地鐵上蓋開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)問(wèn)題與處理措施淺談

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摘要：地鐵車(chē)輛段蓋板和上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)建設(shè)的不同步，以及建筑市場(chǎng)需求的不斷變化導(dǎo)致開(kāi)發(fā)方案存在調(diào)整的可能性，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方面的諸多難點(diǎn)問(wèn)題。本文基于國(guó)內(nèi)某地鐵車(chē)輛段上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，分析了此類(lèi)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的處理措施，可以用于同類(lèi)項(xiàng)目參考。

關(guān)鍵詞：上蓋開(kāi)發(fā)；TOD；加固；梁柱節(jié)點(diǎn)；承載力

1研究背景與項(xiàng)目概況

1.1研究背景

隨著建筑行業(yè)和軌道交通行業(yè)的發(fā)展，以公共交通為導(dǎo)向的綜合開(kāi)發(fā)模式（TOD模式）近年來(lái)在國(guó)內(nèi)地鐵車(chē)輛段建設(shè)中興起。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，此類(lèi)項(xiàng)目存在以下特點(diǎn)[1]：①為滿(mǎn)足地鐵車(chē)輛段停車(chē)檢修等工藝要求，車(chē)輛段首層的結(jié)構(gòu)計(jì)算高度一般在10m以上，車(chē)輛段蓋板上下層高變化較大，底部容易出現(xiàn)薄弱層和軟弱層在同一層的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震極為不利；②車(chē)輛段咽喉區(qū)柱網(wǎng)布置往往極不規(guī)則，且容易形成大跨度柱網(wǎng)；③上部物業(yè)多為小開(kāi)間布置，上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件無(wú)法完全落地，需通過(guò)轉(zhuǎn)換的方式處理；④由于地鐵車(chē)輛段建設(shè)周期長(zhǎng)，為了順應(yīng)建筑市場(chǎng)的需求，實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)利益的最大化，上蓋開(kāi)發(fā)方案往往存在一定的時(shí)效性，地鐵車(chē)輛段蓋板與綜合開(kāi)發(fā)建設(shè)的不同步可能導(dǎo)致開(kāi)發(fā)方案在車(chē)輛段施工完成后修改，從而造成開(kāi)發(fā)階段預(yù)留的設(shè)計(jì)和施工條件的不確定性；⑤車(chē)輛段蓋板結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度通常遠(yuǎn)超規(guī)范要求的最大伸縮縫長(zhǎng)度，需解決混凝土溫度應(yīng)力問(wèn)題和收縮徐變的影響，防止大面積大體積混凝土的開(kāi)裂。

1.2項(xiàng)目概況

本文基于目前在建并且已部分建成的廣州地鐵八號(hào)線白云湖車(chē)輛段上蓋開(kāi)發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行分析。該項(xiàng)目首層為地鐵車(chē)輛段，建筑層高8.5m，二層為停車(chē)庫(kù)，開(kāi)發(fā)業(yè)態(tài)為超高層住宅、多層學(xué)校、配套商業(yè)等。基礎(chǔ)采用承臺(tái)樁基和樁筏基礎(chǔ)，住宅采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，多層建筑采用全轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在二層，車(chē)輛段的基礎(chǔ)和8.5m蓋板于2016年開(kāi)始施工，目前已經(jīng)施工完畢，車(chē)輛段已經(jīng)運(yùn)營(yíng)，同時(shí)為上蓋開(kāi)發(fā)預(yù)留設(shè)計(jì)條件。2019年，基于房地產(chǎn)市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)單位對(duì)原開(kāi)發(fā)方案進(jìn)行了調(diào)整，從而導(dǎo)致已施工基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)承載力局部無(wú)法滿(mǎn)足新的開(kāi)發(fā)方案要求，需對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和改造。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于最大限度滿(mǎn)足新方案要求且車(chē)輛段首層不具備結(jié)構(gòu)加固條件的情況下，結(jié)構(gòu)需完成上部超高層剪力墻和多層框架的轉(zhuǎn)換，施工難點(diǎn)在于不影響蓋下車(chē)輛段正常運(yùn)營(yíng)的前提下，進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換層和上部結(jié)構(gòu)施工。通過(guò)一系列計(jì)算手段、抗震措施及施工工藝措施，本項(xiàng)目2019年順利通過(guò)了抗震超限審查，并完成了一期二期工程的施工圖設(shè)計(jì)，目前部分超高層已經(jīng)結(jié)構(gòu)封頂。由于項(xiàng)目復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工過(guò)程遇到了諸多難題，本文對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到的部分問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)，并提出了相應(yīng)的處理措施。

