地鐵上蓋開發結構問題與處理措施淺談

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摘要：地鐵車輛段蓋板和上蓋物業開發建設的不同步，以及建筑市場需求的不斷變化導致開發方案存在調整的可能性，從而引發結構設計和施工方面的諸多難點問題。本文基于國內某地鐵車輛段上蓋物業開發項目，分析了此類項目設計和施工過程中可能遇到的問題，并提出相應的處理措施，可以用于同類項目參考。

關鍵詞：上蓋開發；TOD；加固；梁柱節點；承載力

1研究背景與項目概況

1.1研究背景

隨著建筑行業和軌道交通行業的發展，以公共交通為導向的綜合開發模式（TOD模式）近年來在國內地鐵車輛段建設中興起。對于結構設計而言，此類項目存在以下特點[1]：①為滿足地鐵車輛段停車檢修等工藝要求，車輛段首層的結構計算高度一般在10m以上，車輛段蓋板上下層高變化較大，底部容易出現薄弱層和軟弱層在同一層的結構特征，對結構抗震極為不利；②車輛段咽喉區柱網布置往往極不規則，且容易形成大跨度柱網；③上部物業多為小開間布置，上部結構豎向構件無法完全落地，需通過轉換的方式處理；④由于地鐵車輛段建設周期長，為了順應建筑市場的需求，實現開發利益的最大化，上蓋開發方案往往存在一定的時效性，地鐵車輛段蓋板與綜合開發建設的不同步可能導致開發方案在車輛段施工完成后修改，從而造成開發階段預留的設計和施工條件的不確定性；⑤車輛段蓋板結構長度通常遠超規范要求的最大伸縮縫長度，需解決混凝土溫度應力問題和收縮徐變的影響，防止大面積大體積混凝土的開裂。

1.2項目概況

本文基于目前在建并且已部分建成的廣州地鐵八號線白云湖車輛段上蓋開發項目進行分析。該項目首層為地鐵車輛段，建筑層高8.5m，二層為停車庫，開發業態為超高層住宅、多層學校、配套商業等?；A采用承臺樁基和樁筏基礎，住宅采用部分框支剪力墻結構，多層建筑采用全轉換框架結構，轉換層設置在二層，車輛段的基礎和8.5m蓋板于2016年開始施工，目前已經施工完畢，車輛段已經運營，同時為上蓋開發預留設計條件。2019年，基于房地產市場需求，設計單位對原開發方案進行了調整，從而導致已施工基礎和上部結構承載力局部無法滿足新的開發方案要求，需對既有結構進行調整和改造。本項目的設計難點在于最大限度滿足新方案要求且車輛段首層不具備結構加固條件的情況下，結構需完成上部超高層剪力墻和多層框架的轉換，施工難點在于不影響蓋下車輛段正常運營的前提下，進行復雜的轉換層和上部結構施工。通過一系列計算手段、抗震措施及施工工藝措施，本項目2019年順利通過了抗震超限審查，并完成了一期二期工程的施工圖設計，目前部分超高層已經結構封頂。由于項目復雜，設計和施工過程遇到了諸多難題，本文對項目實施過程中遇到的部分問題進行分析總結，并提出了相應的處理措施。

2基礎設計難點及處理措施

項目開發階段對建筑方案作的調整包括建筑平面布局、層數、在總平面中定位等調整，從而不可避免的導致部分樁的單樁承載力、承臺和筏板的承載力無法滿足規范要求，根據相關加固規范，常規的處理措施包括增大基礎截面、補樁等，但本項目因車輛段已處于運營狀態，首層不具備加固條件，所以項目從減荷載和轉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，調整室外管線路由，適當減少超載位置的覆土厚度或換填更為輕質的覆土材料能夠有效降低結構的負荷，但因此也可能引起樓板局部的錯層，為使水平荷載作用能夠有效通過錯層結構傳遞，錯層部位的框架梁端應設置豎向加腋。②局部采用鋼結構。鋼結構具有材料強度高、自重輕、施工周期短、適應大跨度等優點，受車輛段咽喉區軌道的影響，咽喉區柱網布置不規則且跨度大，按混凝土結構設計時，咽喉區基礎局部位置承載力不足，為了滿足新方案需求，設計時局部采用了實腹鋼結構，利用鋼結構自重輕且適應大跨度的特點，降低結構自重，有效解決了樁基承載力問題。③斜撐導荷。斜撐能夠將撐頂的部分豎向荷載和水平荷載傳遞至與撐底相連的柱，從而達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，本項目斜撐未預留主筋，為了降低施工難度，避免在鋼筋密集的節點區域進行大鋼筋植筋施工，可采用圖2所示的加腋節點，其中抗剪鋼筋通過植筋的方式植入框架梁端，面積可偏保守的假設斜撐軸力的水平分量全部由抗剪鋼筋承擔求得，此外，應根據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量。

