地鐵車(chē)輛段上蓋結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)探討分析

劉齊霞

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司廣州510010）

0 引言

地鐵車(chē)輛段是保證地鐵正常運(yùn)營(yíng)的綜合性基地，主要用于地鐵車(chē)輛停放、檢修、整備等，一般占地面積較大［1］。通過(guò)在地鐵車(chē)輛段上部加蓋一層或兩層樓板形成蓋板，在蓋板上進(jìn)行物業(yè)開(kāi)發(fā)，從而形成地鐵車(chē)輛段上蓋。由于地鐵車(chē)輛段上蓋集地鐵、居住、商業(yè)等多種功能為一體，促進(jìn)土地集約化利用，并且能夠反哺軌道交通建設(shè)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益［2］，因此得到推廣利用。

地鐵車(chē)輛段上蓋的蓋上結(jié)構(gòu)形式含框架和剪力墻等，高烈度區(qū)一般采用剪力墻+隔震層的結(jié)構(gòu)體系。蓋上住宅的主流結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)［3］。圖1為典型的地鐵車(chē)輛段上蓋剖面圖，圖2 為典型的地鐵車(chē)輛段上蓋轉(zhuǎn)換區(qū)域平面圖。分析可得，該類(lèi)型結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①無(wú)地下室，需要靠樁基或淺基礎(chǔ)承擔(dān)水平作用力；②蓋下車(chē)輛段層跨度大，上部開(kāi)發(fā)物業(yè)跨度小，在蓋上設(shè)置轉(zhuǎn)換層對(duì)上部開(kāi)發(fā)物業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，造成大范圍豎向構(gòu)件被轉(zhuǎn)換，甚至需二次轉(zhuǎn)換，形成框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；③蓋下車(chē)輛段層層高大，蓋上開(kāi)發(fā)物業(yè)層高小，造成底層剛度和承載力不足，容易引起車(chē)輛段層同時(shí)為軟弱層和薄弱層情況。

因此，地鐵車(chē)輛段上蓋結(jié)構(gòu)一般會(huì)在適用高度、平面及豎向規(guī)則性上的多項(xiàng)控制指標(biāo)超過(guò)現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的限值，屬于復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu)。需要對(duì)其進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合工程結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)和超限情況，進(jìn)行針對(duì)性的加強(qiáng)措施和補(bǔ)充分析。

圖1 典型地鐵車(chē)輛段上蓋結(jié)構(gòu)剖面Fig.1Sectionof the Overhead Structure of MetroDepot

圖2 典型地鐵車(chē)輛段上蓋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換區(qū)域平面Fig.2 The Transfer Area Floor Plan of the Overhead Structure of Metro Depot

1 地鐵車(chē)輛段上蓋結(jié)構(gòu)案例

某地鐵車(chē)輛段上蓋住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖3 所示。結(jié)構(gòu)總高度113.15 m，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層以上33 層，共35 層，無(wú)地下室，梁式轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)位置位于7 度區(qū)，基本地震加速度0.1g，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，抗震等級(jí)除框支框架特一級(jí)外，其余均為一級(jí)。

圖3 地鐵車(chē)輛段上蓋結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面Fig.3 The Standard Floor Plan of The Overhead Structure of Metro Depot

結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸方面，對(duì)于車(chē)輛段層和轉(zhuǎn)換層的框支柱和剪力墻：除中間區(qū)域的6 根大柱（1.5 m×2.9 m）外，其余的為鋼管混凝土柱（1.0 m×1.5 m，鋼管壁厚30 mm），短剪力墻200～600 mm厚。轉(zhuǎn)換梁截面尺寸：轉(zhuǎn)換主梁主要1.0 m×2.0 m和1.5 m×2.0 m，內(nèi)含1 500 mm×100 mm×25 mm×25 mm 抗剪鋼板；轉(zhuǎn)換次梁主要1.5 m×2.0 m 和2.0 m×2.0 m。轉(zhuǎn)換區(qū)域樓板厚度250 mm，上部剪力墻截面200～400 mm。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)方面，車(chē)輛段層和轉(zhuǎn)換層的框支柱和剪力墻為C60，轉(zhuǎn)換區(qū)域梁板為C50，轉(zhuǎn)換層以上的住宅剪力墻為C60～C35（約5層變一次強(qiáng)度），住宅部分梁板為C30?？辜翡摪搴弯摴苤摬膹?qiáng)度等級(jí)為Q345。

