星火TOD交通樞紐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石 異， 李華峰， 李偉強(qiáng)， 束偉農(nóng)， 周 鋼， 王 媛， 周忠發(fā)， 崔建華

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100045)

0 引言

Transit-Oriented-Development (TOD)是“以公共交通為導(dǎo)向”的開發(fā)模式，在國際上是具有代表性的城市社區(qū)開發(fā)模式?，F(xiàn)代城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，TOD交通樞紐起到了重要的促進(jìn)作用，這也是帶動(dòng)城市流動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，對(duì)提升公共空間的品質(zhì)和實(shí)現(xiàn)土地與城市的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

1 工程概況

星火TOD項(xiàng)目位于北京市東四環(huán)與東五環(huán)之間，南臨姚家園路,北臨姚家園北街。規(guī)劃總用地面積約5.44萬m2，總建筑面積約17.2萬m2，其中地上建筑面積約3.1萬m2，地下建筑面積約14.1萬m2(其中含地鐵車站面積約3.9萬m2)，是一座集鐵路、軌道交通、公交、出租車、網(wǎng)約車、社會(huì)車等多種交通接駁方式于一體的綜合交通樞紐，建筑效果圖見圖1。

圖1 星火TOD效果圖

本項(xiàng)目地上結(jié)構(gòu)由三座鋼結(jié)構(gòu)單體建筑組成，中間設(shè)置變形縫(圖2中虛線所示)分開，形成三個(gè)結(jié)構(gòu)單元，屋頂平面結(jié)構(gòu)單元分縫如圖2所示，結(jié)構(gòu)單元分塔立面示意圖如圖3所示。

圖2 屋頂平面結(jié)構(gòu)單元分縫示意圖

圖3 結(jié)構(gòu)單元分塔立面示意圖

項(xiàng)目北側(cè)結(jié)構(gòu)地上共2層，建筑高度15.7m，功能為公交樓，地上1層為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)單元1，地上2層為鋼框架結(jié)構(gòu)，含結(jié)構(gòu)單元1和結(jié)構(gòu)單元2。項(xiàng)目南側(cè)結(jié)構(gòu)建筑高度10.5m，功能為樞紐大廳，地上共2層(包含局部夾層)，結(jié)構(gòu)體系為巨柱+支撐鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)單元3，網(wǎng)格巨柱效果圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格巨柱效果圖

本項(xiàng)目地下共5層，與下穿地鐵車站采用共構(gòu)方式成為一個(gè)整體，地下結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。其中地下5層為R4號(hào)站臺(tái)層，地下4層為M3號(hào)站臺(tái)層，地下3層南側(cè)為地鐵站廳層，北側(cè)為公交樓，地下2層和地下1層的北側(cè)為公交樓，南側(cè)為樞紐大廳。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，其中地鐵車站設(shè)計(jì)使用年限100年；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別乙類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)；設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g；設(shè)計(jì)地震分組第二組；結(jié)構(gòu)阻尼比2%(鋼結(jié)構(gòu))，5%(混凝土)。

2 結(jié)構(gòu)布置

采用MIDAS進(jìn)行建模，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型如圖5所示，結(jié)構(gòu)分層布置圖如圖6所示。

圖5 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型

圖6 結(jié)構(gòu)分層布置圖

本項(xiàng)目地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)軸網(wǎng)尺寸主要為9m×9m。項(xiàng)目地下5層為R4號(hào)站臺(tái)層，三跨島式車站，橫向跨度分為10.5，9，10.5m，中柱為直徑1 200mm的鋼筋混凝土圓柱，頂縱梁截面為1 000×1 400，底縱梁截面為1 800×2 600，底板厚度1 800mm，外墻厚度1 300mm，頂板厚度450mm。地下4層為M3號(hào)站臺(tái)層，三跨島式車站，橫向跨度分為10.5，9，10.5m，中柱為直徑1 000mm的鋼筋混凝土圓柱，雙向頂縱梁截面為1 000×1 200，底縱梁截面為1 600×2 400，底板厚度1 500mm，外墻厚度1 200mm，頂板厚度800mm。地下3層南側(cè)為地鐵站廳層，站廳層鋼筋混凝土圓柱直徑為1 000，1 200mm，雙向頂縱梁截面為1 000×1 200，雙向底縱梁截面為1 200×1 800，底板厚度1 000mm，頂板厚度450mm，外墻厚度1 000mm。

