軌交車(chē)輛基地上蓋開(kāi)發(fā)預(yù)留工程結(jié)構(gòu)荷載分析

李俊男

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院,上海 200235)

1 背景

隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)和城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，以TOD為基礎(chǔ)的軌交車(chē)輛基地上蓋開(kāi)發(fā)工程逐漸增多。軌交車(chē)輛基地上蓋開(kāi)發(fā)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)上蓋開(kāi)發(fā))工程的典型剖面示意如圖1所示。

以板地為界，其下為軌交車(chē)輛基地，其上為上蓋開(kāi)發(fā)建筑[1]。項(xiàng)目一般分兩階段實(shí)施，第一階段實(shí)施軌交車(chē)輛基地及板地，稱(chēng)為預(yù)留工程；第二階段實(shí)施板地以上的其他結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為上蓋開(kāi)發(fā)工程。兩者通常分別由軌交建設(shè)單位和開(kāi)發(fā)商實(shí)施，實(shí)施時(shí)間間隔可達(dá)數(shù)年。

預(yù)留工程的設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足一般工民建建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)的原則。除此之外，尚應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足軌道交通各專(zhuān)業(yè)功能需求及上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)需求。針對(duì)兩階段實(shí)施不同步的情況，需要對(duì)開(kāi)發(fā)實(shí)施前、實(shí)施過(guò)程中、實(shí)施后幾個(gè)不同階段結(jié)構(gòu)的實(shí)際工況分別進(jìn)行復(fù)核及設(shè)計(jì)。而預(yù)留工程的結(jié)構(gòu)荷載取值，也因此有著自己的獨(dú)特之處。

2 軌道交通荷載

軌交荷載根據(jù)是否直接來(lái)自于列車(chē)，可分為列車(chē)荷載及非列車(chē)荷載。

2.1 列車(chē)荷載

列車(chē)荷載主要包括列車(chē)自重及列車(chē)行駛帶來(lái)的水平荷載等。主體結(jié)構(gòu)與軌道道床結(jié)構(gòu)不能完全脫開(kāi)時(shí)，需考慮其傳來(lái)的列車(chē)荷載。列車(chē)水平荷載絕對(duì)值較小，對(duì)位于地面以下受周邊土體約束的結(jié)構(gòu)影響有限，可忽略不計(jì)，需要專(zhuān)門(mén)考慮的是豎向荷載。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)，可參考地下車(chē)站設(shè)計(jì)思路，將豎向荷載連同道床自重，折算為均布荷載考慮[2]。對(duì)位于地下室頂板之上的碎石道床軌線(xiàn)，列車(chē)荷載經(jīng)過(guò)道床及其下覆土的擴(kuò)散，可同樣考慮。但當(dāng)采用與頂板直接連接的整體道床時(shí)，需對(duì)承受列車(chē)荷載的結(jié)構(gòu)按車(chē)軸移動(dòng)荷載的最不利分布進(jìn)行加載，其中軌道梁及其支承橫梁還要按與“建-橋合一”高架車(chē)站中承受列車(chē)荷載的結(jié)構(gòu)相同的要求，按“橋規(guī)”的荷載組合進(jìn)行檢算。

2.2 非列車(chē)荷載

按專(zhuān)業(yè)可分為工藝、軌道道床、供電及通號(hào)三類(lèi)。

工藝荷載包括工藝用房均布活載、設(shè)備集中荷載、吊車(chē)荷載。

軌道道床荷載為相關(guān)構(gòu)筑物的自重，視情況按均布荷載或線(xiàn)荷載進(jìn)行考慮。

供電及通號(hào)荷載包括管線(xiàn)橋架、觸網(wǎng)、強(qiáng)弱電設(shè)備荷載，前兩者數(shù)值較小，常吊掛于蓋板下，與其他吊掛設(shè)備荷載一起按照均布荷載近似考慮。強(qiáng)弱電設(shè)備荷載通常按樓面等效活荷載考慮，變壓器等較重設(shè)備按集中荷載考慮。

