某地鐵上蓋建筑采用厚板轉換結構設計的研究

馬中華，付修兵，宋 剛，孫紅萍，桑 桑

(1.南京長江都市建筑設計股份有限公司,江蘇 南京 210002;2.南京臨江老城改造建設投資有限公司,江蘇 南京 210002)

1 工程概況

隨著城市化的推進,地鐵帶動城市“輻射式”的發展,軌道交通正以不可抵擋之勢構建全新生活方式和消費路徑,地鐵上蓋的建筑結構形式越來越廣泛的應用于城市建設之中[1]。地鐵上蓋建筑對于使用者來說出行便利,并且在一定程度上能夠帶動住宅周邊區域的發展。

本項目位于江蘇省南京市鼓樓區寶塔橋街道,東至金川河,南至濱江路,西至江邊路,北至和記路,毗鄰南京長江大橋。地塊內建筑大部分處于歷史建筑風貌區的范圍,南京地鐵五號線從地塊內穿行,穿行區域地下室有4層,地鐵軌行區穿越地下室負4層—負3層局部區域,軌行區上方共有四棟單體,其中1號樓為框架結構,共6層,首層為商業,標準層為辦公,房屋高度23.00 mm;2號樓、3號樓為剪力墻結構,共7層,建筑功能為公寓,房屋高度22.00 m;4號樓為框架結構,共7層,建筑功能為公寓,房屋高度23.00 m,效果圖如圖1所示。

地上單體局部位于地鐵軌行區上方,上部單體軸網與軌行區軸網呈71.2°斜交,需在負3層頂板即標高-8.50 m處設置轉換層,上部單體的框架柱及剪力墻均在負3層頂板進行轉換。根據建筑專業及地鐵運營空間的需要,轉換層結構高度不能超過1 500 mm。因為1號樓柱跨較大,柱底內力大,本文主要研究1號范圍內的轉換問題,1號樓及相關范圍地下室的剖面見圖2。

2 設計參數

本工程位于南京市鼓樓區,根據文獻[2-3]及本工程地勘報告,1號樓及相關地下室范圍結構設計基本參數如表1所示。

表1 結構設計基本參數表

其中地鐵頂板轉換的豎向構件內力的重要性系數按照1.1考慮。

3 結構體系

轉換層以上共8層(地下2層、地上6層),采用混凝土框架結構,典型柱網為8.7 m×(8.1 m～9.8 m),典型柱截面尺寸為600 mm×600 mm～700 mm×900 mm,柱混凝土標號為C30—C45,典型梁截面尺寸為300 mm×600 mm～400 mm×800 mm,梁混凝土標號為C30。轉換層以下共2層,為負3層、負4層地下室(其中地鐵軌行區范圍負3層、負4層合并為一層,形成地鐵通行空間),地鐵軌行區范圍的結構體系兩道地鐵外墻(墻厚800 mm)、兩道地鐵內墻(墻厚600 mm)及轉換頂板組成;地鐵軌行區范圍外不存在轉換,采用框架結構,柱網同上部結構。轉換層平面布置如圖3所示。

3.1 梁板轉換與厚板轉換可行性分析

梁板轉換是建筑結構轉換層中應用最廣的結構形式,其傳力直接明確、傳力路徑清晰,同時具備受力性能好、構造簡單、計算簡便造價低的優點;轉換梁的截面尺寸一般由抗彎、抗剪承載力控制,其截面高度為計算跨度的1/6～1/8。

當轉換層上下柱網錯開較多而難以直接用梁承托時,可采用厚板轉換,給建筑空間的靈活布置帶來許多方便[4-5];其傳力途徑十分復雜,應進行板的內力分析,板厚由抗彎、抗剪及抗沖切承載力控制,應沿其主應力方向設置暗梁,轉換厚板上、下一層的樓板應適當加強[6]。

