地鐵上蓋物業(yè)開發(fā)結構形式對比與研究

雷海明

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 工程概況

項目位于貴陽市云巖區(qū)貴遵高速公路與三橋北路交叉口南側地塊內，為輕軌2#線三橋站上蓋物業(yè)。2#線一期穿過該地塊在地下設置地鐵三橋站，車站為地下四層13 m島式站臺，有效站臺長120 m，標準段寬22.3 m，車站總長142.5 m，總建筑面積13 559 m2。車站共設2個出入口，2組風亭，2個出地面消防專用通道。車站1#排風亭與商業(yè)合建出地面，新風亭位于小區(qū)中間綠化范圍內，1#出入口與酒店合建。2#風亭組位于車站南端，垂直穿兩層地下車庫設置為組合風亭。上蓋物業(yè)開發(fā)項目擬建2棟26層住宅樓、1棟13層酒店及部分商業(yè)用房。

2 結構設計原則及重難點

2.1 結構設計原則

(1)基礎置于中風化白云巖與中風化灰質巖中，地基承載力特征值0.5 MPa。

(2)主要構件(即構成主體承重框架且不易維護的構件)的設計使用年限為100年。

(3)主體結構及其相連的重要構件，其安全等級為一級，相應結構重要性系數取1.1；其他次要構件的安全等級為二級，相應結構重要性系數取1.0。

(4)抗震設防烈度為6°。主體結構構件及節(jié)點均按抗震等級三級采取抗震措施(抗震墻抗震等級按二級)，次梁、構造柱、過梁、圈梁等次要構件均按四級采取抗震構造措施[1]。

(5)車站結構按甲類人防工程設計。防核武器抗力等級為6級，防常規(guī)武器抗力等級為6級。

(6)車站結構中主要構件的耐火等級為一級。

(7)鋼筋混凝土構件(不含臨時構件)正截面的裂縫控制等級為三級，即允許出現裂縫。最大計算裂縫寬度允許值：防水混凝土為0.3 mm并不得貫通；內部構件為0.3 mm[2]。

2.2 結構設計重難點

(1)物業(yè)開發(fā)項目與地鐵車站結合，一體化計算和設計是該工程的重難點。

(2)物業(yè)開發(fā)地下室可分為車站區(qū)域和非車站區(qū)域，兩者之間的不均勻沉降是該工程結構設計的難點。

(3)物業(yè)開發(fā)建筑與車站建設時序是該工程必須考慮的重點，如節(jié)點預留和抗浮設計等。

(4)該工程周邊環(huán)境復雜，緊鄰高速公路，場地范圍內坡度變化較大，圍護設計和物業(yè)開發(fā)地下室的抗滑移驗算等是該工程的一個難點。

(5)該工程結構平面和豎向均不規(guī)則，抗震計算和構造是該工程的一個重點內容。

(6)該工程塔樓部分混凝土結構超長設置(不設縫)為一個難點。

2.3 結構設計參數

(1)采用的混凝土等級。①高層住宅：地下負二層～地上六層：墻、柱為C40，梁、板為C30(地下負二層～地下負一層為C35)；其余層墻、柱為C35、梁、板均為C30；②酒店：地下負二層～地上二層：柱為C50，梁、板為C35，其余層柱C40(地上二層～地上四層柱為C45)、梁、板均為C30；③地庫及商鋪：柱為C50，梁、板為C35；④地下室外墻采用C35，筏板基礎采用C35。墊層采用C20。

鋼筋強度等級。該工程鋼筋均采用HRB400級鋼筋。

3 基礎形式對比

按照地勘報告，地下二層底基礎置于中風化白云巖與中風化灰質巖中，地基承載力特征值500 kPa?；A可以采用筏板基礎或者樁基礎。

3.1 筏板基礎

初步設計時，地庫基礎擬采用柱下500 mm厚筏板基礎+下柱墩+抗拔錨桿，建筑外墻下設基礎梁；高層住宅擬采用1 500 mm厚(南側)、1 300 mm厚(北側)筏板基礎。

經計算，地庫筏板基底壓力最大為434 kPa，高層住宅筏板基底壓力最大為486 kPa，均可以滿足地基承載力要求。

3.2 樁基礎

地庫擬采用樁基礎[3]+單樁承臺+防水板的基礎形式，住宅擬采用1300 mm大直徑樁基礎+筏板的基礎形式，樁基均嵌入持力層泥質白云巖。

經計算，地庫單樁豎向承載力特征值為4 300 kN，住宅單樁豎向承載力特征值為5 700 kN，均滿足工程要求。

3.3 兩種基礎經濟性的對比

不考慮上部結構僅對比基礎，樁基礎與筏板基礎對比，兩者均有筏板且厚度相差不大，兩種基礎筏板的差別僅為配筋率，所以筏板的造價對比相差不大。差別主要為樁基礎，對比來看，樁基礎的經濟性較差。