3 上蓋開(kāi)發(fā)預(yù)留荷載

將軌交上蓋結(jié)構(gòu)與帶整體地下室的多塔樓住宅或商業(yè)綜合體進(jìn)行類(lèi)比。板地蓋板視為地下室底板，其上蓋板層為地下室頂板，再上為各個(gè)多塔，其使用功能十分相似，故其荷載種類(lèi)及布置也接近。如圖2所示，可分為開(kāi)發(fā)建筑荷載、大平臺(tái)室外荷載、板地臨時(shí)荷載三類(lèi)。

3.1 開(kāi)發(fā)建筑荷載

開(kāi)發(fā)單體建筑的功能與一般民用建筑沒(méi)有區(qū)別，故此部分荷載取值也基本相同。不同點(diǎn)在于由上蓋開(kāi)發(fā)滯后帶來(lái)的不確定性。

其一，因是否采用預(yù)制結(jié)構(gòu)而造成的外墻材質(zhì)變化及樓板厚度變化。當(dāng)剪力墻住宅外填充墻材質(zhì)由加氣混凝土砌塊變?yōu)榛炷令A(yù)制夾心墻后，外墻墻體容重由8.0 kN/m3增加至25 kN/m3， 120 mm厚現(xiàn)澆樓板變?yōu)?30 mm厚預(yù)制疊合樓板。標(biāo)準(zhǔn)層的單位面積質(zhì)量由16 kN/m2增加至18 kN/m2～19 kN/m2，增幅10%～18%。

其二，上蓋辦公及商業(yè)建筑的房間功能和分隔在預(yù)留工程階段幾乎不會(huì)有確定的方案。因此一般根據(jù)建筑的主要功能，對(duì)整層樓面按統(tǒng)一活荷載取值，將內(nèi)隔墻也折算在內(nèi)。

對(duì)上述兩點(diǎn)不確定性，設(shè)計(jì)荷載取值常偏于保守，因此部分荷載增加帶來(lái)的影響局限在塔樓投影范圍內(nèi)，對(duì)無(wú)塔樓的蓋板結(jié)構(gòu)影響有限，故整體造價(jià)的提高不多，較容易接受,也為開(kāi)發(fā)工程的荷載保留了更多靈活性。

蓋板上小汽車(chē)庫(kù)，其2.5 kN/m2～4.0 kN/m2的活載[3]對(duì)樓板的配筋一般不起控制作用。但其中設(shè)置的各種設(shè)備用房就有所不同，如表1所示。設(shè)備用房活載遠(yuǎn)大于汽車(chē)庫(kù)活載，也大于預(yù)留的樓面施工荷載(10 kN/m2)，因此為梁板配筋的控制荷載。板地建成后再調(diào)整設(shè)備用房位置，必然引起相應(yīng)范圍梁板的加固，而該層樓板底位于運(yùn)營(yíng)中的軌交車(chē)輛基地內(nèi)，不具備加固施工條件。因此機(jī)房荷載的預(yù)留寧可多留留大，以避免后續(xù)改造。同時(shí)利用施工道路及堆場(chǎng)荷載較大的特點(diǎn)，將其作為可能的機(jī)房調(diào)整布置位置。

表1 小汽車(chē)庫(kù)設(shè)備用房預(yù)留荷載[4]

3.2 大平臺(tái)室外荷載

各開(kāi)發(fā)單體坐落的大平臺(tái)室外荷載，作用在小汽車(chē)庫(kù)頂及無(wú)汽車(chē)庫(kù)的板地頂面的投影范圍外，情況見(jiàn)表2。

表2 大平臺(tái)室外主要荷載

表2中第2項(xiàng)～6項(xiàng)取值較為固定，一般按規(guī)范或工程經(jīng)驗(yàn)取值。需要重點(diǎn)關(guān)注的是第1項(xiàng)室外覆土及面層自重。