其余非地鐵功能區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)(包含地下3層北側(cè)區(qū)域公交樓，地下2層、地下1層以及地上1層北側(cè)公交樓)的鋼筋混凝土圓柱直徑主要為1 000，1 200mm，混凝土結(jié)構(gòu)梁截面為600×800和800×1 000，剪力墻厚度300，400mm，地下室外墻厚度400,500,600mm，混凝土樓板厚度250mm。

本項(xiàng)目地上鋼結(jié)構(gòu)的北側(cè)結(jié)構(gòu)單元1和結(jié)構(gòu)單元2的鋼框架柱網(wǎng)尺寸主要為9m×9m，局部柱網(wǎng)尺寸為9m×18m，鋼柱直徑為500,600mm，鋼梁截面為□600×150×10×20，□400×100×8×16。地上鋼結(jié)構(gòu)南側(cè)結(jié)構(gòu)單元3的支撐鋼網(wǎng)殼的巨柱跨度約80.5m，柱底直徑寬度約5.5m，頂部直徑展開寬度約42m，鋼網(wǎng)殼截面為□600×200×10×20，網(wǎng)格巨柱截面為□600×250×10×20，斜撐直徑為700mm，支撐鋼網(wǎng)殼的巨柱立面圖如圖7所示。鋼框架屋面為金屬屋面，網(wǎng)殼屋面的中央?yún)^(qū)域?yàn)椴Ａ粔Γ膫€(gè)角部區(qū)域?yàn)殇摻铊旒軜菍影逦菝妗?/p>

圖7 網(wǎng)殼巨柱立面圖

3 地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算

3.1 地震動(dòng)計(jì)算方法

隨著TOD交通樞紐不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜。雖然地下結(jié)構(gòu)比地上結(jié)構(gòu)有較好的抗震性能，但地下結(jié)構(gòu)破壞所造成的災(zāi)難后果遠(yuǎn)大于地上結(jié)構(gòu)的破壞，因此地下結(jié)構(gòu)抗震既不能忽略，也不等同于地上結(jié)構(gòu)。

目前，地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的方法有很多，如反應(yīng)譜法、擬靜力法、反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法、采用有限元法的動(dòng)力時(shí)程分析法。

動(dòng)力時(shí)程分析方法作為一種縝密的分析手段主要用于深入分析地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，但其計(jì)算量較大且對(duì)于模型的處理比較復(fù)雜，一般地下工程主要以反應(yīng)位移法為主要計(jì)算方法。本文結(jié)合本工程的特點(diǎn)，采取反應(yīng)位移法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算分析，采用巖土與結(jié)構(gòu)三維動(dòng)力時(shí)程法進(jìn)行整體抗震校核設(shè)計(jì)以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

3.2 反應(yīng)位移法進(jìn)行地鐵站區(qū)域的抗震設(shè)計(jì)

目前在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛的方法是反應(yīng)位移法，即天然土層在不同深度上的反應(yīng)位移不同，地下結(jié)構(gòu)在不同深度上必然產(chǎn)生位移差，將該位移差以強(qiáng)制位移形式施加在地下結(jié)構(gòu)，并將其與其他工況荷載進(jìn)行組合，按照靜力問題進(jìn)行計(jì)算，得到地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力內(nèi)力和組合內(nèi)力[1]。

本項(xiàng)目平面及豎向尺寸變化較大，先僅以東西向代表性剖面為例說明。地面以下結(jié)構(gòu)按照反應(yīng)位移法計(jì)算得到的地震作用下的動(dòng)力內(nèi)力和組合內(nèi)力輸入，地面以上的結(jié)構(gòu)按荷載輸入。

