淺談TOD項目大底盤多塔隔震結構設計內容

蔡曉光

北京廣遠工程設計研究院有限公司 北京 100124

1 “TOD”項目概念

TOD（Transit Oriented Development），即以大運量的公共交通整合混合用地的城市布局呼應了新城市主義提倡的步行、環境以及歷史文化友好的發展原則[1]。

十九世紀末，美國郊區交通方式以蒸汽機車、有軌電車為主。蒸汽機車因其行駛快、加減速慢等特點，多設置于城市核心區通勤。與現代地鐵、輕軌有所區別的是，由于其大噪音、重污染的特點，其周邊地塊無法就近開發，多在距其數千米外建設；而有軌電車與之相反，由于其啟動、制動較快、安靜、無污染的特點，致使它適用于城市中心，也進一步推動了沿線地塊開發。這種狀態持續不久后，因汽車業的發展壯大，北美城市發展又進入了“離心化”發展道路，即外郊開發速度大于城市內郊。

由于郊區開發速度過快，城市逐漸進入了向周邊蔓延的現象，即“城市蔓延”現象。此時，一系列針對郊區蔓延的方案和措施出現，其中也包括了“新城市”主義。“新城市”主義實踐層面主要為傳統街區回歸城市核心，打造緊湊、活力形社區，其代表性概念包含傳統街區發展（TND）、步行口袋（Pedestrian Pocket）、公交村落（Transmit Village）等。

“TOD”正是由彼得· 卡爾索普（Peter Calthorpe）從“步行口袋”概念演變而來。簡而言之，其旨在最大程度利用城市核心地塊，將軌道交通與社區工作、生活等緊密結合在一起，使城市在有限空間內盡可能緊湊而又不失活力。

2 “層間隔震”設計概念

結合中國國情，伴隨經濟基礎的日漸鋪高，“上層建筑”也不甘示弱。我國城市軌道的鋪設步伐日漸迅速，而伴隨地鐵線路的大面積鋪設、用地，城市核心圈的地塊開發問題也日漸緊張。在這種背景下，TOD規劃和開發也逐漸登上舞臺。如何最大限度利用好城市軌道交通建設用地，是城市規劃和建筑業的共同課題。

地鐵車輛段蓋上開發便是衍生于“TOD”背景下的項目類型，其主要理念在于實現車輛段基地蓋下通車，蓋上進行商業、民生項目開發，對于結構專業，這種類型的項目主要結構特點包括“大底盤多塔”“特別不規則”“框支轉換”“高烈度地區地震影響系數大”等。

隔震建筑便是利用在結構體系中設置隔震裝置（隔震支座），在地震作用下，使得支座以上結構可以產生較大平動位移，盡可能多的耗散掉地震能量，達到減小上部結構地震效應的目的。現行的主要隔震支座類型包含：橡膠隔震支座、彈性滑板隔震支座、摩擦擺隔震支座、彈簧隔震支座等。

層間隔震便是將隔震支座設置在結構中下部某個相對有利位置，這樣，整個結構由下而上被分為了下部結構、隔振層、上部結構三個區段。

結構設計中，常以減震系數（詳《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2016年版）12.2.5）來體現隔震支座減小地震影響系數的程度。一般情況下，水平向減震系數應通過隔震結構和非隔震結構對應層最大層間剪力的比值中的最大值確定（對于高層結構，尚應計算隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值），同時，隔振層以上結構的總水平地震作用不得低于非隔震結構在6度設防時的總水平地震作用。

關于隔震支座的選型和參數設置，由于其參數直接決定項目“減度”目標，所以，應盡可能與相關廠家進行溝通，確定支座水平剛度、豎向剛度等參數的可實施性范圍，否則，對于計算得減震系數始終會存在一定的誤導和理想化。