在占室外主要面積的非道路區(qū)域，覆土及面層自重在重力荷載中占到50%～70%。荷載的大小直接影響構(gòu)件配筋及截面。此項(xiàng)荷載受覆土(面層)材料容重及厚度兩個(gè)因素控制。厚度由建筑方案、管線(xiàn)埋深空間、綠化種植厚度等制約，在預(yù)留工程階段即可確定。材料容重根據(jù)材料種類(lèi)，取值差異較大。常用回填材料容重見(jiàn)表3。

表3 常用回填材料容重[5]

在上蓋綠化區(qū)域?qū)Ρ容p質(zhì)種植土與一般種植土；在非綠化區(qū)域時(shí)對(duì)比輕質(zhì)混凝土與素土回填。考慮1.2 m的覆土厚度，綠化與非綠化區(qū)域單位面積荷載差值分別為10 kN/m2和6 kN/m2，此荷載差值對(duì)梁板配筋的影響超過(guò)了常規(guī)配筋余量所能夠包絡(luò)能力。

對(duì)此問(wèn)題，根據(jù)容重取值有兩種預(yù)留方向：

方向一即按大容重預(yù)留。實(shí)操中常直接按20 kN/m3容重考慮。此方案使得預(yù)留工程板梁柱基礎(chǔ)都留有相應(yīng)的余量，后期改造的風(fēng)險(xiǎn)很小。儲(chǔ)備的荷載余量還可“調(diào)劑”給其他荷載，為后續(xù)方案調(diào)整(覆土厚度增加、消防車(chē)道、登高場(chǎng)地、設(shè)備用房位置調(diào)整)提供可能性。當(dāng)然代價(jià)也很明顯，增大荷載將帶來(lái)工程造價(jià)的增加，而預(yù)留的荷載在后續(xù)方案中不一定能發(fā)揮作用，無(wú)法產(chǎn)生效益。

方向二即按小容重預(yù)留，根據(jù)輕質(zhì)材料選擇的不同，一般可以取到12 kN/m3～15 kN/m3。此方案通過(guò)限制后續(xù)開(kāi)發(fā)工程的材料容重來(lái)追求預(yù)留工程的經(jīng)濟(jì)性。后期開(kāi)發(fā)實(shí)施時(shí)若承載力不足，也可以根據(jù)確定的方案進(jìn)行精準(zhǔn)的加固，避免了大范圍超額預(yù)留帶來(lái)的浪費(fèi)。缺點(diǎn)是預(yù)留工程需采用高單價(jià)的輕質(zhì)回填材料。預(yù)留荷載的減小也降低了預(yù)留靈活性。當(dāng)其他荷載增加時(shí)，因蓋下軌交基地?zé)o法進(jìn)行加固施工，開(kāi)發(fā)方案需要改用更小容重的材料回填，壓縮覆土厚度“摳”出荷載。嚴(yán)重時(shí)覆土厚度不能滿(mǎn)足綠化種植要求或室外管線(xiàn)埋深，影響綠化和管線(xiàn)布置，對(duì)蓋上整體方案造成不利影響。

設(shè)計(jì)單位一般傾向于按方向一預(yù)留，但在某些情況下，造價(jià)敏感的業(yè)主并不認(rèn)可，此時(shí)可將方向一、二結(jié)合，基礎(chǔ)和柱設(shè)計(jì)時(shí)按大容重，梁板設(shè)計(jì)時(shí)按小容重。此種做法減小梁板承載力余量而不損失基礎(chǔ)和柱的承載力余量，最大程度避免在車(chē)輛基地內(nèi)的加固作業(yè)，兼顧了經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

3.3 板地臨時(shí)荷載

板地為蓋上蓋下結(jié)構(gòu)的分界面，作為車(chē)輛基地的屋面，開(kāi)發(fā)實(shí)施前即有獨(dú)立的屋面做法。此屋面做法為臨時(shí)措施，后續(xù)開(kāi)發(fā)施工時(shí)全部鏟除用上蓋開(kāi)發(fā)方案對(duì)應(yīng)的做法替代。作為普通的屋面做法，其荷載不會(huì)大于有較大覆土厚度的開(kāi)發(fā)方案面層做法，也不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用。

