第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 某地铁车辆段上盖开发超限高层结构设计与研究 刘传平张志彬刘恺 （同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092） 摘要：城市轨道交通车辆段工程一般占地面积较大，对其上盖空间进行物业开发、利用研究，能充分提升城市土地使用价 结构特点，因建筑功能需要而存在多种体型不规则，不能满足国家现行相关规范与规程的情况，采用基于抗震性能的设计方 法来进行结构设计，同时结合工程结构体系特点和超限情况，有针对性地提出了结构加强措施和关键部位结构构件的抗震性 能目标，采用多个计算软件对结构各抗震阶段进行对比分析计算.
研究分析结果表明，提出的结构体系和采取的结构措施安 全可行，可为类似工程设计提供参考.
关键词：地铁车辆段停车列检库上盖开发超限性能设计 1.工程概况 金桥车辆段停车场项目位于上海浦东地区，项目地块内规划集成了上海轨道9号线、12号线和14号 线三条线路的停车列检库区.
目前规划进行上盖物业开发的区域位于9号线列检库（E区和C区）上方， 规划为汽车停车库、多高层住宅公寓、幼儿园和小学教学楼、办公楼等.
E区列检库总长364m，宽196m，沿长向共设3道结构缝将整个库区分为4个相互独立的抗震单元（E1E4 区）.建筑底层为列检库，层高为9.7m，上盖物业建造在列检库大平台之上，为7~18层住宅公寓楼.
开发 物业的首层（即列检库大平台上一层）为架空层，层高4.7m，主要用作汽车停车库和设备层：二层为上部 住宅的首层，在此标高处大平台上设计有1.2~1.5米厚的覆土种植绿化，其建筑剖面如图1所示.
E区建筑 总平面见图2. 图1建筑剖面示意图 图2E区运用联合库平面图 本工程基础均采用钻孔灌注桩基础，桩径Φ800，有效桩长65m，持力层为@层粉砂层，单桩抗压承载 力设计值为5500KN.
作者简介：刘传平.
硕士，高级工程师，一级注册结构工程师，主要从事结构工程，地下工程等方面的设计与研究.
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第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 2.结构体系选择 限于建筑及工艺专业的需求，本工程下部的停车列检库采用框架结构，顺轨方向柱网跨度为9.0m，垂 轨方向柱网标准跨度为11.2m.
上部高层住宅由于建筑功能的需要，采用含少量框架的剪力墙结构.
因此 整个工程底部采用框架结构、上部采用框支框架一剪力墙结构体系，且剪力墙和部分框架柱不落地.
结构的转换层设置在上盖物业的首层（列检库上一层），采用梁式转换.
框支柱截面为1.0×2.5m，框支主梁截面为1.0×2.2m、1.0×1.6m，转换次梁截面为0.9×1.2m和0.6 ×1.2m.上部剪力填截面200~300mm，框架柱截面为0.4×0.6m和0.6×0.6m.
停车列检库底层的框支柱混凝土强度等级为C60，上盖物业首层柱为C50，二层及以上柱、墙及 梁板混凝土均采用C35.
3.项目特点及结构超限情况分析 3.1地铁车辆段建筑工程的特点 本工程下部为地铁车辆段的停车列检作业区域，工艺对于库区结构竖向构件的布置和截面尺寸均有严 格的使用限制.
列检库在使用功能上的特殊要求使得本项目结构设计存在以下一些特点和难点： （1）底部库区建筑柱网间距较大（9.0×11.2m），一般采用框架结构：面上部开发物业多为小开间轴 线布置的住宅或办公户型，采用框架一剪力墙或剪力墙结构，且住宅结构的柱和剪力墙均难以落地，不可 避免地形成了大范围的竖向传力结构的转换和二次转换关系，为框支框架一剪力墙结构体系.
（2）底部列检库区建筑层高较高（一般为9.0~10.0m），远大于上部开发物业楼层层高，造成底部结 构抗侧刚度较为薄弱，形成类似“鸡腿型”结构，于结构抗震极为不利.
（3）车辆段工程涉及多系统、多专业、多部门管理、分阶段施工，是一个系统高度集成的工程.
当 地铁库区工程建成投入使用后，后期的物业开发工程不能影响地铁的正常运营，后续工程的施工条件和施 工影响也是必须要充分考虑的.
