林金洲, 堯國(guó)皇

(1. 深圳市建設(shè)科技促進(jìn)中心，廣東深圳 518031； 2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東深圳 518172)

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地鐵車(chē)輛段上蓋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題探討

林金洲1, 堯國(guó)皇2

(1. 深圳市建設(shè)科技促進(jìn)中心，廣東深圳 518031； 2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東深圳 518172)

地鐵車(chē)輛段上蓋建筑結(jié)構(gòu)，平臺(tái)下部為大跨度框架結(jié)構(gòu)，平臺(tái)上部為小跨度結(jié)構(gòu)，因此存在豎向構(gòu)件不連續(xù)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。文章就平臺(tái)下部框架柱選型、新型節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)與研究以及結(jié)構(gòu)高度超過(guò)規(guī)范規(guī)定限值的可能性進(jìn)行了探索，有關(guān)結(jié)論可為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

車(chē)輛段； 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)； 動(dòng)力彈塑性； 分析； 設(shè)計(jì)

隨著城市土地資源日益緊俏，綜合利用土地、提高土地的利用效率，日益成為城市地鐵建設(shè)者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。地鐵車(chē)輛段由于占地面積較大，利用上部空間結(jié)合規(guī)劃開(kāi)發(fā)成住宅及公共建筑設(shè)施，可充分開(kāi)發(fā)商業(yè)利用價(jià)值。由于地鐵車(chē)輛段工藝和線路的要求，平臺(tái)下部為兩層純框架結(jié)構(gòu)，在平臺(tái)上部進(jìn)行物業(yè)開(kāi)發(fā)，上蓋擬開(kāi)發(fā)的物業(yè)大多為小開(kāi)間軸線布置的住宅，而下部柱網(wǎng)較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于上蓋物業(yè)與下層的柱網(wǎng)不能對(duì)齊，上部樓層的豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地，因此存在豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換[1]。

由于平臺(tái)下的框架結(jié)構(gòu)跨度較大，若采用普通鋼筋混凝土框架柱，將使得柱截面較大，影響停車(chē)庫(kù)的有效使用空間。對(duì)于地鐵車(chē)輛段上蓋物業(yè)這種底部?jī)H有為框架柱落地、上部為框架結(jié)構(gòu)或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)沒(méi)有明確的結(jié)構(gòu)體系劃分依據(jù)，通常把它劃為框架結(jié)構(gòu)。深圳地區(qū)處于7度(0.1g)抗震設(shè)防，《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]給出了總高度不超過(guò)50 m的限制，極大的影響了上蓋建筑結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)效率，大大降低了城市土地的使用效率。

文獻(xiàn)[2]對(duì)杭州七堡車(chē)輛段上蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討，重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的選型進(jìn)行了分析比較，文獻(xiàn)[3]介紹了深圳前海灣地鐵樞紐上蓋物業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)總結(jié)，對(duì)本文的研究提供了很好的參考。但文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]上蓋的建筑結(jié)構(gòu)都沒(méi)有超過(guò)規(guī)范的限值。本文通過(guò)典型算例，對(duì)框架柱采用新型鋼-混凝土組合柱進(jìn)行選型比較和探討，進(jìn)而對(duì)新型鋼-混凝土組合柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和研究，建立了典型的地鐵上蓋建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性計(jì)算模型，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行研究，以進(jìn)行平臺(tái)上蓋建筑結(jié)構(gòu)高度超過(guò)規(guī)范規(guī)定限值的可能性進(jìn)行探索。

1 下部框架柱的選型

對(duì)目前施工中的若干車(chē)輛段的調(diào)研可知，平臺(tái)下部的大跨度框架柱的截面尺寸一般都為1 500～1 800 mm(采用普通鋼筋混凝土柱)，這樣對(duì)于地鐵車(chē)輛段的建筑空間可能存在較大的影響，也可能影響停車(chē)庫(kù)的有效使用空間。由于地鐵上蓋物業(yè)結(jié)構(gòu)底部結(jié)構(gòu)的框架柱主要承受軸力為主，本文通過(guò)對(duì)典型截面的鋼管混凝土組合柱、型鋼混凝土組合柱以及鋼管混凝土疊合柱在軸壓承載力相同的情況下，比較其柱截面的大小、柱用鋼量的大小，所得結(jié)論可能框架柱的選型提供參考。