2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及處理措施

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)階段對(duì)建筑方案作的調(diào)整包括建筑平面布局、層數(shù)、在總平面中定位等調(diào)整，從而不可避免的導(dǎo)致部分樁的單樁承載力、承臺(tái)和筏板的承載力無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范要求，根據(jù)相關(guān)加固規(guī)范，常規(guī)的處理措施包括增大基礎(chǔ)截面、補(bǔ)樁等，但本項(xiàng)目因車(chē)輛段已處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，首層不具備加固條件，所以項(xiàng)目從減荷載和轉(zhuǎn)移荷載的角度采取了以下處理措施：①減少覆土厚度或置換輕質(zhì)覆土材料。由于園林景觀和室外管線的需求，蓋上往往存在較厚的覆土層，在方案能夠接受的范圍內(nèi)，調(diào)整室外管線路由，適當(dāng)減少超載位置的覆土厚度或換填更為輕質(zhì)的覆土材料能夠有效降低結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，但因此也可能引起樓板局部的錯(cuò)層，為使水平荷載作用能夠有效通過(guò)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)傳遞，錯(cuò)層部位的框架梁端應(yīng)設(shè)置豎向加腋。②局部采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有材料強(qiáng)度高、自重輕、施工周期短、適應(yīng)大跨度等優(yōu)點(diǎn)，受車(chē)輛段咽喉區(qū)軌道的影響，咽喉區(qū)柱網(wǎng)布置不規(guī)則且跨度大，按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，咽喉區(qū)基礎(chǔ)局部位置承載力不足，為了滿(mǎn)足新方案需求，設(shè)計(jì)時(shí)局部采用了實(shí)腹鋼結(jié)構(gòu)，利用鋼結(jié)構(gòu)自重輕且適應(yīng)大跨度的特點(diǎn)，降低結(jié)構(gòu)自重，有效解決了樁基承載力問(wèn)題。③斜撐導(dǎo)荷。斜撐能夠?qū)雾數(shù)牟糠重Q向荷載和水平荷載傳遞至與撐底相連的柱，從而達(dá)到降低撐頂附近框架柱柱底荷載或減小撐頂梁跨度的目的。另一方面，本項(xiàng)目斜撐未預(yù)留主筋，為了降低施工難度，避免在鋼筋密集的節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行大鋼筋植筋施工，可采用圖2所示的加腋節(jié)點(diǎn)，其中抗剪鋼筋通過(guò)植筋的方式植入框架梁端，面積可偏保守的假設(shè)斜撐軸力的水平分量全部由抗剪鋼筋承擔(dān)求得，此外，應(yīng)根據(jù)框架梁端鋼筋的密集程度和框架梁截面尺寸，合理選擇抗剪鋼筋直徑，防止因梁端鋼筋密集而影響植筋質(zhì)量。