3.4 兩種基礎形式對地鐵基坑及車站側墻的影響

由于考慮施工時序的問題，存在地鐵車站主體或附屬的基坑較物業(yè)部分晚的可能性，需對比兩種基礎形式對基坑的穩(wěn)定性影響。根據巖質部分剖面邊坡穩(wěn)定性計算結果，筏板基礎的邊坡穩(wěn)定系數為0.64，樁基礎的邊坡穩(wěn)定系數則為1.02，雖然兩者都小于1.35，但筏板基礎的下滑力明顯要大于樁基礎。下滑力水平分量施加于地鐵主體結構側墻，并將滑體等效為側壓力對側墻進行受力驗算，筏板基礎時主體側墻根部的裂縫為0.45 mm，樁基礎時的裂縫則為0.21 mm，從安全性考慮，筏板基礎對車站主體基坑及主體側墻的影響要較樁基礎大。

3.5 基礎方案確定

由于項目位于位于貴陽向斜盆地西側抬升地段，巖體完整性較差，有存在溶洞的可能性，并結合當地經驗，考慮到盡可能減小上部物業(yè)結構對地鐵車站的影響，經過專家評審一致認定該工程采用樁基礎較為合適。

4 地庫、裙房結構形式對比

4.1 無梁樓蓋(板柱剪力墻)

項目初步設計階段，由于此處場地受限原因以及結構嵌固深度的緣故，地下室層高受限，故考慮地下結構采用板柱剪力墻形式，水平受力體系采用厚板+暗梁的結構形式，豎向受力體系采用柱帽+框架柱+部分剪力墻。

此方案可滿足較低層高的地下車庫，但由于地勢原因，地下室的側向受力不均勻，因此對于無梁樓蓋來說水平受力構件較少，計算時側向剛度相比典型的有梁體系明顯偏小，且由于車站附屬結構的存在及施工時序的問題，無梁樓蓋系統(tǒng)不能很好的與既有的附屬結構進行有效連接。另一個原因則是地庫屬于超長結構，無梁樓蓋體系如預留貫通式后澆帶，會極大地減弱其整體受力性能。

4.2 框架結構

由于無梁樓蓋體系在該工程中存在的一些缺點，后續(xù)工作中地庫結構形式仍采用典型的框架結構體系。地下結構層高最終定為3.900 m和4.100 m，梁高則根據荷載、相關規(guī)范及計算結構進行控制，雖然其層高較高，但由于工程特點，有梁體系可以靈活處理施工時序問題及與車站附屬結構的連接問題。例如，車站需要提前開通，其上部的物業(yè)開發(fā)還未施工，車站的附屬結構需要先于物業(yè)提早完成，此時附屬結構預留鋼筋待后期施工接駁即可，對于結構的整體受力影響不大，而無梁樓梯在接駁處的抗剪問題較大。

4.3 兩種結構形式經濟性對比

從降低層高來說，無梁樓蓋有較大的優(yōu)勢，但其結構板的厚度及配筋率明顯要增大，再有需要設置暗梁，與典型框架結構在經濟性上差距不大。

5 地上結構形式對比

5.1 帶轉換層結構形式

項目初期由于方案需求及業(yè)主的相關要求，地上結構考慮采用帶轉換層結構形式，轉換層設置于地下室頂板，采用厚板轉換，其上部采用剪力墻結構，地下部分采用部分剪力墻+部分框架柱的結構形式。根據計算結果，在所有參數滿足相關規(guī)范的前提下，轉換處板厚需要取至1 600 mm，地下框支柱跨取8.1 m，并在對應的上部結構對應四角設置350 mm厚的剪力墻，上部結構采用200 mm厚的剪力墻。經建模計算，結構計算的相關指標均能滿足相關規(guī)范要求，但此方案涉及到超限審查問題，且工程造價相對較高。

5.2 剪力墻結構形式

初步設計階段及施工圖階段，隨著項目的不斷深入，后期由于工程造價及工期因素，建筑方案作出相應調整，地上結構采用剪力墻結構。-1層、-2層剪力墻厚度為250 mm，以上采用200 mm厚剪力墻，地下與車庫連接部分設置框架柱，經建模計算其各項計算結構均滿足相關規(guī)范要求。