如何妥善处理和解决以上这些难点和问题，采用合适的结构体系和结构布置是这类结构设计的关键.
3.2结构超限情况分析 本工程底部采用框架结构体系，上部采用框支框架一剪力墙或框支剪力墙结构体系，上下部结构在库 区上方（二层）设置结构转换层.
且地铁列检库的工艺使用要求决定了该类建筑物下部层高大，上部层高 小的特点，对照《高规》和《抗规》的相关规定分析，本工程存在以下方面的超限情况： （1）扭转不规则，考虑偶然偏心的部分楼层的扭转位移比大于1.2，但均小于1.4.
（2）侧向刚度比不规则，底层与二层的侧向刚度比在垂直轨道方向小于0.7，不能满足国标《高规》 和《抗规》相关规定，也不满足上海市《抗规》关于限制楼层抗侧刚度突变的要求.
下表1为按国标《高规》和上海市《抗规》相关规定分别计算的底部楼层抗侧刚度比值.
从计算结果 分析，由于底部列检库区的大层高和对竖向结构构件截面的限制，一二层侧向刚度比在垂轨方向仅为 0.55~0.6，按上海市《抗规》计算的剪切刚度比仅为0.3左右，均表明本工程底部存在结构薄弱层.
（3）竖向抗侧力构件不连续，本工程在二层设有转换层，上部框架柱和剪力墙基本都不能直接落地.
（4）立面不规则，二层大平台上有多栋层数不等的多、高层住宅，为大底盘、多塔楼结构.
（5）楼层抗剪承载力突变，由于底层层高与上部楼层层高相差较大，楼层的抗剪承载力存在突变现 象.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 底部楼层抗侧刚度比值 表1 方向 STANE PUSAP 层与二层侧向刚度的比值（宜≥0.7） X向 0.600 0. 5486 Y向 0. 9694 0. 8641 一层与二层尊切刚度比 向 0. 3099 0.3060 （宜≥0.7） Y向 0. 3429 转换层与上层剪切刚度比 X向 0. 5522 0. 6119 （应≥0.5） Y向 2. 0957 2. 3657 另外，因下部地铁列检库使用功能的需要和按期投产的要求，以及库区大盖上物业开发建设不能同期 进行、同期实施的实际情况，在高层塔楼与裙楼之间既不允许设置永久性的沉降缝，也不允许按常规设置 施工沉降后浇带，给结构设计控制基础整体沉降和差异沉降带来相当大的难题.
4.主要技术参数的确定 （1）结构体系：本工程结构设计重点关注大平台（即转换层）以下的底部结构，底部采用框架结构 体系，上部结构确定为框支剪力墙结构体系.
（2）抗震设防分类：一般部位为丙类（上盖物业为小学、幼儿园部分应定为乙类）.
（3）抗震等级：作为对底部薄弱层的结构设计加强措施，本工程将底部框支框架按提高一级为一级 设计，其余部分框架为二级.
5.结构设计与分析 5.1结构设计 针对车辆段建筑的特点，因底层层高远大于二层及上部楼层，层高突变引起的层间抗侧刚度差异较大， 底层为结构薄弱层.
为尽可能加强底部结构抗侧刚度，提高一、二层侧向刚度比值，结构方案首先采用抗 震概念设计方法，采取了以下措施： （1）对底层和二层的框架柱均采用型钢混凝土劲性柱，以加强大盖下结构（主要是框架柱）的抗侧 刚度、抗剪承载能力和抗震延性.
调整到4.7m，经上述层高调整，可将一、二层抗侧刚度比值×方向由0.4提高到0.55，Y方向由0.8提高 到0.9，尽量减小底部楼层因层高变化引起刚度突变的程度.
（3）对底部楼层主要抗侧力构件一柱的截面采用渐变收小的措施调节因较大层高差异造成的层刚度 框支柱采用1.1x2.3m（内插十字钢骨1500×500×30×30700×700×30×30）.
（4）严格控制底部楼层的水平位移，大盖下底层和二层的最大层间位移角（1/191）≤1/1000，上部 物业≤1/800. （5）对大盖下框支柱和转换梁等关键构件采用基于性能目标的抗震设计方法，对结构抗震各个阶段 进行计算，验证关键构件满足设定的抗震性能目标，确保结构设计安全可靠.