3上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及處理措施

3.1轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算措施與建議

上蓋開(kāi)發(fā)項(xiàng)目最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)，常用的轉(zhuǎn)換層布置方式包括局部轉(zhuǎn)換（如部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)、局部轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)等）和全部轉(zhuǎn)換（如隔震轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換等）。根據(jù)項(xiàng)目荷載預(yù)留和結(jié)構(gòu)布置特征，本項(xiàng)目沿用原方案的轉(zhuǎn)換方案，對(duì)超高層剪力墻結(jié)構(gòu)選擇較常用的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，對(duì)多層框架結(jié)構(gòu)則采用全轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)方案住宅大部分豎向構(gòu)件不能直接落地，為了減少二次轉(zhuǎn)換，項(xiàng)目充分利用了原結(jié)構(gòu)方案在順車(chē)輛段軌道方向布置的落地剪力墻作為豎向轉(zhuǎn)換構(gòu)件。設(shè)計(jì)時(shí)基于“強(qiáng)轉(zhuǎn)換弱上部”的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)理念，對(duì)結(jié)構(gòu)做了一系列超限分析，包括多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震的等效彈性分析和多遇地震的靜力彈性時(shí)程分析，罕遇地震和極罕遇地震的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)分析與加強(qiáng)，加強(qiáng)措施包括加強(qiáng)關(guān)鍵部位的構(gòu)件尺寸、配筋、材料強(qiáng)度、采用型鋼混凝土、既有結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等，復(fù)核了已經(jīng)施工的首層蓋板的承載力和變形，通過(guò)以上措施確保了結(jié)構(gòu)的安全可靠。對(duì)于車(chē)輛段上蓋開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)，一般建議將轉(zhuǎn)換層設(shè)置在二層蓋板以上。與首層蓋板轉(zhuǎn)換相比，二層蓋板轉(zhuǎn)換一方面能夠避免在首層蓋板施工階段預(yù)留上蓋開(kāi)發(fā)建筑的豎向構(gòu)件，從而提高開(kāi)發(fā)階段方案變化的靈活性，另一方面也可作為上蓋開(kāi)發(fā)的地下車(chē)庫(kù)，提高蓋上結(jié)構(gòu)利用率和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算而言，轉(zhuǎn)換層作為上下部結(jié)構(gòu)的過(guò)渡層，通過(guò)合理設(shè)置轉(zhuǎn)換層層高及豎向構(gòu)件的尺寸，能夠減輕甚至消除因底層層高過(guò)高引起的底層薄弱的影響，從而提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。此外，建議有條件的情況下，在首層蓋板順股道方向設(shè)置適量剪力墻，也是解決底層軟弱層和薄弱層問(wèn)題的有效措施，同時(shí)還能減小首層豎向構(gòu)件的尺寸，為車(chē)輛段工藝設(shè)計(jì)提供更多空間。

3.2已施工梁配筋不足

開(kāi)發(fā)方案調(diào)整導(dǎo)致房間布局、功能、層高的變化，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化導(dǎo)致地震響應(yīng)與原方案的不一致，這些因素都可能引起已經(jīng)施工的梁配筋不足。對(duì)于梁配筋不足，常用的處理措施有增大截面法、外包型鋼、粘貼鋼板或纖維布補(bǔ)強(qiáng)等[3][4]，但因項(xiàng)目不具備首層加固的條件，無(wú)法完全采用常規(guī)加固方式，本項(xiàng)目采取以下措施：①調(diào)整梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)；②蓋板板頂加固。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3的規(guī)定，豎向荷載作用下，考慮框架梁端塑性變形內(nèi)力重分布，對(duì)梁端負(fù)彎矩乘以調(diào)幅系數(shù)進(jìn)行調(diào)幅，現(xiàn)澆框架梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)可取0.8~0.9[5]。對(duì)于已施工的框架梁，當(dāng)跨中鋼筋配置不足時(shí)，梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)可以取規(guī)范規(guī)定的大值，減少跨中正彎矩，同時(shí)增大梁端負(fù)彎矩，以減少跨中配筋，增加支座配筋，當(dāng)支座實(shí)際配筋不足時(shí)，可以采用在蓋板板頂梁端粘貼鋼板或碳纖維布等方式加固。當(dāng)調(diào)幅的方式仍然無(wú)法解決梁配筋不足的問(wèn)題時(shí)，可以考慮采用在梁頂面加大截面形成疊合梁的方式處理。3.3柱鋼筋預(yù)留不足柱鋼筋預(yù)留不足包含兩種情況：蓋下已施工的柱實(shí)際配筋小于計(jì)算配筋、蓋上未施工的柱預(yù)留的插筋少于計(jì)算配筋。對(duì)于已施工柱配筋不足，常規(guī)措施不具備施工條件時(shí)，可以從減荷載和轉(zhuǎn)移荷載兩方面進(jìn)行處理，處理方式仍然包括減少覆土、換填、斜撐導(dǎo)荷、采用自重輕的結(jié)構(gòu)類(lèi)型等。對(duì)于插筋預(yù)留不足，由于節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋較密，柱主筋直徑大，規(guī)范要求的植筋深度大，植筋施工非常困難，本項(xiàng)目采取的主要措施為：①按柱受力情況分段配筋；②加大柱底截面。軟件計(jì)算時(shí)，柱的計(jì)算配筋通常按柱頂柱底控制內(nèi)力分別計(jì)算后取包絡(luò)值，事實(shí)上，當(dāng)柱底插筋預(yù)留不足，但柱的計(jì)算配筋由柱頂截面內(nèi)力控制時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)可以按照柱頂柱底實(shí)際控制內(nèi)力分段配筋，即將柱下半段按照柱底控制內(nèi)力配筋，上半段按照柱頂控制內(nèi)力配筋，通過(guò)這種方式可以避免在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域植筋施工。當(dāng)柱底計(jì)算配筋較大，采用前述方式插筋仍然不足時(shí)，可以采用加大柱底截面的方式處理，其目的是增加可植筋范圍，同時(shí)將大直徑鋼筋等效換成小直徑鋼筋，從而減少植筋深度，降低植筋難度，大柱腳可以作為柱主筋的錨固端。