計(jì)算采用MIDAS2019程序，步驟如下[2]：1)確定地基彈簧剛度系數(shù)，根據(jù)基床系數(shù)計(jì)算土層分層厚度和單元尺寸的地基彈簧剛度系數(shù)；2)土層的相對(duì)位移取各結(jié)構(gòu)單元與結(jié)構(gòu)底部處的自由土層地震反應(yīng)位移之差，在地基彈簧遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)側(cè)結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)處施加等效荷載；3)確定結(jié)構(gòu)慣性力，采用地震動(dòng)峰值加速度乘以結(jié)構(gòu)單元質(zhì)量確定結(jié)構(gòu)慣性力，作為集中力作用在結(jié)構(gòu)形心上；4)結(jié)構(gòu)周邊地層剪力，可由一維土層地震反應(yīng)分析結(jié)果確定；5)建立地下結(jié)構(gòu)橫截面靜力計(jì)算模型，在結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)上施加等效靜力荷載、結(jié)構(gòu)慣性力及結(jié)構(gòu)側(cè)壁剪力和地上結(jié)構(gòu)傳來的荷載。

結(jié)構(gòu)在E2地震(中震)作用下，M3號(hào)站臺(tái)層結(jié)構(gòu)彈性層間位移角為1/1 282，站廳層結(jié)構(gòu)彈性層間位移角為1/1 549，均滿足規(guī)范限值1/550的要求，反應(yīng)位移法位移云圖見圖8。

圖8 反應(yīng)位移法位移云圖

3.3 巖土與結(jié)構(gòu)三維動(dòng)力時(shí)程法進(jìn)行整體抗震校核

為了分析地鐵車站的抗震性能，針對(duì)復(fù)雜車站目前普遍采用時(shí)程分析法進(jìn)行整體抗震變形校核[3-4]。因?yàn)樵陔p線換乘車站上部建設(shè)交通樞紐，所以在大空間、大跨度情況下，整體結(jié)構(gòu)的抗震變形計(jì)算分析更加復(fù)雜。采用巖土與結(jié)構(gòu)三維動(dòng)力時(shí)程法分析計(jì)算項(xiàng)目在E2(中震)和E3(大震)地震作用下的變形，分析其抗震性能指標(biāo)。

3.3.1 地震動(dòng)參數(shù)

現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[5]、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50909—2014)[6]、《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51336—2018)[7]均規(guī)定當(dāng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)，應(yīng)采用不少于3組設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)程。當(dāng)設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)程少于7組時(shí)，宜取時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)果和反應(yīng)位移法計(jì)算結(jié)果中的較大值；當(dāng)設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)程為7組及以上時(shí)，可采用時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)果和反應(yīng)位移法計(jì)算結(jié)果的平均值。當(dāng)無安全性評(píng)價(jià)部門提供相應(yīng)地震時(shí)程時(shí)，基巖處的地震作用可取地表的1/2。計(jì)算完成后，將計(jì)算后提取的地面地震波與原地面地震波進(jìn)行波形對(duì)比。由于地震波的傳播與巖土層的物理特性以及層厚等有相關(guān)，因此需要反復(fù)調(diào)整基底處地震波，直到計(jì)算后提取的地面地震波形和原地面地震波形相似為止。最后，還需要進(jìn)行地面地震波能量分析，進(jìn)一步對(duì)地震波反演。通過勘察報(bào)告提供的動(dòng)力參數(shù)及縱波波速，修正巖土層層底的地震波速，再次進(jìn)行計(jì)算分析，直到計(jì)算后提取的地面地震波波形以及地震波能量均與原地面地震波相似為止。

本次計(jì)算分析采用的地震輸入為北京地鐵3號(hào)線工程場地地震安全性評(píng)價(jià)部門提供的地震時(shí)程函數(shù)。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)條件，計(jì)算采用50年超越概率為2%(即E3地震作用下)的基巖加速度反應(yīng)譜和峰值加速度以及50年超越概率為10%(即E2地震作用下)的基巖加速度反應(yīng)譜和峰值加速度作為地震動(dòng)時(shí)程合成的反應(yīng)譜和目標(biāo)峰值，合成了土層地震反應(yīng)分析所需的基巖地震動(dòng)時(shí)程,提供了3條E2地震作用下的加速度時(shí)程和3條E3地震作用下的加速度時(shí)程，E2與E3地震作用的典型波時(shí)程曲線如圖9所示。計(jì)算時(shí)先進(jìn)行了地震波震動(dòng)特性分析，經(jīng)驗(yàn)證可以滿足本場地抗震計(jì)算。