該結(jié)構(gòu)超過(guò)現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的適用范圍，存在多項(xiàng)平面和豎向的超限情況，屬于B 級(jí)高度特別不規(guī)則超限高層結(jié)構(gòu)。因此，需對(duì)其進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)，并采取針對(duì)性的加強(qiáng)措施和補(bǔ)充分析。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)及設(shè)計(jì)原則

針對(duì)地鐵車(chē)輛段上蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用“強(qiáng)轉(zhuǎn)換弱上部”原則進(jìn)行設(shè)計(jì)?；谖墨I(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］高層結(jié)構(gòu)相關(guān)的規(guī)定，設(shè)定C級(jí)作為本結(jié)構(gòu)的整體抗震性能目標(biāo)，而框支框架部分則需達(dá)到B級(jí)的相應(yīng)要求。在不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件具體抗震性能目標(biāo)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)Tab.1 The Seismic Performance Objectives of Structure Member

利用PKPM2010V4.3.4 對(duì)該結(jié)構(gòu)在不同地震性能水準(zhǔn)下分別進(jìn)行彈性和等效彈性分析，保證滿足相應(yīng)規(guī)范和抗震性能目標(biāo)要求，并按照如表2 的性能包絡(luò)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

表2 包絡(luò)設(shè)計(jì)原則Tab.2 Envelope Design Principles

針對(duì)該工程結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)和超限情況，進(jìn)行針對(duì)性的加強(qiáng)措施如表3所示。

表3 加強(qiáng)措施Tab.3 Strengthening Measures

3 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性驗(yàn)證

對(duì)該結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)原則和加強(qiáng)措施進(jìn)行設(shè)計(jì)后，采用PKPM-SAUSAGE2019 進(jìn)行基于罕遇地震作用下的相應(yīng)動(dòng)力彈塑性分析［6］，驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)。

3.1 構(gòu)件性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定

PKPM-SAUSAGE2019 通過(guò)混凝土受拉損壞系數(shù)Dt、混凝土受壓損壞系數(shù)Dc和鋼筋（鋼材）塑性應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值εp/εy評(píng)價(jià)構(gòu)件性能，將構(gòu)件性能水平劃分為 6 個(gè)水平，1 是無(wú)損壞、2 是輕微損壞、3 是輕度損壞、4是中度損壞、5是重度損壞、6是嚴(yán)重?fù)p壞。

3.1.1 混凝土受拉和受壓損壞系數(shù)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，允許混凝土出現(xiàn)受拉損壞，為避免誤判構(gòu)件的性能水平，混凝土受拉損壞系數(shù)Dt除無(wú)損壞定為0，其他性能水平均定為1。

不同性能水平下混凝土受壓損壞系數(shù)Dc的確定方法含規(guī)范損壞因子、Najar 損壞理論、Sidiroff 能量等價(jià)理論、Mander 模型和經(jīng)驗(yàn)公式法等［7］，其中《建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)規(guī)程：DBJ/T 15-151-2019》［8］中給出的非約束混凝土材料本構(gòu)，可以求出規(guī)范損壞因子受壓損壞演化參數(shù)dc、基于Mander模型的無(wú)約束混凝土受壓損壞系數(shù)Dc，而提供約束混凝土材料本構(gòu)模型，則可求出基于Mander模型的約束混凝土受壓損壞系數(shù)Dc?？紤]最不利情況，定12 000×10-6為混凝土極限壓應(yīng)變?chǔ)與u的取值［9］。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，6個(gè)性能水平對(duì)應(yīng)的混凝土壓應(yīng)變限值依次為2 000×10-6、4 000×10-6、6 400×10-6、εcu、1.5εcu、1.8εcu。