3.4轉(zhuǎn)換構(gòu)件剪壓比超限的調(diào)整

轉(zhuǎn)換梁作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，直接承受被轉(zhuǎn)換豎向構(gòu)件傳遞的彎矩和剪力，構(gòu)件截面尺寸通常與建筑高度成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁跨高比達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，框支梁轉(zhuǎn)變?yōu)樯钍軓潣?gòu)件，其破壞機(jī)理由受彎破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?，截面大小由受彎控制轉(zhuǎn)變?yōu)榭辜艚孛婵刂?。?duì)一些項(xiàng)目的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于框支轉(zhuǎn)換超高層建筑，在模型調(diào)整過(guò)程中，框支梁梁端剪壓比超限是這類(lèi)項(xiàng)目出現(xiàn)最多的一類(lèi)問(wèn)題，特別是存在較多二次轉(zhuǎn)換的框支剪力墻結(jié)構(gòu)，框支主梁需承擔(dān)框支次梁傳遞的荷載，對(duì)梁截面的需求更大，剪壓比問(wèn)題尤為突出。另一方面，考慮建筑、設(shè)備專(zhuān)業(yè)的需求及結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，梁截面尺寸一般受限。針對(duì)轉(zhuǎn)換梁剪壓比超限問(wèn)題，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的抗剪截面計(jì)算公式，可采取的處理措施主要包括提高混凝土強(qiáng)度、增大截面尺寸、采用型鋼混凝土、梁內(nèi)增設(shè)抗剪鋼板等。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算表明，采用增加梁寬的方式，梁截面面積增加的幅度通常比增加梁高更顯著，因此通過(guò)增加梁寬解決剪壓比問(wèn)題比增加梁高更有效，當(dāng)梁寬大于柱寬時(shí)，通過(guò)在柱頂增設(shè)柱帽可以有效解決梁內(nèi)鋼筋錨固的問(wèn)題。而采用型鋼混凝土或梁內(nèi)設(shè)置抗剪鋼板則是充分利用鋼板較高的抗剪強(qiáng)度，規(guī)范表明，同截面尺寸的型鋼混凝土構(gòu)件抗剪能力遠(yuǎn)強(qiáng)于普通混凝土構(gòu)件。此外采用殼元梁模擬梁?jiǎn)卧彩墙鉀Q剪壓比超限問(wèn)題的一種方式，殼元梁能夠較為準(zhǔn)確的模擬墻與梁的變形協(xié)調(diào)，分析梁沿高度方向的應(yīng)力變化，與傳統(tǒng)桿單元模擬梁計(jì)算相比，轉(zhuǎn)換梁采用殼元更合理。