3 M結構設計內容

結合軌道交通行業特點，由于蓋板下方柱網要滿足列車出入庫、并線等地鐵運營功能需求，所以蓋下框支部分順軌方向，柱列間距普遍較大、梁跨度也較大，這對結構選型造成了一定程度的困難。再加上框支轉換、多塔等一系列不利于結構布置和計算的因素，直接或間距導致車輛段基地結構出現超限項，一般主要體現在以下幾項：扭轉不規則（偶然偏心規定水平力下位移比超1.2）、凹凸不規則、豎向構件不連續、塔樓偏置（單塔或多塔合質心與大底盤質心偏心距大于底盤相應邊長的20%）等。因為大多超限的客觀存在性，很多時候無法避免，這也為整個結構設計計算帶來不小的困難。由于客觀上無法避免的結構超限存在，再加上隔震的參與，對整個結構設計也提出更高的專業要求，抗震性能化設計在所難免。

結合《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2016年版）、《建筑隔震設計標準》（征求意見稿）的相關條款知：

下部結構設計內容主要包括隔振層以下結構構件的承載力驗算、變形驗算。承載力驗算時，應考慮上部結構傳來的軸力、彎矩、水平剪力及由隔振層水平變形產生的附加彎矩，此外還需滿足中震、大震下相應彈塑性層間位移角的變形要求。這里以框架-抗震墻下部結構為例，設防地震下，其彈性層間位移角不應大于1/800，罕遇地震下，其彈塑性層間位移角不應大于1/300。

隔振層應作為上部結構的一部分進行計算和設計，因其往往是轉換層（托墻轉換），在構件層面，除了要滿足轉換構件的特殊規定外，隔震層的結構平面布置剛度中心宜與質量中心盡可能重合，避免偏心引起較大扭轉。此外，隔震層主要驗算內容還包括隔震支座的壓應力和水平位移[2]。

這里以橡膠支座為例，橡膠隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應力不應超過甲類-10Mpas、乙類-12Mpa、丙類-15Mpa（甲、乙、丙為建筑類別），這里壓應力設計值為永久荷載和可變荷載的組合工況，樓面活荷載應按現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB50009的規定進行折減；且此時支座上述壓應力限值還應考慮與其形狀系數有關的修正。而在罕遇地震作用下的最大豎向壓應力也不應超過甲類-20Mpas、乙類-25Mpa、丙類-30Mpa（甲、乙、丙為建筑類別），拉應力不應超過甲類-0.0Mpas、乙類-1.0Mpa、丙類-1.0Mpa（甲、乙、丙為建筑類別）。橡膠隔震支座在規定壓應力下的水平位移極限設計值，需小于min[0.55d0，3t]，d0是橡膠支座有效直徑，t是支座內部橡膠總厚度；另外，其破壞極限水平位移需小于4t。

上部結構設計時，由于減震系數導致上部結構地震剪力計算值減小，對于上部結構的選型極為有利，但應注意上部結構的抗震措施降低不得高于一度。此外，上部結構的在設防地震、罕遇地震下的彈性層間位移角、彈塑性層間位移角也應符合相關要求，這里以抗震墻結構為例，其彈性層間位移角上限為甲類-1/1000，乙類-1/800，丙類-1/750（甲、乙、丙為建筑抗震設防類別）；彈塑性層間位移角上限為1/300。

4 大底盤多塔隔震結構設計難點及措施

4.1 性能水準

該類結構由于超限、隔震兩個因素的參與，結構設計一般都會采用抗震性能化設計方法，那么，針對不同重要性的構件的性能水準、性能目標應合理制定。性能目標過高時，一方面結構選型計算十分困難，另一方面對于不是特別重要的構件，若強行要求其在超越概率極低的地震作用水準下保持彈性或不屈服，勢必造成極大的資源浪費，可行性不高。但性能水準定的過低，又會犧牲掉結構相當水平的安全儲備，顯然也不夠合理。所以對于這類結構，如何合理制定相關構件的性能目標，對于結構設計、工程造價、資源利用率都顯得極為關鍵。在上蓋結構設計工作實操過程中，性能化設計一般可以采用PKPM、YJK類軟件依據高規、抗規進行小、中、大震的構件性能指定和性能包絡設計，但應注意的是，由于性能化設計中的部分公式不考慮結構構件與抗震等級相關的內力調整，所以務必需要核查所使用的軟件版本是否需要手改中、大震下的抗震等級[3]。