3上部結構設計難點及處理措施

3.1轉換結構設計計算措施與建議

上蓋開發項目最關鍵的設計難點是轉換層的設計，常用的轉換層布置方式包括局部轉換（如部分框支剪力墻結構、局部轉換框架結構等）和全部轉換（如隔震轉換、厚板轉換等）。根據項目荷載預留和結構布置特征，本項目沿用原方案的轉換方案，對超高層剪力墻結構選擇較常用的部分框支剪力墻結構，對多層框架結構則采用全轉換框架結構?，F方案住宅大部分豎向構件不能直接落地，為了減少二次轉換，項目充分利用了原結構方案在順車輛段軌道方向布置的落地剪力墻作為豎向轉換構件。設計時基于“強轉換弱上部”的結構概念設計理念，對結構做了一系列超限分析，包括多遇地震、設防地震、罕遇地震的等效彈性分析和多遇地震的靜力彈性時程分析，罕遇地震和極罕遇地震的動力彈塑性時程分析，對關鍵部位進行了專項分析與加強，加強措施包括加強關鍵部位的構件尺寸、配筋、材料強度、采用型鋼混凝土、既有結構補強等，復核了已經施工的首層蓋板的承載力和變形，通過以上措施確保了結構的安全可靠。對于車輛段上蓋開發結構，一般建議將轉換層設置在二層蓋板以上。與首層蓋板轉換相比，二層蓋板轉換一方面能夠避免在首層蓋板施工階段預留上蓋開發建筑的豎向構件，從而提高開發階段方案變化的靈活性，另一方面也可作為上蓋開發的地下車庫，提高蓋上結構利用率和經濟效益。同時，對于結構概念設計指標計算而言，轉換層作為上下部結構的過渡層，通過合理設置轉換層層高及豎向構件的尺寸，能夠減輕甚至消除因底層層高過高引起的底層薄弱的影響，從而提高結構的整體抗震性能。此外，建議有條件的情況下，在首層蓋板順股道方向設置適量剪力墻，也是解決底層軟弱層和薄弱層問題的有效措施，同時還能減小首層豎向構件的尺寸，為車輛段工藝設計提供更多空間。

3.2已施工梁配筋不足

開發方案調整導致房間布局、功能、層高的變化，上部結構質量的變化導致地震響應與原方案的不一致，這些因素都可能引起已經施工的梁配筋不足。對于梁配筋不足，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強等[3][4]，但因項目不具備首層加固的條件，無法完全采用常規加固方式，本項目采取以下措施：①調整梁端負彎矩調幅系數；②蓋板板頂加固。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3的規定，豎向荷載作用下，考慮框架梁端塑性變形內力重分布，對梁端負彎矩乘以調幅系數進行調幅，現澆框架梁端負彎矩調幅系數可取0.8~0.9[5]。對于已施工的框架梁，當跨中鋼筋配置不足時，梁端負彎矩調幅系數可以取規范規定的大值，減少跨中正彎矩，同時增大梁端負彎矩，以減少跨中配筋，增加支座配筋，當支座實際配筋不足時，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。當調幅的方式仍然無法解決梁配筋不足的問題時，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柱鋼筋預留不足柱鋼筋預留不足包含兩種情況：蓋下已施工的柱實際配筋小于計算配筋、蓋上未施工的柱預留的插筋少于計算配筋。對于已施工柱配筋不足，常規措施不具備施工條件時，可以從減荷載和轉移荷載兩方面進行處理，處理方式仍然包括減少覆土、換填、斜撐導荷、采用自重輕的結構類型等。對于插筋預留不足，由于節點區域鋼筋較密，柱主筋直徑大，規范要求的植筋深度大，植筋施工非常困難，本項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。軟件計算時，柱的計算配筋通常按柱頂柱底控制內力分別計算后取包絡值，事實上，當柱底插筋預留不足，但柱的計算配筋由柱頂截面內力控制時，設計時可以按照柱頂柱底實際控制內力分段配筋，即將柱下半段按照柱底控制內力配筋，上半段按照柱頂控制內力配筋，通過這種方式可以避免在梁柱節點區域植筋施工。當柱底計算配筋較大，采用前述方式插筋仍然不足時，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轉換構件剪壓比超限的調整