5.2结构抗震性能目标 针对本工程的特点和重要性，并参考《抗规》和《高规》，设定了本工程关键结构构件的抗震性能目 标，详见下表2.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 抗震性能设计目标 表2 抗震烈度水准 7度小震 7度中霞 7度大震 （多遇a=0.08） （设防=0.23） （罕通a=0.45） 整体抗震性能 定性描述 不损环 损坏可修 不倒堤 目标 整体变形控制目标 1/800 1/100 首层框支柱 弹性 受剪、受弯弹性 满足抗剪截面条件 关键构件抗震 二层框支柱 弹性 受剪、受弯弹性 满足抗剪截面条件 性能目标 13.4米大平台转换梁 弹性 受剪、受弯弹性 满足抗剪截面条件 5.3结构分析 5.3.1抗震分析参数设置 关键构件抗震计算时的参数设置情况见下表3.
抗震设计参数 表3 中震 截面 小震 弹性 不屈服 大震不屈服 50年风 0.08 0.23 0.23 0.45 - 场地特征周期Tg（s） 0.90 0.9 0. 9 1.1 - 周期折减系数 1.0 1. 0 1. 0 1. 0 - 阻尼比 0.05 0.05 0.05 0.05 - 荷载分项系数 按规范 按规范 1. 0 1.0 按规范 材料 设计值 设计值 标准值 标准值 设计值 注：仅小震考虑风荷载组合，中震和大震不考虑.
5.3.2小震作用下弹性时程分析 采用SATWE和PMSAP两种计算程序进行对比计算分析，选取3条地震波（SHW2、SHW4和SHW6） 进行弹性时程分析作为对反应谱分析的补充计算.
图为规范谱与时程分析所选地震波谱拟合的对比图.
表4为弹性时程分析得到的底部剪力，计算结果显示，时程分析的结果满足《抗规》第5.1.2条和《高规》 第4.3.5条的要求，采用反应谱法计算结果比较时程分析结果略大.
24 图3规范谱与地震波谱对比图 弹性时程分析下的底部剪力 表4 SHW2 SHW4 SHVG 时程平均 CQC计算 0.8*CQC 地震剪力 SATWE 向 107319 69638 103244 93400 102076 81660
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 年 （kN) Y向 69612 91310 87465 84359 75757 60605 5.3.3中震作用分析 根据设定的抗震性能目标，底部框支柱和转换梁需按中震弹性设计.
框支柱和转换梁按中震弹性验算 结果见下表5、6、7.
框支柱中震弹性验算 表5 预估中震下最 预估中震下 预估中震下 纵筋最大 计算箍 位置 被面 不利轴力 弯矩 剪力 计算配筋 筋面积 结果 (kN) （KN.m) (kN) 率 (m2) 005X0021 底层 （十字钢骨1500×500×30×30、 15591 (拉) 16345 1987 1. 70% 780 满足 (0×0X00×00 1100× 2300 二层 （十字钢骨1500×500×30×30、 16414 (拉) 5169 2645 1. 45% 710 满足 700 ×700×30×30) 转换梁中震弹性抗弯验算 表6 截面 预估中震下最不利弯矩 截面抗弯承载力 M（kN.m） [M]/Y(kNn） 承载力比例 1000×2200 （销骨1600×700×35×35） 22723 53836 0. 422 满足 1000× 1600 （销骨1200×700×25×35） 14974 31501 0. 475 满足 0071X006 （钢骨700×300×20×25） 4218 11314 0. 373 满足 0021X009 （钢骨700×250×20×25） 2851 9714 0. 293 满足 主要转换梁中震弹性抗剪验算 表7 截面 预估中震下最不利剪力 截面抗剪承载力 (KN) [V]/Y（kN） 承载力比例 1000× 2200 （钢骨1600×700×35×35） 13633 21482 0.635 满足 1000× 1600 （钢骨1200×700×25×35） 7293 11345 0.643 满足 900×1200 （钢骨700×300×20×25) 2890 6871 0. 420 满足 0071X009 （钢骨700×250×20×25） 2869 6156 0. 466 满足 从上表计算结果可以看出，底部框支柱、转换梁截面均可满足抗弯和抗剪的中震弹性能目标要求.
5.3.4大震下关键构件截面验算 根据设定的抗震性能目标，罕遇地震下关键竖向构件的受剪截面应满足下式： VGEV*EK≤0.15fckbh