4上部結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)及處理措施

4.1梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋密集

梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋密集是設(shè)計(jì)過(guò)程中容易被忽視的問(wèn)題，現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010關(guān)于鋼筋間距的規(guī)定雖然考慮了對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量的影響[2]，但對(duì)于一些配筋率較大的構(gòu)件，按照規(guī)范規(guī)定的最小鋼筋間距排布鋼筋仍然可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)鋼筋密集，普通混凝土難以澆筑密實(shí)的現(xiàn)象（圖3）。對(duì)于有抗震要求的、荷載需求較大的混凝土結(jié)構(gòu)，特別是高烈度地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋交匯，且構(gòu)件本身計(jì)算配筋大，縱筋根數(shù)和層數(shù)多，箍筋肢數(shù)多、肢距小，且加密配置，再加上現(xiàn)場(chǎng)施工誤差，將可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土澆筑難以達(dá)到理想的密實(shí)狀態(tài)，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的抗震性能，形成安全隱患。對(duì)于此類(lèi)節(jié)點(diǎn)，梁柱主筋可以按照規(guī)范要求采用并筋，同時(shí)嚴(yán)格限制混凝土粒徑、和易性等參數(shù)，施工過(guò)程加強(qiáng)振搗，或采用如自密實(shí)混凝土等流動(dòng)性高的特殊混凝土。此外，當(dāng)涉及植筋施工時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋密集也將影響施工質(zhì)量，對(duì)于重要的非懸挑構(gòu)件，當(dāng)鋼筋直徑較大時(shí)，在節(jié)點(diǎn)區(qū)域植筋難以達(dá)到計(jì)算要求的深度，所以本項(xiàng)目較多的采用了14mm以下的小直徑鋼筋等效替換大直徑鋼筋，保證植筋能夠穿過(guò)鋼筋間隙達(dá)到設(shè)計(jì)深度，從而保證植筋施工質(zhì)量。

4.2塔吊的安裝

首層蓋板作為上蓋開(kāi)發(fā)的施工場(chǎng)地，施工車(chē)道、材料堆場(chǎng)、塔吊等荷載的預(yù)留也存在很大的不確定性。項(xiàng)目原方案設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了充足的塔吊施工荷載，但由于建筑總平面和房間布局的調(diào)整，大部分預(yù)留的塔吊位置無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)方案的施工要求。為解決塔吊安裝問(wèn)題，結(jié)合建筑總平面和豎向構(gòu)件的布置，選擇插筋富余較大的豎向構(gòu)件在車(chē)輛段蓋板上布置十字交叉塔吊基礎(chǔ)梁，并在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行整體建模分析，充分考慮基礎(chǔ)梁在施工過(guò)程各個(gè)工況下的受力情況，同時(shí)對(duì)與基礎(chǔ)梁相連的框架柱進(jìn)行箍筋加密與縱筋加強(qiáng)，通過(guò)以上措施確保了塔吊的安全。

5結(jié)語(yǔ)

以上分析了廣州地鐵白云湖車(chē)輛段上蓋開(kāi)發(fā)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程遇到的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決措施，為同類(lèi)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工提供了新的思路。地鐵車(chē)輛段上蓋開(kāi)發(fā)是國(guó)內(nèi)TOD模式的一種發(fā)展趨勢(shì)，由于軌道交通和上蓋開(kāi)發(fā)建設(shè)的不同步，為了順應(yīng)建筑市場(chǎng)需求，開(kāi)發(fā)方案調(diào)整在所難免，也給設(shè)計(jì)和施工制造了新的難題，提出了新的挑戰(zhàn)，如何安全合理的設(shè)計(jì)施工此類(lèi)項(xiàng)目是值得每個(gè)參與項(xiàng)目的人員深入思考的問(wèn)題。

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作者:鄧季坤 單位:中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司