算例的計(jì)算條件：假定底層層高4.2 m，柱計(jì)算長(zhǎng)度取1.5H(6 300 mm)；僅考慮軸壓，在鋼管混凝土柱和型鋼混凝土柱的軸壓承載力相同的情況下對(duì)比柱截面大小；鋼材均選用Q345B，混凝土均選用C60；柱控制軸力約為60 000 kN；鋼管混凝土柱鋼管選用φ1200×25，型鋼混凝土柱中的型鋼選用十字形截面。鋼管混凝土疊合柱截面選用1 300 mm×1 300 mm(計(jì)算時(shí)，均不考慮初始偏心的影響)。表1 給出了算例計(jì)算獲得鋼管混凝土柱、鋼管混凝土疊合柱與型鋼混凝土柱材料用量的比較。

對(duì)比可知，對(duì)于本典型計(jì)算參數(shù)條件下，在滿足承載力要求的情況下，型鋼混凝土柱截面面積約為鋼管混凝土柱截面面積的1.73倍，用鋼量約為1.3倍；型鋼混凝土截面面積為鋼管混凝土疊合柱截面面積的1.16倍，用鋼量約為1.35倍。從地鐵上蓋物業(yè)的特點(diǎn)具體分析，綜合材料用量和建筑效果，對(duì)于上部有物業(yè)開(kāi)發(fā)的框架柱，建議采用鋼管混凝土疊合柱這種鋼-混凝土組合柱。

2 新型組合柱節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)與研究

通常地鐵上蓋物業(yè)的框架梁常采用鋼筋混凝土梁；鋼管混凝土和鋼管混凝土疊合柱與鋼筋混凝土梁的節(jié)點(diǎn)通常采用鋼管開(kāi)鋼筋孔的節(jié)點(diǎn)形式，施工較為不便。本文建議一種新型疊合柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造：根據(jù)鋼筋混凝土梁的實(shí)際配筋在鋼管上開(kāi)矩形孔洞使梁中縱向鋼筋可以順利通過(guò)(管壁開(kāi)孔的截面損失率不超過(guò)50 %)，這樣較大的方便了施工，減少施工周期。為研究這類節(jié)點(diǎn)的可靠性，本文采用有限元軟件ABAQUS[4]進(jìn)行數(shù)值模擬。

[5]的研究方法，有限元計(jì)算分析時(shí)取其中的節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行分析。邊界條件為：柱上下端為鉸接的邊界條件，梁端采用自由的邊界條件。計(jì)算時(shí)采用兩種加載模式：(1)疊合柱上先施加一定軸向荷載，然后在梁端施加同向荷載直到鋼筋混凝土破壞；(2)疊合柱上先施加一定軸向荷載，然后在梁端施加反向向荷載直到鋼筋混凝土破壞。

圖1給出了典型計(jì)算獲得有限元分析結(jié)果，包括節(jié)點(diǎn)的變形云圖、節(jié)點(diǎn)混凝土主拉應(yīng)力云圖、鋼筋的Mises應(yīng)力云圖和內(nèi)部鋼管的Mises應(yīng)力云圖。從計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在疊合柱上施加0.7的軸壓比后，節(jié)點(diǎn)的破壞先從梁端鋼筋屈服開(kāi)始，且此時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)部鋼管未進(jìn)入屈服狀態(tài)，滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件。

(a) 整體模型

(b) 鋼筋應(yīng)力

(c) 混凝土應(yīng)力圖1 新型鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)有限元分析模型和分析結(jié)果

