杲 穎

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221600)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，部分城市可用地資源越來越缺乏，目前的解決辦法之一就是盤活存量可用地，鼓勵(lì)在新建的地鐵、鐵路站點(diǎn)實(shí)施土地綜合開發(fā)，因此，在進(jìn)行軌道交通建設(shè)時(shí)，通過上蓋物業(yè)進(jìn)行綜合開發(fā)，對土地資源的可持續(xù)利用和發(fā)展有重要意義[1]。

徐州地鐵車輛段場建設(shè)即為上蓋物業(yè)開發(fā)項(xiàng)目，場地內(nèi)地面層為車輛段場用地，二層為住宅汽車庫，同時(shí)作為轉(zhuǎn)換層承托其上若干棟住宅樓。本文以該上蓋開發(fā)項(xiàng)目為例，介紹其結(jié)構(gòu)體系、抗震性能目標(biāo)及相應(yīng)的計(jì)算分析等內(nèi)容，以期為其他類似工程提供參考。

1 工程概述

徐州軌道交通3號線銀山車輛段總用地面積27.4萬m2，上蓋開發(fā)蓋板占地面積15.8萬m2，蓋上進(jìn)行居住建筑物業(yè)開發(fā)，上蓋開發(fā)總建筑面積約36.4萬m2，其中，蓋上住宅建筑面積27.7萬m2。

根據(jù)建質(zhì)[2015]67號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[2]，運(yùn)用庫上蓋高層住宅區(qū)存在一定的平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則問題，且上部豎向構(gòu)件不落地，超出規(guī)范范疇，為超限高層建筑。

2 結(jié)構(gòu)體系與布置

2.1 結(jié)構(gòu)體系

軌道交通物業(yè)開發(fā)大多是在軌道上方跨線建設(shè)，使得上蓋物業(yè)結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件難以豎向連續(xù)貫通，上蓋物業(yè)與蓋下運(yùn)用庫柱網(wǎng)無法對齊，形成了大范圍豎向構(gòu)件的轉(zhuǎn)換，需要在上蓋平臺布置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，即需要使用轉(zhuǎn)換層來完成對上、下不同柱網(wǎng)，不同開間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，并合理解決豎向結(jié)構(gòu)的突變性轉(zhuǎn)化。

采用邁達(dá)斯數(shù)值分析軟件[3-4]，對徐州軌道交通3號線銀山車輛段運(yùn)用庫進(jìn)行了數(shù)值分析。邁達(dá)斯是一種有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析軟件，被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、巖土等領(lǐng)域。本工程運(yùn)用庫大平臺區(qū)域，東西向長約337 m，南北向?qū)捈s264 m。通過設(shè)置南北向2條變形縫，東西向3條變形縫將整個(gè)平臺分為12個(gè)大底盤多塔結(jié)構(gòu)，無地下室，一層為車輛段運(yùn)用庫，結(jié)構(gòu)層高10.0 m，二層為住宅停車庫，結(jié)構(gòu)層高6.0 m，3～13層為上蓋住宅，住宅首層結(jié)構(gòu)層高5.1 m，其余各層結(jié)構(gòu)層高2.9 m，總高度為48.75 m，計(jì)算模型圖如圖1所示。上部住宅的豎向構(gòu)件在住宅停車庫頂板上做轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)形式為帶梁式轉(zhuǎn)換層的框架結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在二層(住宅停車庫層)，各結(jié)構(gòu)基本情況見表1。

圖1 分區(qū)整體模型

2.2 豎向構(gòu)件及樓面布置

本工程在車輛段運(yùn)用庫上設(shè)大平臺頂蓋，頂蓋上設(shè)多個(gè)塔樓。由于蓋下有列車股道、工藝和停車庫要求的限制，車輛段運(yùn)用庫和住宅停車庫采用框架結(jié)構(gòu)，上蓋平臺區(qū)域的高層住宅塔樓采用框架結(jié)構(gòu)。車輛段運(yùn)用庫的框架柱主要截面：2 000 mm×2 200 mm、1 800 mm×2 200 mm等；住宅停車庫框支柱：1 800 mm×1 800 mm、1 600 mm×1 600 mm等；住宅塔樓框架柱：400 mm×400 mm，500 mm×500 mm等。