轉換梁作為轉換構件，直接承受被轉換豎向構件傳遞的彎矩和剪力，構件截面尺寸通常與建筑高度成正比，當轉換梁跨高比達到一定數值時，框支梁轉變為深受彎構件，其破壞機理由受彎破壞轉變為剪切破壞，截面大小由受彎控制轉變為抗剪截面控制。對一些項目的計算發現，對于框支轉換超高層建筑，在模型調整過程中，框支梁梁端剪壓比超限是這類項目出現最多的一類問題，特別是存在較多二次轉換的框支剪力墻結構，框支主梁需承擔框支次梁傳遞的荷載，對梁截面的需求更大，剪壓比問題尤為突出。另一方面，考慮建筑、設備專業的需求及結構的經濟性，梁截面尺寸一般受限。針對轉換梁剪壓比超限問題，根據相關規范的抗剪截面計算公式，可采取的處理措施主要包括提高混凝土強度、增大截面尺寸、采用型鋼混凝土、梁內增設抗剪鋼板等。經驗計算表明，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，因此通過增加梁寬解決剪壓比問題比增加梁高更有效，當梁寬大于柱寬時，通過在柱頂增設柱帽可以有效解決梁內鋼筋錨固的問題。而采用型鋼混凝土或梁內設置抗剪鋼板則是充分利用鋼板較高的抗剪強度，規范表明，同截面尺寸的型鋼混凝土構件抗剪能力遠強于普通混凝土構件。此外采用殼元梁模擬梁單元也是解決剪壓比超限問題的一種方式，殼元梁能夠較為準確的模擬墻與梁的變形協調，分析梁沿高度方向的應力變化，與傳統桿單元模擬梁計算相比，轉換梁采用殼元更合理。

4上部結構施工難點及處理措施

4.1梁柱節點鋼筋密集

梁柱節點區域鋼筋密集是設計過程中容易被忽視的問題，現行《混凝土結構設計規范》GB50010關于鋼筋間距的規定雖然考慮了對混凝土澆筑質量的影響[2]，但對于一些配筋率較大的構件，按照規范規定的最小鋼筋間距排布鋼筋仍然可能導致節點鋼筋密集，普通混凝土難以澆筑密實的現象（圖3）。對于有抗震要求的、荷載需求較大的混凝土結構，特別是高烈度地區的混凝土結構，節點區域鋼筋交匯，且構件本身計算配筋大，縱筋根數和層數多，箍筋肢數多、肢距小，且加密配置，再加上現場施工誤差，將可能導致節點區域混凝土澆筑難以達到理想的密實狀態，嚴重影響結構的抗震性能，形成安全隱患。對于此類節點，梁柱主筋可以按照規范要求采用并筋，同時嚴格限制混凝土粒徑、和易性等參數，施工過程加強振搗，或采用如自密實混凝土等流動性高的特殊混凝土。此外，當涉及植筋施工時，梁柱節點鋼筋密集也將影響施工質量，對于重要的非懸挑構件，當鋼筋直徑較大時，在節點區域植筋難以達到計算要求的深度，所以本項目較多的采用了14mm以下的小直徑鋼筋等效替換大直徑鋼筋，保證植筋能夠穿過鋼筋間隙達到設計深度，從而保證植筋施工質量。

4.2塔吊的安裝

首層蓋板作為上蓋開發的施工場地，施工車道、材料堆場、塔吊等荷載的預留也存在很大的不確定性。項目原方案設計時預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整，大部分預留的塔吊位置無法滿足現方案的施工要求。為解決塔吊安裝問題，結合建筑總平面和豎向構件的布置，選擇插筋富余較大的豎向構件在車輛段蓋板上布置十字交叉塔吊基礎梁，并在設計階段進行整體建模分析，充分考慮基礎梁在施工過程各個工況下的受力情況，同時對與基礎梁相連的框架柱進行箍筋加密與縱筋加強，通過以上措施確保了塔吊的安全。

5結語

以上分析了廣州地鐵白云湖車輛段上蓋開發項目在設計和施工過程遇到的結構問題，并提出了相應的解決措施，為同類項目設計和施工提供了新的思路。地鐵車輛段上蓋開發是國內TOD模式的一種發展趨勢，由于軌道交通和上蓋開發建設的不同步，為了順應建筑市場需求，開發方案調整在所難免，也給設計和施工制造了新的難題，提出了新的挑戰，如何安全合理的設計施工此類項目是值得每個參與項目的人員深入思考的問題。

參考文獻：

[1]劉傳平.地鐵車輛段上蓋開發結構抗震性能分析與研究[J].建筑結構，2018，48（S2）：169-173.

[2]混凝土結構設計規范：GB50010－2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[3]混凝土結構加固設計規范：GB50367－2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[4]朱華.混凝土結構加固技術在某工程中的綜合應用[J].混凝土，2009：131-132，136.

[5]高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ3－2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

作者:鄧季坤 單位:中鐵上海設計院集團有限公司