杭州西動車運用所上蓋開發結構分析與設計

吳 奎

1 工程概況

杭州西動車運用所上蓋開發項目位于杭州余杭區苕溪以東、倉前地鐵車輛段以西、留祥快速路以北，總用地面積98.1 hm2。動車運用所近期28條存車線、近期6 線檢查庫、3 線臨修鏇輪線、遠期6 線檢查庫及咽喉區所有股道區域均進行上蓋開發，上蓋開發區域南北向約2.6 km，東西向約205 m。上蓋開發面積43.2 萬 m2。

上蓋區域根據建筑功能和建造條件[1]，豎向分為3 個層次，分別是鐵路工藝區、首層蓋板區、二層蓋板和蓋上建筑區，如圖1a 所示。考慮接觸網限界要求，首層蓋板層高12.6 m，二層蓋板層高6.0 m。上蓋開發住宅首層結構層高5.55 m，其余各層層高高層住宅為2.9 m，多層住宅為3.0 m。結構總高度為30.15 ～73.45 m。平面根據站場工藝布局分為6 個區域，自南向北依次為A區（咽喉區）、C區（存車線）、E區（咽喉區）、H區（咽喉區）、G 區（咽喉區）、J 區（檢查庫），項目蓋板分區如圖1b 所示。

圖1 項目平、立面示意圖（來源：中鐵第四勘察設計院集團有限公司建筑設計方案）

2 結構方案設計

工程建筑結構設計的使用年限為50 a，考慮首層蓋板跨線的影響，首層蓋板按100 a 進行耐久性設計。首層蓋板結構安全等級為一級，二層及以上結構安全等級為二級；地基基礎設計等級為甲級；除首層蓋板為重點設防類（乙類）之外，其余均為標準設防類（丙類）。

基于工程情況，工程抗震設防烈度為6 度，設計基本加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，場地類別為III 類。10m 蓋板荷載按近中遠分期考慮屋面及樓面荷載。近期恒載按臨時屋面裝修做法計算，活載按不上人屋面，取0.5 kN/m2。中期10 m 蓋板將作為16 m 蓋板施工面，考慮材料堆放、車輛運輸、大型塔吊等施工荷載，按15 kN/m2考慮，同時在上蓋區域額外考慮30 kN/m2的施工荷載。遠期荷載按照10 m 蓋板建筑功能考慮。

柱網采用線間立柱，保證工藝要求同時考慮結構體系的經濟性。柱網在順軌方向沿股道方向布置，跨度不受工藝條件限制，布置相對靈活。本工程順軌向跨控制在約9 m。柱網在垂軌方向需結合不同類型工藝房屋來布置。存車區按一跨三線進行設計，垂軌跨度按17 m 設計；檢查區按照一跨兩線進行設計，柱跨按19 m 設計。

上蓋開發為小開間軸線布置的住宅，由于上蓋開發與蓋下動車運用所的柱網不能對齊，上部樓層的豎向構件不能直接連續貫通落地，需要在結構改變的位置布置水平轉換構件實現結構轉換[2]。

本工程結構轉換設置在二層蓋板區，11 層及以上住宅采用底部框架+梁式轉換+剪力墻結構體系，即全框支剪力墻結構體系[3]。以J17 區為例，上蓋開發4 棟塔樓，2 棟11 層，2 棟18 層。建筑最大高度為73.4 m。

3 結構超限分析

3.1 結構超限情況

以J17 區為例介紹結構超限設計情況。J17 區結構超限項如下：第1，考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2小于1.4，屬扭轉不規則；第2，相鄰層剛度變化＞70%，屬剛度突變；第3，二層平臺有4 棟高層住宅，為大底盤多塔結構，屬尺寸突變；第4，上下墻、柱、支撐不連續，屬構件間斷；第5，結構采用全框支剪力墻結構體系，屬規范暫未列入的特殊類型高層建筑。

本項目存在1 項平面不規則、3項豎向不規則，結構體系屬于超出規范范疇的高層建筑，需要對結構抗震設計進行專項論證。針對超限工程的各項不規則性，主要采取了以下措施：第1，調整豎向構件的布置，減少整體結構質心和剛心的偏離；第2，由于首層層高較高，二層層高相對較矮，為調整首層與二層的剛度比，適當加大底層梁柱截面并減小二層柱截面；第3，上部結構墻柱盡可能落在框架梁上，控制落在次梁上墻柱數量。受力較大的轉換梁采用型鋼混凝土梁，轉換柱采用型鋼混凝土柱并通高布置；第4，加強轉換層及其上一層樓板厚度和配筋。

3.2 結構性能目標

針對本項目的重要性和結構特點，采用基于性能目標的抗震設計方法[4]。選取轉換梁、轉換柱為關鍵構件，除關鍵構件以外的豎向構件為普通豎向構件，除關鍵構件以外的樓層框架梁為耗能構件。結構總體性能目標選用“C”，同時提高轉換柱、轉換梁在設防地震受彎、罕遇地震受剪的設防目標，提高底部加強區的剪力墻在罕遇地震下受剪設防目標。

3.3 小震分析

結構小震作用下的反應譜分析采用考慮扭轉耦聯效應的振型分解法并計入雙向水平、豎向地震作用。J17 區為四塔結構，分析時包含單塔及多塔共5 個模型。

選用SATWE 內置的地震波進行小震彈性時程補充計算。根據軟件波庫中提供地震波選擇2 組人工波，5組天然波進行彈性時程分析。結果表明，每條時程曲線計算所得結構底部剪力大于中國質量認證中心（CQC）計算結果的65%且小于135%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值大于CQC 計算結果的80%，且小于平均值的120%，滿足規范要求。根據彈性時的程分析結果，反應譜法的樓層剪力小于時程分析的結果的平均值，整體按反應譜法放大1.15 倍進行設計。

