某車(chē)輛段上蓋項(xiàng)目超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震性能分析

呂潮 張洵

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

在城市用地日益緊張的環(huán)境下，迫切需要提高土地資源的利用效率，近年來(lái)，涌現(xiàn)了一大批帶上蓋開(kāi)發(fā)的車(chē)輛段。不同于非上蓋開(kāi)發(fā)車(chē)輛段，在滿足蓋下地鐵車(chē)輛段功能需求的同時(shí)，還需兼顧上蓋開(kāi)發(fā)。由此產(chǎn)生了全新的結(jié)構(gòu)形式——全框支剪力墻結(jié)構(gòu)。因首層需滿足地鐵停放需求，層高較大，存在剛度突變、承載力突變、構(gòu)建間斷、扭轉(zhuǎn)等不規(guī)則項(xiàng)，屬于超限高層建筑，需要進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)論證。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，對(duì)全框支剪力墻結(jié)構(gòu)在各地震水準(zhǔn)作用下的抗震性能進(jìn)行分析，針對(duì)薄弱部位采取加強(qiáng)措施，確保結(jié)構(gòu)滿足設(shè)定的性能目標(biāo)。

1 工程概況

1.1 基本情況

本項(xiàng)目為粵港澳大灣區(qū)城際線路廣州東至花都天貴工程空港車(chē)輛段同步實(shí)施工程?？崭圮?chē)輛段為單層車(chē)輛基地，其上設(shè)置上蓋開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)總平面圖如圖1所示。

圖1 上蓋開(kāi)發(fā)總平面圖

車(chē)輛段首層為地鐵車(chē)輛停放、檢修區(qū)，二層為上蓋物業(yè)小汽車(chē)庫(kù)，三層（即裙房屋面）為上蓋物業(yè)日?；顒?dòng)區(qū)域，如體育、休閑娛樂(lè)設(shè)施等。本文主要介紹22#~26#，位于車(chē)輛基地運(yùn)用庫(kù)區(qū)。22#~26#為高層住宅，總高度95.9m，不設(shè)置地下室，首層蓋板標(biāo)高9m，二層蓋板標(biāo)高15m，裙樓以上27層，共29層。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

該工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。

結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]（GB50009-2012），該工程的基本風(fēng)壓為Wo=0.45kN/m2（50年重現(xiàn)期），因建筑高度>60m，承載力計(jì)算時(shí)取1.1倍的放大系數(shù)。體型系數(shù)取1.4，地面粗糙度類(lèi)別為C類(lèi)。舒適度驗(yàn)算時(shí)的風(fēng)壓為0.30kN/m2（10年重現(xiàn)期）。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]（JGJ3－2010）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《高規(guī)》），該工程位于廣州白云區(qū)人和鎮(zhèn)，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi)，特征周期為0.35s，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)（丙類(lèi)）。

1.3 結(jié)構(gòu)體系及布置

結(jié)合蓋下工藝限界要求，采用全框支-剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層位于二層蓋板，轉(zhuǎn)換形式為厚板轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2。

圖2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置圖

由豎向構(gòu)件（含框支柱、框架柱）承擔(dān)地震荷載及風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平剪力，由框支框架承擔(dān)塔樓傾覆彎矩。蓋下主要為兩線跨，垂軌向柱距為13.3m，順軌向柱距為9.9m，框支柱截面為1900mmx1900mm，框支柱混凝土強(qiáng)度C60。轉(zhuǎn)換厚板厚度為2000mm，混凝土強(qiáng)度C55。剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)域墻體厚為250~350mm，上部樓層墻厚度根據(jù)受力計(jì)算逐步縮減至200mm，剪力墻混凝土強(qiáng)度C60~C30。

2 超限情況及結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

該工程主屋面高度95.9m<120m，高度不超限。但存在6項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)：（1）構(gòu)件間斷（厚板轉(zhuǎn)換）；（2）剛度突變及尺寸突變（多塔）；（3）承載力突變；（4）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及偏心布置；（5）凹凸不規(guī)則及組合平面；（6）樓板不連續(xù)。

針對(duì)以上超限情況，按照國(guó)標(biāo)《高規(guī)》[2]的相關(guān)內(nèi)容，該結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C，其中框支框架部分提升至B級(jí)，不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)及預(yù)期的震后性能狀況見(jiàn)表1、表2。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

表2 各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 多遇地震作用下彈性分析

為避免單一軟件分析的局限性，分別采用YJK和ETABS對(duì)塔樓進(jìn)行小震彈性分析。經(jīng)計(jì)算對(duì)比，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng)，各指標(biāo)相差不超過(guò)10%（除風(fēng)荷載下層間位移角最大位移角相差12.51%外）。有效質(zhì)量系數(shù)>95%，計(jì)算振型數(shù)足夠。在風(fēng)荷載和地震作用下，樓層層間位移角均小于1/1000，滿足《高規(guī)》3.7.3要求，該工程層間位移角由風(fēng)荷載起控制作用。在偶然偏心地震荷載作用下，最大扭轉(zhuǎn)位移比在1.2~1.5之間。

采用彈性時(shí)程分析法對(duì)小震作用進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。選取7組加速度時(shí)程曲線，包含5組天然波和2組人工波。選取的時(shí)程曲線的地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜的地震影響系數(shù)曲線的統(tǒng)計(jì)意義相符。各條波的小震時(shí)程分析與規(guī)范設(shè)計(jì)譜計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 時(shí)程曲線與CQC法基底剪力對(duì)比表