樓層典型樓板厚度為：二層樓面(運(yùn)用庫頂板)樓板厚200 mm；三層樓面(轉(zhuǎn)換層)樓板厚度為300 mm；四層樓面(住宅首層)樓板厚度為120 mm，其余上部樓板厚度均為100～120 mm；屋面樓板厚度120 mm。

3 超限判別及抗震性能化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)超限判斷

根據(jù)建質(zhì)[2015]067號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》分別針對本項(xiàng)目各分區(qū)的超限類型和超限程度進(jìn)行判斷。

各分區(qū)均存在兩項(xiàng)平面不規(guī)則和三項(xiàng)豎向不規(guī)則：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、剛度突變、構(gòu)件間斷以及承載力突變，超限。局部樓存在塔樓偏置情況，超限。各分區(qū)均為特殊類型高層建筑，超限。

因此可知，本項(xiàng)目各分區(qū)均為超限結(jié)構(gòu)。根據(jù)整體不規(guī)則性的程度，局部主體結(jié)構(gòu)屬于特殊不規(guī)則結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)工程屬于結(jié)構(gòu)抗震超限工程。

3.2 結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)

本工程根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]和JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6]，在滿足國家、地方規(guī)范的同時(shí)，根據(jù)性能化抗震設(shè)計(jì)概念，針對結(jié)構(gòu)超限情況，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素，本項(xiàng)目的性能目標(biāo)選用“C”：多遇地震作用下結(jié)構(gòu)達(dá)到性能水準(zhǔn)“1”的要求，設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)達(dá)到性能水準(zhǔn)“3”的要求，預(yù)估的大震作用下結(jié)構(gòu)達(dá)到性能水準(zhǔn)“4”的要求。

針對本工程高度較小、整體結(jié)構(gòu)除轉(zhuǎn)換層區(qū)域外均較為規(guī)則的特點(diǎn)，對不同類型構(gòu)件(關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件)的性能要求進(jìn)行區(qū)分。性能目標(biāo)涉及的不同類型構(gòu)件具體為：關(guān)鍵構(gòu)件——轉(zhuǎn)換梁及轉(zhuǎn)換柱、車輛段框架柱；普通豎向構(gòu)件——除關(guān)鍵構(gòu)件以外的豎向構(gòu)件；耗能構(gòu)件——除關(guān)鍵構(gòu)件以外的樓層框架梁。主樓框架的抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施：

1)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，合理設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，保證較為合理的結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元尺寸約為100 m×100 m。

2)盡量使上部結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)整、對稱、受力均勻、位移角可控。由于底層和3層(住宅首層)層高較高，形成薄弱層，為調(diào)整剛度比，適當(dāng)加大底層和3層的梁柱截面，并加強(qiáng)配筋。加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層及轉(zhuǎn)換層上一層樓板的厚度和配筋。

3)上部結(jié)構(gòu)柱盡可能落在框架梁及一級次梁上，控制落在二級次梁上柱的數(shù)量，通過適當(dāng)加大轉(zhuǎn)換梁的寬度和高度來增加轉(zhuǎn)換梁的剛度，減少轉(zhuǎn)換梁撓度。轉(zhuǎn)換梁采用預(yù)起拱以減小撓度。

4)計(jì)算樁基沉降，控制相鄰柱(特別是轉(zhuǎn)換柱與非轉(zhuǎn)換柱)的沉降差。本工程結(jié)構(gòu)2層樓面及以下按重點(diǎn)設(shè)防(乙類)設(shè)計(jì)，2層以上按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防(丙類)設(shè)計(jì)。

5)通過豎向構(gòu)件的調(diào)整布置減少整體結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心的偏離，與建筑專業(yè)協(xié)商，適當(dāng)加高周邊梁高，提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

4 小震彈性分析

本工程使用YJK和Midas Buliding兩種三維空間結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計(jì)算比較，按振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算[7]，計(jì)算所得結(jié)果見表2。