混凝土塑性損壞模型（CDP 模型）通過(guò)剛度退化比值來(lái)定量混凝土的損壞［10］，受壓損壞演化參數(shù)dc和受壓損壞系數(shù)Dc與剛度退化的關(guān)系分別如下［7］：

式中：E0為混凝土初始彈性模量；Edc為基于彈性損壞模型的不考慮塑性應(yīng)變的受壓混凝土彈性模量；EDc為受壓混凝土卸載/再加載的考慮塑性應(yīng)變的變形模量。

基于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50010-2010》［11］和文獻(xiàn)［8］，求得C50 混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度平均值fcm為42.9 MPa，進(jìn)一步求得混凝土峰值應(yīng)變?chǔ)與m為1 825×10-6，通過(guò)換算，得到不同壓應(yīng)變情況下，C50混凝土非約束情況下及約束情況下的受壓損壞系數(shù)如圖4所示。

通過(guò)圖4a 分析可得，在輕微損壞時(shí)，C50 混凝土受壓損壞演化參數(shù)dc近0.88，受壓損壞系數(shù)Dc近0.73，取值較大。并且，對(duì)于受壓損壞演化參數(shù)dc，其基于彈性損壞模型，未考慮混凝土塑性應(yīng)變；而對(duì)于無(wú)約束混凝土情況下的受壓損壞系數(shù)Dc，其不符合文獻(xiàn)［8］中確定各個(gè)性能水平時(shí)考慮混凝土配筋的基本前提。因此，受壓損壞演化參數(shù)dc和無(wú)約束混凝土的受壓損壞系數(shù)Dc，不能作為受壓混凝土的損壞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

由圖4b 可知，C50 混凝土在考慮鋼筋約束情況下，未損壞的應(yīng)變界限超過(guò)混凝土峰值應(yīng)變?chǔ)與m，這是因?yàn)榛炷翍?yīng)變達(dá)到2 000×10-6時(shí)，內(nèi)部裂縫微小，卸載后裂縫閉合，不需修理即可使用［9］。受壓損壞系數(shù)Dc在輕微損壞時(shí)約為0.59，隨著應(yīng)變?cè)黾悠渲第吔?.75。圖5繪出6個(gè)性能水平下Dc隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的變化情況，可以看出應(yīng)變值越小，Dc受混凝土強(qiáng)度的影響越大，但當(dāng)在同一應(yīng)變情況下時(shí)，Dc則隨混凝土強(qiáng)度增大而減小。為具有通用性，并便于區(qū)分，定6個(gè)性能水平下的受壓損壞系數(shù)限值Dc依次為0.10、0.50、0.55、0.60、0.65、0.75。

圖4 C50混凝土受壓損壞系數(shù)Fig.4 Compression Damage Coefficient of C50 Concrete

3.1.2 鋼筋（鋼材）塑性應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值

本工程采用鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，基于文獻(xiàn)［11］求得fy/Es為1 800×10-6。鋼筋的極限拉應(yīng)變?chǔ)舠u通常介于 0.10～0.15［8］，按照 0.10 取值。按照鋼筋和鋼材的最不利情況取值，根據(jù)文獻(xiàn)［8］中規(guī)定，6 個(gè)性能水平下的材料應(yīng)變限值依次為無(wú)損壞1 800×10-6、輕微損壞 10 000×10-6、輕度損壞 15 000×10-6、中度損壞25 000×10-6、重度損壞 40 000×10-6、嚴(yán)重?fù)p壞 60 000×10-6。因此，6個(gè)性能水平下，εp/εy限值依次為0、4、7、12、21、32。