4.2 框支結構多級、多層轉換

現在的結構轉換形式多見的一般有三類：①大梁轉換，傳力路徑為墻-大梁-柱，路徑清晰簡便，便于設計和施工。缺點是上部柱網受限較嚴重，一般為了避免多級轉換，會盡可能將上部柱網進深按下部柱網調整，方案布置不夠靈活。②厚板轉換，這種轉換方式由于板內受力情況不夠明確，傳力路徑不夠清晰，而且因其厚度往往很大，直接導致下部結構負擔加重，不利于抗震，可行性一般；③桁架轉換，該種轉換形式受力簡單，傳力路徑明確，但其缺點是，高度方向往往較大，工藝或建筑凈空會較受限。

綜上而言，實際工程中使用較多的還是大梁轉換，但因為軌道交通項目客觀特點，導致其蓋頂柱網總會不很規則，尤其在車輛段咽喉區部分，下部柱網受軌道專業限界影響，布置極其無序。很多情況下，蓋頂都會存在多級轉換現象，在一些項目中甚至還會存在多層、多級轉換，即隔震層頂、蓋頂雙層多級轉換（上部剪力墻落在隔震層頂轉換梁，隔震層支柱落在蓋頂轉換梁）。這直接增加了結構設計的難度和安全底線的把控難度。筆者認為，針對前者不可避免的多級轉換現象，應盡可能合理規劃上部使用功能，讓大荷載區域避免直接坐落多級轉換梁上，同時，也可考慮使用鋼結構這類相對小質量的上部結構；而針對后者多層轉換現象，除了控制支座下方轉換梁的承載力外，應盡量控制支座下方轉換梁撓度變形，或通過適當起拱等措施，旨在避免隔振層不同支柱的不均勻下撓，放大上部結構的二階效應；同時支座面壓應留有足夠余量，避免隔振層支柱不均勻下撓導致支座面壓超限。此外，由于框支轉換的大規模使用，在合理可控的情況下，應盡可能減小轉換構件的跨度，且當其超過8m時，務必依據高規考慮豎向地震作用。

4.3 結構建設的斷層性

因為TOD項目本事體量規模相對較龐大，現多采用下部結構先設計、先建設，隔振層包括上部結構后設計、后施工，兩階段的時間跨度可能達到數年甚至十數年，從結構設計角度看，這對蓋下設計的強度和整體指標預留提出較高要求，下部結構設計階段必須保證有足夠的強度和指標預留空間，否則，后期二級開發階段，會十分被動。

由于TOD項目具有長生命周期、預留上蓋荷載等特點，必然導致設計過程中流程化、文件化嚴重，所以保證整個設計階段的提反資材料的有效性和可實施性是重中之重。

4.4 結構設計周期、硬件要求

由于超限結構需要進行抗震專項審查，并進行相應的性能包絡、多塔包絡、彈塑性時程分析、損傷模擬計算等前置條件，同時上述計算對計算機硬件要求較高，這類項目進度安排上應考慮到項目特點，為結構專業配置相對高的硬件水平，給前期超限計算和評審留有足夠的空間，后期無論設計還是施工，都能做到得心應手，否則處處受限。

5 結束語

筆者結合TOD項目設計過程中親歷的一些認知和痛點，旨在為軌道交通行業的結構從業同行提供微薄見解，以期共同進步，并希冀未來軌道交通行業車輛段TOD項目的執行難點得到更多的攻克。