表2 整體計(jì)算結(jié)果對比

由表2可知，同一結(jié)構(gòu)使用兩個(gè)軟件計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)總重量、振動(dòng)模態(tài)和周期基本一致，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較小。

風(fēng)荷載(X向、Y向)和地震荷載(X向、Y向)作用下計(jì)算得到的樓層最大層間位移角均小于規(guī)范限值1/550，滿足要求。

JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.4.5條規(guī)定：對于復(fù)雜高層建筑，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與平均值的比值不宜大于1.2倍，不應(yīng)大于1.4倍。各區(qū)在地震作用下計(jì)算得到的樓層最大位移比均小于規(guī)范限值1.4，滿足要求。

分區(qū)兩個(gè)主方向的剛重比均能夠通過JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的整體穩(wěn)定驗(yàn)算，不需要考慮重力二階效應(yīng)。

前述分析結(jié)果表明，在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體性能及結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足規(guī)范規(guī)定，即能夠達(dá)到JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中性能水準(zhǔn)“1”的要求。

5 中震等效彈性分析

本工程采用JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》性能設(shè)計(jì)要求，對于1層、2層(轉(zhuǎn)換層)豎向構(gòu)件在中震下的抗剪抗彎按滿足彈性設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行驗(yàn)算。設(shè)計(jì)采用YJK程序進(jìn)行等效中震驗(yàn)算復(fù)核。

從該區(qū)中選取一個(gè)典型轉(zhuǎn)換柱，選取的柱子尺寸均為1 800 m×1 800 m。柱子的正截面中震彈性驗(yàn)算結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明轉(zhuǎn)換柱均能滿足中震彈性的要求。

圖2 轉(zhuǎn)換柱中震彈性驗(yàn)算

樓板作為主要的水平抗側(cè)力構(gòu)件，與豎向抗側(cè)力構(gòu)件一起形成了一個(gè)完整的抗側(cè)力體系。提供由上到下、由左到右連續(xù)的傳力途徑，確保慣性力的傳遞。樓板在承受和傳遞豎向力的同時(shí)，在地震過程中自始至終地把水平力傳遞和分配給豎向抗側(cè)力構(gòu)件，協(xié)調(diào)同一樓層中豎向構(gòu)件的變形。因此，樓板是強(qiáng)度構(gòu)件。延性耗能機(jī)制不應(yīng)體現(xiàn)在樓板之中。鋼筋混凝土樓板的抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)達(dá)到小震混凝土核心層不裂，中震按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)樓板的抗拉強(qiáng)度，大震仍能繼續(xù)承受豎向荷載作用和地震作用，保持結(jié)構(gòu)完整性。圖3為轉(zhuǎn)換層在地震中樓板的應(yīng)力。

該分區(qū)的X向主拉應(yīng)力最大值為0.282 MPa，Y向主拉應(yīng)力最大值為0.313 MPa，均小于C35混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.20 MPa，滿足中震要求。

圖3 轉(zhuǎn)換層在地震下樓板應(yīng)力

結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在中震作用下采用等效彈性方法分析的性能能夠達(dá)到JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中性能水準(zhǔn)“3”的要求。

6 大震彈塑性分析

采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法，直接模擬結(jié)構(gòu)在地震力作用下的非線性反應(yīng)，該方法未做任何理論的簡化，是目前結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析領(lǐng)域最完善的方法。彈塑性時(shí)程分析采用有限元軟件Midas Buliding，考慮3個(gè)因素：

1)幾何非線性：結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程建立在結(jié)構(gòu)變形后的幾何狀態(tài)上，“P-Δ”效應(yīng)，大變形效應(yīng)等都被精確考慮。

2)材料非線性：直接在材料應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的水平上模擬。

3)動(dòng)力方程積分方法：直接積分，可以準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)。

依照抗震規(guī)范要求，本報(bào)告選用了5組天然波(天然波1～5)和2組人工波(人工波1～2)來進(jìn)行彈塑性分析。7組波包含3個(gè)方向的數(shù)據(jù)：主方向、次方向和豎向。