圖9 典型波時(shí)程曲線

3.3.2 計(jì)算模型

分析采用瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne)開發(fā)的ZSOIL巖土數(shù)值軟件，分析模型及網(wǎng)格劃分如圖10所示。模型頂面自由，四周側(cè)面約束法向位移，底部約束三個(gè)方向的位移。模型尺寸約1 400m×850m×115m。工程樁采用ZSOIL中內(nèi)置的樁單元模擬，該單元由Beam單元及樁側(cè)接觸、樁端接觸整合而成，樁側(cè)接觸面的本構(gòu)關(guān)系符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，樁端接觸面為理想彈塑性的法向彈簧，并滿足下式關(guān)系：

圖10 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

τ=σntanφ+c

ft=0

3.3.3 E2地震作用下分析結(jié)果

E2地震作用下，地下結(jié)構(gòu)X向最大絕對(duì)位移云圖見圖11。通過計(jì)算可知M3號(hào)站廳層主體結(jié)構(gòu)的最大相對(duì)水平位移峰值7.6mm，最大層間位移角1/1 211；M3號(hào)站臺(tái)層主體結(jié)構(gòu)的最大相對(duì)水平位移峰值13.8mm，最大層間位移角1/717。R4號(hào)站廳層主體結(jié)構(gòu)的最大相對(duì)水平位移峰值8.1mm，最大層間位移角1/926；R4號(hào)中間層主體結(jié)構(gòu)的最大相對(duì)水平位移峰值9.8mm，最大層間位移角1/939。以上層間位移角均小于規(guī)范限值1/550，滿足E2地震作用下抗震性能Ⅰ(即地震后結(jié)構(gòu)不破壞或輕微破壞，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài))的要求。

圖11 E2地震作用下X向最大絕對(duì)位移云圖/mm

3.3.4 E3地震作用下分析結(jié)果

E3地震作用下，地下結(jié)構(gòu)X向最大絕對(duì)位移云圖見圖12。通過計(jì)算可知M3號(hào)站廳層主體結(jié)構(gòu)的最大相對(duì)水平位移峰值為16.6mm，最大層間位移角為1/452；M3號(hào)站臺(tái)層主體結(jié)構(gòu)的最大相對(duì)水平位移峰值為22.2mm，最大層間位移角為1/415。R4號(hào)站廳層主體地下結(jié)構(gòu)的相對(duì)水平位移峰值均較小，其中站廳層主體結(jié)構(gòu)的最大相對(duì)水平位移峰值為14.01mm，最大層間位移角為1/535；中間層主體結(jié)構(gòu)的最大相對(duì)水平位移峰值為14.65mm，最大層間位移角為1/627；站臺(tái)層主體結(jié)構(gòu)的最大相對(duì)水平位移峰值為16.69mm，最大層間位移角為1/593。以上層間位移角均小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50909—2014)7.7.2規(guī)定的彈性位移角限值1/250，滿足E3地震作用下抗震性能Ⅱ(即地震后結(jié)構(gòu)可能破壞，經(jīng)修補(bǔ)后短期內(nèi)應(yīng)能恢復(fù)正常使用，結(jié)構(gòu)局部進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài))的抗震要求。

圖12 E3地震作用下X向最大絕對(duì)位移云圖/mm

4 地上鋼結(jié)構(gòu)分析

4.1 大跨鋼結(jié)構(gòu)屋蓋

北側(cè)結(jié)構(gòu)單元1和結(jié)構(gòu)單元2為鋼框架結(jié)構(gòu)，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算，限于篇幅，以下僅介紹結(jié)構(gòu)單元3的大跨鋼結(jié)構(gòu)屋蓋穩(wěn)定分析。

