章钢雷,吴映栋,姚开明,郭俊锋

(浙江绿城建筑设计有限公司,浙江 杭州 310007)

1 工程概况

随着城市轨道交通的建设发展,地铁与上盖物业联合开发的新模式越来越广泛地应用于城市建设当中[1]。本工程位于杭州市余杭区良渚街道,9.5 m标高以下为地铁车辆段运用库,9.5 m标高至15.0 m标高为住宅停车库,15 m标高以上为11层住宅,总高度49.6 m。因住宅平面与运用库平面上下柱网不一致,且呈45°斜交,导致在15 m标高需设置结构转换层,以实现竖向荷载的有效传递,结构竖向关系见图1。

图1 结构竖向关系示意图

2 结构体系

本工程抗震设防烈度6度,设计基本地震加速度峰值为0.05 g,建筑场地类别为Ⅲ类场地,设计地震分组为第一组,多遇地震时特征周期0.45 s,抗震设防类别9.5 m标高以上为标准设防,9.5 m标高以下为重点设防。采用的结构体系如下：转换层以上为混凝土框架结构,柱截面典型尺寸500 mm×500 mm,楼盖采用现浇混凝土板,转换层以下为混凝土框架结构,其中1层柱截面典型尺寸为1 500 mm×1 500 mm,2层柱截面典型尺寸为1 200 mm×1 200 mm。转换层的结构布置见图2,针对上下柱网呈45° 斜交的情况,无法采用规则的梁式转换,而采用厚板转换,板厚800 mm,柱跨范围内拉结1 100 mm×1 300 mm次梁,形成梁和厚板组合转换结构,转换主梁和转换柱采用型钢混凝土梁和型钢混凝土柱,转换层混凝土强度等级采用C35。

图2 转换层结构平面布置图

该结构体系存在扭转不规则、刚度突变、构件间断三项不规则,需采取针对性的加强措施,并应进行抗震设计的超限专项论证[2]。其中厚板转换层的分析是本工程的研究重点,以下对结构在小震下的整体指标以及转换梁、转换柱和厚板在大震下的损伤分析结果进行论述,以考察本工程采用厚板转换结构的可行性。

3 结构整体分析结果

采用盈建科公司的YJK1.9.0.0对结构进行多遇地震下的弹性分析可以得到层间位移角、楼层位移比、侧向刚度比、受剪承载力之比、转换层上下剪切刚度比及厚板应力水平等指标,具体如下。

3.1 楼层位移计算结果

图3 层间位移角曲线 图4 楼层位移比曲线

图3和图4分别给出了结构在X、Y向地震作用下的层间位移角分布曲线和楼层位移比曲线。从图中可知,在水平地震作用下,层间位移角满足规范[3]限值1/550,各楼层位移比均小于规范[4]限值1.40。

3.2 侧向刚度计算结果

表1给出了YJK软件计算所得到的楼层侧向刚度比值,用来判断是否存在软弱层。刚度比采用文献[4]中公式3.5.2-1进行计算,从表1中的数值可见,转换层(2层)上下最小侧向刚度比达到9.4,1层和2层因层高变化较大,侧向刚度比为0.87,因此软弱层出现在1层而非转换层(2层),设计时对1层考虑地震剪力放大系数1.25。

表1 楼层侧向刚度之比

3.3 楼层受剪承载力计算结果

表2列出了YJK软件提供的楼层承载力计算结果,受剪承载力之比均大于0.8,满足规范要求[3],不存在受剪薄弱层。

3.4 转换层上下剪切刚度比计算结果

表3为转换层上、下结构的侧向刚度(等效剪切刚度)及比值。由表3可知,转换层与转换层上层的等效剪切刚度比均大于0.5,满足文献[4]附录E中关于转换层上、下结构刚度规定的要求。