表3 地震波選取

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的最大層間位移角曲線如圖4～5所示。

在罕遇地震作用下，7條地震波作用下的最大層間位移角均小于層間彈塑性位移角限值(1/50)的要求。

為了解該結(jié)構(gòu)在大震作用下由彈性到屈服以及屈服后階段的全過程行為，判斷結(jié)構(gòu)在大震作用下是否存在可能的薄弱區(qū)，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸發(fā)展進(jìn)行跟蹤觀察[8-9]。

選取該分區(qū)的典型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，X、Y方向作用下塑性鉸的開展情況如圖6～7所示。

在人工波1(ArtWave-RH1TG045)沿Y向?yàn)橹飨蜉斎胂陆Y(jié)構(gòu)破壞程度相對最大，構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)的相對最多。因此，以下僅以人工波1沿Y向?yàn)橹飨蜃饔孟碌慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性鉸分布進(jìn)行分析。

圖4 罕遇地震作用下層間位移角曲線(塔1)

圖5 罕遇地震作用下層間位移角曲線(塔2)

圖6 人工波1在X向計(jì)算結(jié)果

圖7 人工波1在Y向計(jì)算結(jié)果

從圖8～10可以看出，罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換梁(2層)均為第一屈服階段彎曲鉸，未出現(xiàn)第2階段屈服鉸，其余框架梁多數(shù)出現(xiàn)第2階段屈服鉸，但框架梁塑性變形值均在0.01以下，表明轉(zhuǎn)換梁滿足IO(輕微損壞，不屈服)性能水準(zhǔn)，其余框架梁多數(shù)塑性損傷超過IO(輕微損壞，不屈服)性能水準(zhǔn)，均沒有超過LS(中度損壞)性能水準(zhǔn)，框架梁滿足性能水準(zhǔn)4的要求。

圖8 2層框架梁出鉸情況

從圖11～13可以看出，罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換柱及車輛段框架柱(1～2層)均為第一屈服階段彎曲鉸，未出現(xiàn)第2階段屈服鉸，其余框架柱少數(shù)出現(xiàn)第2階段屈服鉸，主要集中在塔樓首層(3層)，但框架柱塑性變形值均在0.01以下，表明轉(zhuǎn)換柱及車輛段框架柱滿足IO(輕微損壞，不屈服)性能水準(zhǔn)，其余框架柱少數(shù)塑性損傷超過IO(輕微損壞，不屈服)性能水準(zhǔn)，均沒有超過LS(中度損壞)性能水準(zhǔn)，框架柱滿足JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中性能水準(zhǔn)“4”的要求[10-11]。

圖9 1、3層以上框架梁出鉸情況

圖10 框架梁塑性變形值

圖11 1～2層框架柱出鉸情況

圖12 3層以上框架柱出鉸情況

綜前所述，結(jié)構(gòu)在大震輸入下的彈塑性反應(yīng)及破壞機(jī)制符合結(jié)構(gòu)抗震工程的概念設(shè)計(jì)要求，抗震性能夠達(dá)到JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中性能水準(zhǔn)“4”的抗震性能目標(biāo)要求。

圖13 框架柱塑性變形值

7 結(jié)論

根據(jù)建質(zhì)[2015]067號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》的要求，對該超限高層建筑進(jìn)行了靜力彈性及對比分析、中震等效彈性分析、大震動(dòng)力彈塑性分析及構(gòu)件的各種性能目標(biāo)驗(yàn)算。各項(xiàng)分析結(jié)果表明：目前選取的結(jié)構(gòu)體系成立，結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠滿足擬定的抗震性能目標(biāo)，各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)能達(dá)到規(guī)范的要求。

本工程雖然存在超限情況，但通過結(jié)構(gòu)的合理布置調(diào)整和對關(guān)鍵構(gòu)件的加強(qiáng)，可以滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求和本工程的抗震性能目標(biāo)要求。通過對結(jié)構(gòu)薄弱部位采取合理的加強(qiáng)和構(gòu)造措施，本工程的結(jié)構(gòu)安全性能能夠得到保證，并能滿足建筑物的使用要求。