結(jié)構(gòu)單元3為樞紐大廳，長146.5m，寬146.8m，屋面為曲面，最高處標(biāo)高約9.6m，最低處標(biāo)高約0.45m。樞紐大廳屋蓋網(wǎng)殼示意如圖13所示。樞紐大廳大跨鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用多點(diǎn)支承的單層菱形網(wǎng)格網(wǎng)殼體系，鋼結(jié)構(gòu)主要材料為Q355B。網(wǎng)殼的底部支承結(jié)構(gòu)主要為鋼柱、斜支撐及菱形網(wǎng)格柱，柱頂設(shè)置抗震支座，菱形網(wǎng)格柱與屋面網(wǎng)殼自然銜接為一體，底部支承于-19.2m標(biāo)高處的基礎(chǔ)。

圖13 樞紐大廳屋蓋網(wǎng)殼示意圖

樞紐大廳網(wǎng)殼支承結(jié)構(gòu)及邊界條件示意見圖14，樞紐大廳網(wǎng)殼支撐結(jié)構(gòu)中，幕墻柱、斜支撐為上下鉸接；普通鋼柱底部剛接，頂部設(shè)置水平雙向或單向滑動(dòng)支座(為了釋放溫度內(nèi)力)，部分柱為搖擺柱；格構(gòu)式巨柱中的每個(gè)分肢與基礎(chǔ)鉸接，巨柱頂部與網(wǎng)殼剛接。

圖14 樞紐大廳網(wǎng)殼支承結(jié)構(gòu)及邊界條件示意

4.2 穩(wěn)定性分析

樞紐大廳大跨鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，本文采用ABAQUS軟件進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。以非線性有限元分析方法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)荷載-位移全過程分析可以把結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定和剛度等性能的整個(gè)變化過程表現(xiàn)得十分清楚。在幾何非線性的基礎(chǔ)上，考慮雙重非線性進(jìn)行全過程分析(彈塑性荷載-位移全過程分析)。鋼材采用雙線性隨動(dòng)硬化模型，如圖15所示?？紤]包辛格效應(yīng)，在循環(huán)過程中，鋼材無剛度退化。計(jì)算分析中，設(shè)定鋼材的強(qiáng)屈比為1.2，極限應(yīng)變?yōu)?.025。選取1.0恒荷載(包括自重)+1.0活荷載作為基準(zhǔn)荷載，荷載系數(shù)為基準(zhǔn)荷載的加載倍數(shù)。整體結(jié)構(gòu)的初始缺陷對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)特征值整體屈曲的第一階模態(tài)。構(gòu)件綜合缺陷代表值根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[8]確定為桿件長度的1/350。

圖15 雙線性隨動(dòng)硬化模型

由圖15可知，考慮桿件初始缺陷情況下，結(jié)構(gòu)的極限荷載可達(dá)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的3.64倍，加載系數(shù)K=3.64時(shí)屋蓋構(gòu)件塑性應(yīng)變分布如圖16所示。從圖16可得，屋蓋構(gòu)件滿足加載系數(shù)K>2的要求，進(jìn)入屈服階段的構(gòu)件主要為與柱或支撐相連的梁單元，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.05×10-5。

圖16 加載系數(shù)K=3.64時(shí)屋蓋構(gòu)件塑性應(yīng)變分布

5 結(jié)語

(1)動(dòng)力時(shí)程方法適用復(fù)雜地質(zhì)條件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，能考慮地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)與巖土的非線性動(dòng)力特征。巖土本構(gòu)地質(zhì)參數(shù)選取和基巖地震波的輸入對(duì)動(dòng)力時(shí)程方法的結(jié)果有一定影響，需要對(duì)此研究充分，建議進(jìn)行地震安評(píng)，由專業(yè)部門提供計(jì)算所需要的巖土參數(shù)與基巖地震波。

(2)通過地下及地上整體抗震計(jì)算，采用巖土與結(jié)構(gòu)三維動(dòng)力時(shí)程法進(jìn)行整體抗震校核設(shè)計(jì)，更加真實(shí)地反映了巖土的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了工程的安全性，建議類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程參考應(yīng)用。