表2 楼层受剪承载力之比

表3 转换层上下剪切刚度之比

3.5 转换厚板最大组合应力分析

在多遇地震组合工况下,图5～7分别给出了最大组合下转换厚板的最大正应力图和最大剪应力图,由图中可知,板顶最大压应力为4.2 MPa,小于混凝土抗压强度设计值16.7 MPa,处于弹性阶段；板底最大拉应力达到10.9 MPa,仅出现于板上柱应力集中部位,大部分楼板拉应力均在7 MPa以内,通过加强配筋可以实现弹性设计,此时局部最大配筋率为0.4%；最大剪应力为1.8 MPa,小于混凝土抗剪强度设计值2.36 MPa。

图5 最大组合板顶最大正应力分布(N/mm2)

图6 最大组合板底最大正应力分布(N/mm2)

图7 最大组合板中最大剪应力分布(N/mm2)

3.6 转换厚板冲切验算

以住宅首层截面为500 mm×500 mm的框架柱为例,读取其最大柱底力设计值为3 500 kN,验算转换厚板的冲切承载力,根据《混凝土结构设计规范(GB 50010—2010)》第6.5.1条,求得800 mm厚楼板冲切承载力设计值为4 000 kN>3 500 kN,因此转换厚板冲切承载力满足要求。

根据以上分析结果可知,结构层间位移角、位移比均符合规范要求,整体刚度较好；转换层上下剪切刚度比满足规范要求；1层地铁运用库层因层高较高形成薄弱层,设计时须将该层的地震作用放大1.25倍；转换厚板通过0.4%的配筋率可以实现小震下的弹性设计；转换厚板的冲切承载力满足规范要求。

4 转换构件大震下的损伤分析

采用PKPM-SAUSAGE(V3.1版)进行大震下弹塑性时程分析,考察转换构件(转换梁、转换柱、转换厚板)的损伤情况和性能水准,选取满足文献[1]要求的两条天然波TH073TG055 (SSG)、TH042TG055 (SSG)和一条人工波RH3TG055(SSG),分别进行两个方向的分析对比,以下按最不利工况TH042TG055 (SSG)在X主方向地震波作用下的结果为例,论述构件损伤情况。

4.1 转换柱、转换梁性能水准

图8、图9给出了典型转换柱、转换梁的性能水准图。从图中可知,转换梁以轻微损伤为主,小部分达到轻度损伤,转换柱基本为轻度损坏。

图8 典型转换柱性能水准

图9 典型转换梁性能水准

4.2 楼板性能水准与应力分析

结构在大震下需按文献[2]的要求保证楼板的整体性,避免楼板在大震下的受剪破坏。图10、图11给出了楼板损伤及剪应力图。根据损伤及剪应力情况分析可知：1)大震下绝大部分楼板剪应力均在3.0 MPa以内,小于混凝土抗剪强度标准值3.2 MPa,可以满足大震下楼板受剪不屈服；2)转换厚板无损坏,非转换区楼板在框架柱周边局部发生轻度损坏,因此转换厚板强度较好。从性能水准角度,转换梁、转换柱可以实现不超过轻度损坏,转换厚板无损坏,可以实现C级性能目标的水平。

图10 转换层楼板大震作用下性能水平

图11 转换层楼板大震作用下剪应力分布

5 结 语

综上所述,本工程转换层以上为住宅,转换层以下为住宅停车库和地铁运用库,转换层上下柱网呈45°度斜交,对此采用了厚板转换结构,柱跨增设次梁减小板跨,通过本文分析初步得到下列结论：

1)结构的层间位移角、位移比均符合规范要求,整体刚度较好；

2)转换层上下剪切刚度比满足规范要求；

3)1层地铁运用库层因层高较高形成薄弱层,设计时需将该层的地震作用放大1.25倍；

4)转换厚板通过0.4%的配筋率可以实现小震下的弹性设计,转换厚板的冲切承载力满足规范的要求；

5)大震动力弹塑性分析下,转换梁和转换柱不超过轻度损坏,厚板无损坏,可以实现C级性能目标的水平。

本文通过YJK在小震下的整体分析和SAUSAGE在大震下的损伤分析,论述了该地铁上盖工程采用厚板转换结构形式的可行性,可以为后续的施工图设计和类似工程的结构设计提供参考。