當(dāng)開(kāi)發(fā)進(jìn)入實(shí)施階段時(shí)，板地將作為施工場(chǎng)地，需要考慮施工車(chē)輛、機(jī)械、材料和施工作業(yè)相應(yīng)荷載。荷載的類(lèi)型見(jiàn)表4。

表4 板地施工荷載

這些荷載雖然絕對(duì)值較大，但考慮到預(yù)留工程實(shí)施時(shí)，頂板臨時(shí)面層的鏟除和場(chǎng)地覆土都是在最后施工，施工荷載并不與覆土荷載進(jìn)行疊加。故臨時(shí)面層+施工荷載與永久覆土+使用荷載之間的大小比較決定了施工荷載是否對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用。

第1項(xiàng)，第2項(xiàng)在布置時(shí)常利用蓋上方案中已設(shè)置的消防車(chē)道路、登高場(chǎng)地、機(jī)房等活荷載加大位置進(jìn)行預(yù)留，以合理利用高承載力的樓板區(qū)域，降低施工荷載影響。但當(dāng)此范圍不滿(mǎn)足第1項(xiàng)，第2項(xiàng)設(shè)置需求時(shí)，則只能在室外綠化及廣場(chǎng)等使用活荷載不大于5 kN/m2的范圍布置。其必然成為控制荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響十分突出。

第3項(xiàng)為板地層汽車(chē)庫(kù)頂轉(zhuǎn)換的塔樓投影范圍內(nèi)存在的荷載。其遠(yuǎn)大于小汽車(chē)庫(kù)的恒活，對(duì)相關(guān)范圍的梁板設(shè)計(jì)起控制作用。但因其并不與封頂后的塔樓荷載同時(shí)存在，柱和基礎(chǔ)仍然是受后者控制。

第5項(xiàng)集中荷載一般考慮布置在柱正上方，作為豎向荷載，影響對(duì)應(yīng)柱基礎(chǔ)。大部分基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)余量能夠自動(dòng)滿(mǎn)足此荷載。對(duì)不能滿(mǎn)足時(shí)亦可采取施工措施借用更多基礎(chǔ)分擔(dān)，故不需專(zhuān)門(mén)考慮[6]。

4 結(jié)論

1)軌交基地荷載分為列車(chē)荷載與非列車(chē)荷載，其取值需要滿(mǎn)足相關(guān)專(zhuān)業(yè)和軌交規(guī)范的要求。

2)上蓋開(kāi)發(fā)預(yù)留荷載可分為開(kāi)發(fā)建筑荷載、大平臺(tái)室外荷載、板地臨時(shí)荷載三類(lèi)。

3)開(kāi)發(fā)建筑荷載和大平臺(tái)室外荷載作為最終的使用荷載，需考慮開(kāi)發(fā)方案的不確定性。為了減少加固的風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)留時(shí)應(yīng)偏向保守，留出適當(dāng)荷載余量?jī)?chǔ)備。

4)上蓋室外覆土荷載預(yù)留時(shí)，材料容重取值應(yīng)偏保守。當(dāng)追求經(jīng)濟(jì)性時(shí)，可降低梁板設(shè)計(jì)荷載取值而不降低基礎(chǔ)和柱設(shè)計(jì)時(shí)荷載取值，以兼顧經(jīng)濟(jì)性和方案靈活性。

5)上蓋開(kāi)發(fā)臨時(shí)荷載數(shù)值雖然較大，但不與最終覆土荷載疊加，故并不一定是控制性荷載。施工荷載布置時(shí)利用最終使用荷載較大的結(jié)構(gòu)區(qū)域，可以提高工程經(jīng)濟(jì)性。