由表3可知，各條時(shí)程曲線計(jì)算所得底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算底部剪力的65%，且各條時(shí)程曲線計(jì)算所得底部剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得底部剪力的80%。上部部分樓層存在時(shí)程分析計(jì)算，所得的剪力平均值大于反應(yīng)譜法計(jì)算所得剪力，采用反應(yīng)譜法計(jì)算剪力時(shí)，對(duì)這些樓層的剪力進(jìn)行放大。

3.2 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

通過(guò)設(shè)防地震（中震）作用下的結(jié)構(gòu)等效彈性分析，可以得出框支框架、轉(zhuǎn)換暗梁、轉(zhuǎn)換厚板等能保證中震彈性，其他構(gòu)件能保證相應(yīng)性能水準(zhǔn)要求。綜上所述，該工程能夠達(dá)到預(yù)定的中震性能目標(biāo)。

3.3 罕遇地震作用下彈塑性分析

采用PKPM-SAUSAGE軟件進(jìn)行大震作用下的動(dòng)力彈塑性分析。選取2組天然波和1組人工波，采用雙向地震輸入，主、次方向加速度峰值比為1.00∶0.85。

通過(guò)計(jì)算，各模型大震彈塑性時(shí)程分析所得基底剪力為CQC法小震基底剪力的4.5~7.1倍，其中，X方向平均為5.6倍，Y方向平均為5.4倍，滿足要求。大震彈塑性最大層間位移角在1/445~1/335之間，滿足1/120限制要求。轉(zhuǎn)換層的X向?qū)娱g位移角在1/803~1/549之間，轉(zhuǎn)換層的Y向?qū)娱g位移角在1/770~1/537之間，轉(zhuǎn)換構(gòu)件基本處在彈性階段。

大震作用下的動(dòng)力彈塑性分析表明，3條地震波作用下結(jié)構(gòu)的塑形損傷情況基本一致，選取X、Y向?qū)娱g位移角最大的地震波動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷情況描述，如圖3、圖4所示。

圖3 X向作用（最后時(shí)刻）的結(jié)構(gòu)損傷情況

圖4 Y向作用（最后時(shí)刻）的結(jié)構(gòu)損傷情況

綜合構(gòu)件損傷情況，分析結(jié)果表明：

（1）連梁損壞較嚴(yán)重，部分構(gòu)件甚至達(dá)到重度損壞，很好地起到了耗能的作用；

（2）樓板：大部分無(wú)損壞，局部為輕微損壞，達(dá)到大震下性能水準(zhǔn)的要求；

（3）剪力墻：大部分處于無(wú)損壞及輕微損壞，局部為輕度及中度損壞；

（4）框架梁：大部分為輕微損壞，其余為無(wú)損壞，部分為輕度及中度損壞，可起到耗能的作用；

（5）框支框架：均為輕微損壞，裙樓柱均為輕微損壞，達(dá)到大震下性能水準(zhǔn)的要求。

4 抗震加強(qiáng)措施

通過(guò)計(jì)算分析，對(duì)結(jié)構(gòu)重要部分、薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施，以滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。加強(qiáng)措施如下：

（1）增加結(jié)構(gòu)底盤(pán)安全度，對(duì)框支框架（包括轉(zhuǎn)換厚板）性能目標(biāo)加強(qiáng)為B級(jí)。

（2）針對(duì)首層存在側(cè)向剛度突變、承載力突變，首層考慮對(duì)薄弱層進(jìn)行加強(qiáng)，地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力乘以增大系數(shù)1.3。保證首層具有足夠的側(cè)向剛度，該層層間位移角在設(shè)防烈度作用下介于1/2348~1/1829，在罕遇地震下彈塑性位移角介于1/661~1/418?？蛑е刂曝Q向筋配筋率不小于1.2%；箍筋全高加密，體積配箍率不小于1.5%。

（3）控制厚板豎向撓度在準(zhǔn)永久組合及中大震下滿足不大于1/500跨度；設(shè)計(jì)時(shí)按一級(jí)抗震等級(jí)的水平構(gòu)件放大地震內(nèi)力，復(fù)核轉(zhuǎn)換層在大震作用下的變形和應(yīng)力水平，驗(yàn)證厚板、框支柱構(gòu)件的安全性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果加強(qiáng)構(gòu)造措施，驗(yàn)算厚板在托墻位置處局部承壓，保證大震下厚板轉(zhuǎn)換層有足夠的安全度。

（4）加強(qiáng)核心筒剪力墻周邊框架梁及連梁，提高核心筒的整體性。加厚核心筒周邊的樓板以及細(xì)腰連接處樓板厚度，樓板厚度150mm，采用局部彈性板包絡(luò)設(shè)計(jì)，并采用雙層雙向配筋增強(qiáng)樓板的抗剪承載力及延性，保證水平力能可靠傳遞，提高結(jié)構(gòu)整體性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合大、中、小震的地震動(dòng)計(jì)算分析結(jié)果，并采取相應(yīng)構(gòu)造設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)的重要部位、薄弱部位進(jìn)行針對(duì)性地加強(qiáng)，可滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。經(jīng)論證，該工程結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)，結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面取值合理，結(jié)構(gòu)位移符合規(guī)范要求，剪重比適中，結(jié)構(gòu)具有良好的耗能機(jī)制。針對(duì)超出規(guī)范限值的情況按規(guī)范要求做出相應(yīng)的補(bǔ)充分析和加強(qiáng)構(gòu)造處理，能滿足現(xiàn)行規(guī)范的“小震不壞，中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求。