筑，可以看作是由梁式轉換層轉化而來。該類型轉換層的承重體系由鋼筋混凝土桁架組成，桁架上下弦桿分別設在轉換層的上下樓面的結構層內，層間設有腹桿。由于桁架高度較高，所以上下弦桿的截面相對較小。它的優點是傳力明確，整體性能好，能充分發揮各種材料的受力特性，自重輕，用鋼省，造價低，便于管道安裝維修等；缺點是施工復雜，截面高度大。

(4)厚板式轉換

當轉換層上部結構方案不穩定，或者上部柱網不規則、錯開較多，難以用梁直接承托時，則需要采用厚板式轉換層。

厚板式轉換層的下層柱網可以靈活布置，無須與上層結構對齊。從抗剪和抗沖切角度考慮，轉換板厚度往往很大，一般可達2 m～3 m，約為柱距的1/3～1/5。在地震作用下，由于厚板集中了很大的剛度和質量，因此其地震響應強烈。此外，由于結構在沿豎向剛度在轉換層上發生突變，相鄰的上、下層受到很大的作用力，容易發生震害。從設計角度上講，厚板轉換結構傳力路徑不清晰、受力復雜、計算繁瑣、工作量大；從施工角度上講，厚板轉換結構施工屬于大體積混凝土施工，結構自重很大，材料耗用多，模板支撐困難，混凝土的徐變、收縮及水化熱對施工質量影響大，混凝土板的應力、內力分布復雜，因而造價也十分高昂，實際工程應盡可能避免采用厚板轉換方式。

總之，上述各類型的轉換層結構都各自有其獨特的優缺點，但其在上蓋開發車輛段工程的運用廣泛程度卻各不相同。表1列舉了國內部分已建車輛段的轉換層結構形式[5-6]。

由表1可以看出，梁式轉換結構相對于其它形式轉換結構更加廣泛地運用于國內上蓋開發地鐵車輛段工程中，具有成為上蓋開發車輛段首選結構轉換形式的潛力。因此，本研究僅對梁式轉換結構的適用性展開驗證。

表1 國內部分已建車輛段的轉換層結構形式

2 佛山南海環島車輛段工程概況

為驗證梁式轉換結構的適用性，本研究采用佛山南海區環島車輛段上蓋開發這一工程實例[7-8]進行分析驗證。

佛山南海環島車輛段工程，抗震設防烈度為7度，采用“地鐵+物業”模式，地上一層是車輛段房屋，地上二層是住宅的車庫，地上三層為住宅的第一層，同時也是轉換層，四層至十四層為住宅，主要屋面高度49.3m。由于工藝需要，部分住宅的柱子不能落地，需通過設在三層的梁式結構轉換層進行轉換。本文選取該工程某典型分區——D1區進行研究。該區計算模型圖如圖2所示。

圖2 典型區塊D1區計算模型

為減少設計和計算工作量、節省造價、方便施工、充分發揮梁式結構轉換層的優勢，該工程采用了豎向構件平面布置較為規則的蓋上住宅戶型，并提前穩定蓋上塔樓位置，然后再布置結構轉換梁，承托蓋上結構豎向構件，實現傳力路徑清晰化。D1區住宅柱網及其下部轉換梁平面布置如圖3所示。

圖3 D1區住宅柱網及其下部轉換梁平面布置圖

在蓋上結構豎向構件均被底部轉換梁承托后，結構整體依然具有豎向構件不連續、底層剛度偏小、轉換層處于高位、結構規則性差等不利因素，梁式轉換結構的抗震性能還需通過計算分析加以驗證，因此，本研究對該工程進行了超限高層抗震專項分析和審查。該工程D1區存在扭轉不規則、凹凸不規則、側向剛度不規則等情況，屬于輕微超限結構。根據超限審查要求，對D1區進行了彈性分析、小震時程分析、中震驗算、靜力彈塑性分析等驗算過程，分析驗算結果如下文所述。

3 超限分析計算結果展示

(1)小震時程分析

根據《抗規》[9]《高規》[10]中關于時程分析要求原則，選定2條人工波和5條天然波對D1區進行小震彈性時程分析。各地震波波形及其加速度譜與規范譜在統計意義上基本相符，如圖4～圖5所示。

圖4 規范譜與地震波平均譜對比圖

圖5 規范譜與地震波平均譜對比圖

經過彈性時程分析可得各地震波作用下結構的內力和變形值。D1區各樓層剪力和層間位移角時程分析結果如圖6～圖7所示。

圖6 D1區最大樓層剪力曲線

由以上彈性時程分析結果可以發現：各地震波譜計算所得樓層內力、層間位移角均大致相等，且均在規范限值以內，說明該工程梁式轉換結構滿足規范要求，具有建造可行性。另外，樓層位移曲線在轉換層有明顯突變，而在其余樓層均平滑變化，說明結構側向剛度在轉換層發生突變，結構設計要對轉換構件采取相應加強措施。