因此，構(gòu)件性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

3.2 構(gòu)件性能目標(biāo)驗(yàn)證

圖5 約束混凝土受壓損壞系數(shù)隨混凝土強(qiáng)度變化Fig.5 The Compressive Damage Coefficient of Confined Concrete Varies with the Concrete Strength

表4 性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Performance Evaluation Criteria

選用滿足規(guī)范要求地震波對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震動(dòng)力彈塑性分析。其中，人工波RH2TG040 的層間位移角最大，選用其對(duì)結(jié)構(gòu)損壞情況進(jìn)行描述。該條地震波特征周期為0.40 s，有效持續(xù)時(shí)間23 s，滿足要求。在結(jié)構(gòu)前三周期點(diǎn)的加速度與規(guī)范譜差值分別為-14.10%、-12.75%、-11.34%，滿足20%限值以內(nèi)的要求。計(jì)算大震彈塑性基底剪力與大震彈性基底剪力的比值發(fā)現(xiàn)，0°工況下 X 向比值為 0.86，90°工況下Y 向比值為0.91，此結(jié)果表明結(jié)構(gòu)X 向剛度退化相對(duì)Y 向多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震力下降。通過(guò)上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到構(gòu)件性能如圖6、圖7所示。

各性能水平下構(gòu)件統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

綜合圖6～圖8 構(gòu)件損壞情況表明：①框支框架：處于輕微損壞及以下，滿足性能水平輕微損壞要求；②剪力墻：結(jié)構(gòu)大部分剪力墻未出現(xiàn)明顯受壓損壞，鋼材大部分保持彈性，大部分構(gòu)件均在輕度損壞以下。其中底部加強(qiáng)部位剪力墻均處于輕度損壞及以下，滿足輕度損壞性能水平要求。非底部加強(qiáng)部位少量剪力墻角部出現(xiàn)小范圍中度損壞，滿足部分構(gòu)件中度損壞性能水平要求；③結(jié)構(gòu)連梁損壞程度較大，接近50%處于損壞狀態(tài)，起到耗能作用?？蚣芰航咏?0%處于損壞狀態(tài)，均處于中度損壞及以下，起到一定的耗能作用。因此耗能構(gòu)件達(dá)到規(guī)定的性能水平要求；④轉(zhuǎn)換區(qū)域樓板：樓板整體上損壞程度較低，少量樓板受壓損壞，滿足性能水平輕微損壞要求。

圖6 RH2TG040 0°工況構(gòu)件性能Fig.6 RH2TG040 0° Structure Member Performance

圖7 RH2TG040 90°工況構(gòu)件性能Fig.7 RH2TG040 90° Structure Member Performance

因此，對(duì)該結(jié)構(gòu)采取的抗震性能設(shè)計(jì)原則和加強(qiáng)措施，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

4 結(jié)論

地鐵車(chē)輛段上蓋這種土地開(kāi)發(fā)和利用模式存在優(yōu)點(diǎn)，使其逐漸成為城市地鐵沿線物業(yè)開(kāi)發(fā)的主要方式。由于地鐵車(chē)輛段上蓋結(jié)構(gòu)存在的特點(diǎn)，一般屬于復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu)。本文對(duì)該類(lèi)型結(jié)構(gòu)提出針對(duì)性的抗震性能設(shè)計(jì)原則和加強(qiáng)措施，并通過(guò)理論推導(dǎo)確定不同性能水平下，構(gòu)件性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)混凝土受拉損壞系數(shù)Dt、混凝土受壓損壞系數(shù)Dc和鋼筋（鋼材）塑性應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值εp/εy，之后利用PKPM-SAUSAGE2019進(jìn)行基于罕遇地震作用下的相應(yīng)動(dòng)力彈塑性分析，結(jié)果表明提出的抗震性能設(shè)計(jì)原則和加強(qiáng)措施的正確性，可以為后續(xù)地鐵車(chē)輛段上蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

圖8 構(gòu)件性能統(tǒng)計(jì)Fig.8 The Statistical Chart of Structure Member Performance