5.3 地上結構形式經濟性對比

如選擇剪力墻結構形式，工程總量42 232.840 m2，估算總額22 365.34萬元，技術經濟指標0.53萬元/m2。如選擇厚板轉換層結構形式，工程總量43 850.2 m2，估算總額27 157.17萬元，技術經濟指標0.62萬元/m2。

對比兩種結構形式的造價估算，采用帶轉換層的結構形式時，綜合造價每平米比普通剪力墻結構形式超出900元/m2，經濟性顯而易見。

6 變形縫的討論

6.1 伸縮縫

地庫南北方向長約110 m，東西方向長約90 m，所以兩個方向均超相關規(guī)范的規(guī)定，均需設置變形縫或采取其他有效措施。但由于施工工籌考慮先施工地鐵附屬結構，且部分附屬結構在地庫內頂出，間接充當了變形縫的效果，并考慮采取設置溫度后澆帶，再采取低收縮混凝土添加劑、增配構造鋼筋、劃分先后施工區(qū)段等有效措施，設計單位認為能有效解決結構超長問題，可不設伸縮縫。畢竟大面積的伸縮縫都是防水的薄弱點。

圖1 沉降云圖

6.2 沉降縫

地庫中間三跨位于地鐵車站主體結構上方，此部分地庫柱傳力于車站的框架柱，與車站結構變形協調，由于車站的卸荷作用，此部分沉降可忽略不計。其他區(qū)域采用樁基礎，其沉降計算見圖1。云圖中的沉降最大值為2.1 mm，最小沉降值為-0.2 mm，對于橫、縱向均較長的地庫結構，不均勻沉降可忽略不計。從沉降驗算結果看，整體結構(地庫+主樓+裙樓)的沉降均較小，并且在可控范圍內，也不存在不均勻沉降的風險，因此可不設置沉降縫。

6.3 “塔樓偏置”

根據相關規(guī)范要求，當單塔或多塔與大底盤的質心偏心距大于底盤相應邊長20%時，即為“塔樓偏置”，屬于超限高層結構，若要消除超限情況，則需要在裙房設置變形縫。

該工程偏心距計算方法根據相關文獻及規(guī)范，采用裙房屋面以上層多塔的合質心與裙房屋面層的剛心(考慮上部豎向構件傳下來后的軸力)在相應方向上的距離作為偏心距判別標準。

大底盤的剛心為：“Xm=29.34 m，Ym=708.78 m，相鄰層的上部多塔綜合質心：Xm=38.72 m，Ym=717.72 m。Xm為剛度中心在X軸坐標，Ym為剛度中心在Y軸坐標，質心(重心)同理。

計算偏置情況：X向：(38.72-29.34)/97.9=9.58%<20%；Y向：(717.72-708.78)/118=7.78%<20%。

從“塔樓偏置”一項來看，該工程裙房無需設置變形縫。

7 優(yōu)缺點分析與總結

7.1 基礎

從經濟性方面來看筏板基礎的方案要明顯優(yōu)于樁基礎，但由于該工程巖層特性導致上部結構對于地鐵車站側壓力偏大，處于安全考慮該工程選擇樁基礎方案，后續(xù)地鐵上蓋物業(yè)開發(fā)應在方案初期就考慮到上部物業(yè)結構對地鐵車站的影響，對地鐵車站結構做相應加強處理后，本文認為在相同地質條件下，上部物業(yè)結構可優(yōu)先采用筏板基礎形式。

7.2 地庫及裙樓

板柱-剪力墻結構(無梁樓蓋)工程應用上也非常成熟，對于降低樓層高度、設備安裝均有其獨特的優(yōu)勢，但近幾年無梁樓蓋的事故率相對較高，對于其工程安全性信心不足，亦考驗施工單位的技術水平，所以該工程地庫及裙樓最終采用了典型的梁柱框架體系。

7.3 上部結構

帶轉換層結構在低烈度地區(qū)應用成熟，其對轉換層上下結構空間的利用為最優(yōu)方案，但其經濟性明顯比典型的剪力墻或框架-剪力墻結構差，再由于該工程為地鐵車站上蓋結構，其重要性等級與地鐵車站相同，所以在對比了經濟性、安全性和可實施性等方面條件后，該工程采用了地上剪力墻結構形式，地下部分框剪結構形式。

8 結束語

以實際工程設計為例，簡要對比了設計工程中應用到的各個結構設計方案，并討論了變形縫的設置問題，并給出相應的理由與結論，而地鐵上蓋物業(yè)開發(fā)結構的選型還應根據地質情況、周邊環(huán)境、施工條件、經濟環(huán)保等因素與地鐵車站結合起來綜合分析確定。