1)厚板轉換可行性分析。轉換層采用厚板轉換時,板厚取1 500 mm,混凝土標號取C40,主要計算結果見表2。

表2 厚板轉換主要計算結果

表2給出了在多遇地震組合工況下,轉換厚板板頂最大壓應力為12.0 MPa,小于C40混凝土抗壓強度設計值19.1 MPa,結構處于彈性階段;板底最大拉應力為11.4 MPa,僅存在于柱下應力集中部位,大部分區域板底拉應力小于5 MPa,通過合理地加強樓板整體配筋率可以保證樓板處于彈性工作狀態[7];根據文獻[8]第6.5.1條,求得不考慮板內鋼筋作用時1 500 mm厚抗沖切承載力設計值為14 556 kN>14 078 kN,厚板的抗沖切承載力滿足要求。因此,轉換層采用厚板轉換的結構體系可行。

2)梁板轉換可行性分析。轉換層采用梁板體系轉換時,鋼筋混凝土轉換梁截面取1 500 mm×1 500 mm,梁的跨高比約為1/6.5,樓板厚度取300 mm,轉換梁主要計算結果見表3。

表3 轉換梁主要計算結果

由表3可知,由于轉換梁高度受限,其內力很大,配筋最大值達到816 cm2,配筋率不滿足規范要求;較多區域配筋計算值為350 cm2～450 cm2,雖然配筋率尚在規范允許范圍,但鋼筋排布困難,施工難度很大。因此,本工程轉換層采用梁板體系不可行。

3.2 兩種建模方式對厚板計算分析

轉換層的厚板支承上部結構框架柱,受力情況復雜,是本工程的重點難點,其結構安全至關重要。為保證轉換厚板的安全,本工程采用兩種計算模型對厚板進行分析,兩種模型的建模方式如下:

模型一:按實際情況建模,在厚板中的柱底對應位置建立虛梁,以傳遞荷載。模型二:模型中不建入厚板以上結構,在厚板中的柱底對應位置輸入局部荷載。兩種計算模型的主要計算結果云圖如圖4—圖7所示。

由圖4—圖7可知,模型一、模型二的應力相差不大,模型二的局部應力擴散更明顯。這是因為模型一的柱底內力是節點集中力,模型二的柱底內力用局部荷載模擬,模型二的柱底內力作用面積大于模型一,所以其應力擴散更明顯是合理的[9]。

兩種計算模型的Z1位置厚板的主要計算結果如表4所示。

表4 轉換厚板Z1位置計算結果對比表

由表4可知,模型一、模型二在Z1位置的內力與配筋計算結果相近,相差5%左右;其中對于主受力方向(Y向)而言,模型二的板底拉應力、板底配筋值均比模型一大5%左右,配筋值與應力大小的規律相擬合。因此,厚板分析的兩種計算假定是合理的,計算結果是可靠的,設計時采用兩個模型計算的包絡值。模型一、模型二豎向變形示意圖見圖8,圖9。

由圖8,圖9可知,模型一的豎向變形普遍大于模型二。其中Z1處變形最大,模型一Z1處的樓板豎向變形為4.4 mm,模型二Z1處的樓板豎向變形為2.4 mm,兩者相差較大,不過最大變形仍遠小于規范限值。

4 設計加強措施

1)配置抗沖切鋼筋。為保證結構安全,對柱底內力較大處采取抗沖切加強措施,在柱下板內配置抗沖切箍筋及彎起鋼筋,如圖10所示。配置抗沖切鋼筋后,樓板的抗沖切承載力得到進一步提高,充分保證了結構安全。

2)樓板加腋。為減少厚板的跨度,減輕厚板在支座處的應力集中,對支座處樓板采取加腋構造加強措施,如圖11所示。

5 結論

綜上所述,本項目轉換層以上為地下車庫、辦公,轉換層以下為地鐵軌行區,轉換層上下軸網呈71.2°斜交,轉換層結構高度不得超過1 500 mm,通過本文分析可以得到以下結論:

1)由于轉換層高度受限,轉換層采用梁板體系轉換不可行。

2)轉換層采用厚板轉換可行,可以選用厚板轉換體系,應通過有限元分析厚板的內力,驗算厚板的抗彎、抗剪及抗沖切承載力。

3)兩種厚板轉換的計算模型都有可能成為控制模型,設計時應采用兩個模型計算的包絡值。

4)為保證結構安全,應在柱底內力較大處采取抗沖切加強措施,在板內配置抗沖切箍筋及彎起鋼筋;在厚板支座處考慮加腋。