3 平臺(tái)上蓋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)總高度限值研究

本文建立了典型的地鐵上蓋建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。建筑總高度為70 m(超過(guò)深圳地區(qū)50 m限值)。采用通用有限元軟件ABAQUS，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行研究，以進(jìn)行平臺(tái)上蓋建筑結(jié)構(gòu)高度超過(guò)規(guī)范規(guī)定限值的可能性進(jìn)行探索。為進(jìn)行罕遇地震下結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力彈塑性反應(yīng)分析，將建立一個(gè)三維非線性結(jié)構(gòu)整體分析模型，與彈性分析的模型相對(duì)應(yīng)，通過(guò)保證基本動(dòng)力特性、質(zhì)量等參數(shù)的一致性來(lái)實(shí)現(xiàn)與彈性分析模型相一致。非線性分析計(jì)算模型的幾何模型按照設(shè)計(jì)圖紙的具體尺寸和截面建立。單元類型選取：梁、柱采用三維梁?jiǎn)卧?；剪力墻、樓板采用三維殼單元進(jìn)行模擬。圖2為典型計(jì)算算例的整體結(jié)構(gòu)彈塑性有限元分析模型，平臺(tái)下部為大跨度框架結(jié)構(gòu)，上部為異型剪力墻結(jié)構(gòu)。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，ABAQUS彈性模型與ETABS軟件[6]彈性分析模型的動(dòng)力特性是一致的，用于罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的計(jì)算模型是準(zhǔn)確的。按照抗震規(guī)范要求，罕遇地震彈塑性時(shí)程分析所選用的單條地震波需滿足以下頻譜特性：特征周期與場(chǎng)地特征周期接近、最大峰值符合規(guī)范要求(7度0.10g為220 cm/s2)、持續(xù)時(shí)間為第一周期的5～10倍[7]，取15 s，輸入地震波采用EI centro波。

在15 s時(shí)刻，最大受壓損傷因子接近為0.7，其余部分剪力墻混凝土的受壓損傷因子仍在0.05以下。隨著地震的持續(xù)輸入，剪力墻開(kāi)始受拉損傷因子和出現(xiàn)受拉損傷的區(qū)域也不斷增加，同時(shí)剪力墻的受拉損傷因子繼續(xù)增加。在15 s時(shí)，本計(jì)算模型中的三片剪力墻的最大受拉損傷因子約為0.9。圖3為剪力墻的最終的受拉損傷云圖。在15 s時(shí)，巨柱中混凝土的受壓損傷因子依然處于一個(gè)很小的數(shù)值，表明在地震波輸入過(guò)程中，上蓋建筑結(jié)構(gòu)的巨柱一直處于受壓彈性的工作狀態(tài)。在15 s時(shí)刻，局部巨柱混凝土的最大受拉損傷因子約為0.8，說(shuō)明此時(shí)該局部混凝土受拉塑性應(yīng)變較大。圖4為底部框架柱的最終的受拉損傷云圖。

圖3 剪力墻的最終受拉損傷云圖

圖4 底部框架柱的最終受拉損傷云圖

計(jì)算結(jié)果表明，最大層間位移角為1/315(X方向，出現(xiàn)在第7層)和1/366(Y方向，出現(xiàn)在第6層)，可見(jiàn)，均遠(yuǎn)小于規(guī)范限值1/50(按鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系取值)的要求，能滿足現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的彈塑性層間位移要求。通過(guò)對(duì)典型計(jì)算模型的整體彈塑性分析可知，只要結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)合理，這類結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下能夠滿足“大震不倒”的性能目標(biāo)。因此，對(duì)應(yīng)這類底部為大尺寸的框架柱，平臺(tái)上部進(jìn)行物業(yè)開(kāi)發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)，突破規(guī)程的相關(guān)高度限值是可能的，當(dāng)然具體的項(xiàng)目要具體分析，本文提供了一種可能的設(shè)計(jì)思路。

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵車(chē)輛段上蓋建筑結(jié)構(gòu)，平臺(tái)下部為大跨度框架結(jié)構(gòu)，平臺(tái)上部為小跨度結(jié)構(gòu)，是一種相對(duì)復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)。

本文就平臺(tái)下部框架柱選型、新型節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)與研究以及平臺(tái)上蓋建筑結(jié)構(gòu)高度超過(guò)規(guī)范規(guī)定限值的可能性進(jìn)行了探索，建議了平臺(tái)下部框架柱可采用鋼管混凝土疊合柱和新型組合柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施。

在對(duì)典型計(jì)算模型的整體彈塑性分析結(jié)果的分析的基礎(chǔ)上，可見(jiàn)這類結(jié)構(gòu)能夠滿足“大震不倒”的性能目標(biāo)，因此作者建議平臺(tái)上部進(jìn)行物業(yè)開(kāi)發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)，突破規(guī)程的相關(guān)高度限值是可能的，但具體項(xiàng)目要進(jìn)行具體的深入的抗震性能分析和試驗(yàn)研究的驗(yàn)證。

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林金洲(1986～)，男，碩士，工程師，從事建設(shè)科技、綠色建筑的研究和項(xiàng)目管理工作；堯國(guó)皇(1980～)，男，博士，高級(jí)工程師，從事建筑工程專業(yè)的教學(xué)工作。

TU973.3+1

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[定稿日期]2016-11-17