單塔及多塔的計算結果表明，除首層與相鄰上層剛度比＜70%，位移比＞1.2 外，其他結構指標均滿足規范要求。與多數大底盤多塔結構不同，振型分解反應譜法結果沒有包絡7 條地震波平均值，需在配筋設計中采取放大地震響應的措施予以加強。

3.4 中震分析

中震彈性分析水平地震影響系數最大值為0.12，特征周期取值0.45 s，結構阻尼比取值6%。結果表明，構件均滿足中震性能目標要求。

對中震時雙向水平地震作用下墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力進行驗算，平均名義拉應力最大為1.02 MPa。按照《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[4]第十二條，可不設置型鋼。

對中震時轉換層樓板進行應力分析。計算結果表明：在中震作用下，樓板面內無貫通性裂縫。由于轉換梁平面外彎矩使樓板在交接處產生局部變形，在部分轉換梁及梁邊形成應力集中，其他大部分區域正應力小于混凝土抗拉強度標準值。根據計算結果對開洞周邊應力較大處（樓梯邊，一跨以內）樓板加厚至350 mm，同時對該區域樓板采用雙層雙向配筋，配筋率加大至0.4%，確保混凝土樓板內的鋼筋在中震作用下，鋼筋應力不會達到屈服強度。對其余應力比較集中的位置樓板配筋率加大至0.4%。

3.5 大震分析

大震彈性分析水平地震影響系數最大值0.28，特征周期取值0.50 s，結構阻尼比取值7%。

為了解結構在罕遇地震下的變形形態、關鍵構件及節點在罕遇地震下的抗震性能，對結構進行罕遇地震下的彈塑性時程分析，分析時選用2 組天然波與1 組人工波。

圖2a 和b 為沿X向、Y向為主向輸入時結構在各主方向的最大樓層剪力曲線，可以看出，結構在罕遇地震作用下，在轉換層上下位置由于剛度變化，地震樓層剪力有一定突變，該兩層的豎向構件能在大震作用下不屈服，處于輕微損壞的階段，局部構件發生中度損傷，將通過提高抗震等級，加強配筋等措施提高兩層的構件的抗剪承載力。

圖2 J17 區大震作用下計算結果（來源：杭州西動車運用所上蓋開發項目輸出的計算結果）

圖2c 和d 為沿X向、Y向為主向輸入時結構在各方向的最大樓層位移角曲線，可以看出，結構在罕遇地震作用下，結構最大層間位移角包絡值1/243，小于1/120 的規范限值。

各組地震波計算完成后，結構處于穩定狀態，部分構件進入了一定程度的塑性，滿足“大震中度損壞”的設防目標。結構在X、Y兩個主方向基底剪力最大值分別是小震反應譜工況下基地剪力的6.14 倍和6.28 倍，結構整體進入塑性。

對結構整體而言，較多連梁進入塑性耗能。絕大部分柱子均為輕度損壞以下，僅個別柱子達到中度損壞，轉換梁及轉換柱大震下為輕微破壞，結構宏觀損壞程度為“中度損壞”，整個結構達到預期性能水準。根據各項分析表明：目前所選取的結構體系成立，結構構件滿足擬定的抗震性能目標。

4 結構基礎設計

本項目中樁基礎選型項目采用鉆孔灌注樁+承臺的基礎形式，鉆孔灌注樁采用1 m、1.2 m、1.6 m 三種直徑，以中風化泥質粉砂巖作為持力層，樁長為40 m ～60 m，單樁承載力特征值7500 kN ～19000 kN；首層蓋板下整體道床采用直徑0.6 m 的管樁，以圓礫為持力層，平均樁長20 m。本工程均不做地下室，通過加大基礎埋深滿足高層埋深要求。

基礎沉降分析大底盤多塔結構體系基礎設計難點在于蓋上高層區域與平地區域存在巨大荷載差異導致可能出現不均勻沉降。同時，本項目蓋上高層建筑施工進度滯后，鐵路工藝區域需投入使用而不具備設置沉降后澆帶的條件。因此，需要對可能引起的后期沉降差異進行分析并考慮其對整體結構的影響。本項目是我國首個國鐵動車運用所上蓋開發項目，目前國家及鐵路行業標準無差異沉降規定。設計的時候參考上海市城市軌道交通上蓋建筑[5]的控制要求，車輛基地的基礎總沉降量不應大于50 mm，相鄰柱間沉降差不應大于20 mm。通過基礎有限元模型分析計算，住宅部分的最大平均沉降為27 mm，平臺部分的沉降約為9 mm，滿足規范沉降差的要求。在設計時，適當加強塔樓與平臺相鄰跨上部結構的框架配筋，以抵抗部分差異沉降產生的附加應力。

5 結語

杭州西動車運用所上蓋開發設計時，分析了上蓋開發首層層高遠大于二層層高導致的樓層側向剛度相差大、垂軌向跨度大、分期開發和永臨結合等不利因素。針對上蓋與下層柱網不對齊，設計采用了全框支剪力墻結構體系，擬定并滿足了結構的抗震性能化目標。但列車振動對上蓋影響研究不甚充分，后續需針對該類結構的減振和隔振措施進行詳細研究。