圖7 D1區最大層間位移角曲線

(2)中震驗算

根據《高規》3.11小節有關結構抗震性能設計的條文，該工程的轉換梁、轉換柱和底層梁柱均屬于結構的關鍵構件，其正截面承載力需按中震不屈服的計算方法計算。計算中不考慮地震組合內力調整，荷載作用分項系數、材料分項系數和抗震承載力調整系數均取為 1.0。進行中震驗算時，轉換柱配筋率設定為1%～1.5%，轉換梁梁面、梁底的配筋率分別設定為1.2%。經過計算，D1區各轉換柱的軸力、彎矩值均在其承載能力范圍以內。以底層某轉換柱為例，其驗算結果如圖8所示。

(a)底層某柱X向中震驗算 (b)底層某柱Y向中震驗算圖8 D1區底層某關鍵柱中震驗算結果

所有轉換梁在中震作用下也未進入屈服階段。部分轉換梁跨中和支座的彎矩、剪力在最不利工況組合下驗算結果如表2所示。

通過對D1區結構關鍵構件進行中震分析驗算發現：D1區轉換梁、轉換柱滿足抗彎不屈服、抗剪彈性的要求，該工程采用的梁式轉換結構構件滿足中震下的抗震性能目標，整體在中震作用下僅受到輕度損壞，具有較好的抗震性能。

(3)靜力彈塑性分析

該項目在超限專項審查過程對D1區結構模型進行了X方向和Y方向非線性推覆分析(即push-over分析)。推覆過程使用的加載模式為模態加載的方式。根據結構自身特點，選取住宅單塔作為推覆的主體，在該塔頂層設置監測點進行推覆分析。分析過程提取結構基底剪力和塔樓頂點位移關系，進而轉化為譜加速度和譜位移的關系，得到對應的能力譜曲線。D1區在設防烈度地震下性能點位置、層間位移角分布曲線、塑性鉸分布位置，分別如圖9～圖11所示。

表2 D1區部分轉換梁中震不屈服分析驗算結果

(a)設防烈度地震下X方向推覆工況對應的性能點

(b)設防烈度地震下Y方向推覆工況對應的性能點圖9 D1區設防烈度地震下推覆工況對應的性能點

(a) X方向層間位移角分布圖 (b) Y方向層間位移角分布圖圖10 D1區設防烈度地震下層間位移角分布曲線

(a)設防烈度地震作用X方向塑性鉸分布圖

(b)設防烈度地震作用Y方向塑性鉸分布圖圖11 D1區設防烈度地震下塑性鉸分布圖

D1區在罕遇地震下性能點位置、層間位移角分布曲線、塑性鉸分布位置分別如圖12～圖14所示。

(a)罕遇地震下X方向推覆工況對應的性能點

(b)罕遇地震下Y方向推覆工況對應的性能點圖12 D1區罕遇地震下推覆工況對應的性能點

(a) X方向層間位移角分布圖 (b) Y方向層間位移角分布圖圖13 D1區罕遇地震下層間位移角分布曲線

(a)罕遇地震作用X方向塑性鉸分布圖

(b)罕遇地震作用Y方向塑性鉸分布圖圖14 D1區罕遇地震下塑性鉸分布圖

根據D1區push-over分析結果發現：在設防地震作用下，轉換梁柱處于彈性狀態，少量構件(以蓋上塔樓框架梁為主)進入塑性，但塑性發展不明顯，均在IO水準以內；多數樓層X方向和Y方向層間位移角大于1/550，但均小于塑性層間位移角限值1/50，滿足性能設計目標規定的彈塑性層間位移角的限值，具有較強的抗側向變形能力，滿足《高規》所規定的抗震性能設計水準3的要求。罕遇地震作用下，部分構件進入塑性，進入塑性狀態的構件以蓋上塔樓框架梁為主，個別位于底層的框架柱進入塑性，轉換層構件有少量的構件進行塑性，框架梁和框架柱的塑性發展不明顯，大部分在IO水準以內，個別塑性構件塑性發展超過IO但仍然在LS水準以內，層間位移角均遠小于1/50，滿足性能設計目標規定的彈塑性層間位移角的限值，且層間位移角分布較為均勻，未發生較大的突變，結構變形能力有較大的富余，滿足《高規》所規定的抗震性能設計水準4的要求。

綜上，D1區梁式轉換結構滿足《高規》所規定的性能目標C要求，具有較好的抗震性能。

4 結論

本文對比了各種類型的上蓋開發車輛段結構轉換層的優缺點，然后根據佛山南海區環島車輛段的上蓋開發項目轉換層結構設計和超限專項審查分析，論證了梁式轉換結構的合理性和適用性，得出主要結論如下：

(1)各種形式的上蓋開發車輛段轉換層均具有其獨特的優缺點和適用范圍，但梁式轉換結構在實際工程運用頻率相對較高。

(2)通過預先穩定蓋上結構布置方案，合理布置轉換梁，可保證蓋上結構豎向構件均得以承托，避免梁式轉換結構的缺點，同時簡化了設計工作，節省了施工造價。

(3)梁式轉換結構可以滿足上蓋開發工程預定的抗震性能目標，具有良好的抗震性能。建議在車輛段上蓋結構梁式轉換層方案中優先采用鋼筋混凝土梁式轉換。