陳春強(qiáng)

(廣東省鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東廣州 510600)

1 引言

綜合交通樞紐集合鐵路、地鐵、公交等多種交通方式，具有規(guī)模大，交通集成度高，客流大特點(diǎn)。樞紐上蓋開發(fā)能提高土地利用率，并獲得良好經(jīng)濟(jì)效益，是實(shí)現(xiàn)站城融合發(fā)展的有效途徑[1]。交通樞紐上蓋開發(fā)主要指在位于下部樓層的交通樞紐站場(chǎng)蓋板上方，利用蓋下樞紐站場(chǎng)結(jié)構(gòu)，建設(shè)形成蓋板上下功能不同，結(jié)構(gòu)共建的開發(fā)項(xiàng)目，見圖1。在蓋下樞紐建設(shè)時(shí)，常受到開發(fā)權(quán)屬、項(xiàng)目融資及開發(fā)時(shí)機(jī)等因素影響開發(fā)建設(shè)推進(jìn)，造成上蓋開發(fā)方案確定及建設(shè)時(shí)序滯后于蓋下樞紐[2]，需要預(yù)留上蓋開發(fā)條件。若蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留采用不恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)或過于理想的上蓋方案等，會(huì)造成蓋下前期工程投資過大，或者后期開發(fā)建設(shè)時(shí)候可能面臨蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留不足，需要補(bǔ)強(qiáng)加固。因此，在符合蓋下樞紐交通功能要求前提下，開展具有滿足蓋下結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)性、后期開發(fā)適度靈活調(diào)整及施工安全的結(jié)構(gòu)預(yù)留適應(yīng)性研究是很有必要的。

圖1 上蓋開發(fā)與蓋下樞紐關(guān)系示意

2 研究重點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)預(yù)留技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定

上蓋開發(fā)塔樓與蓋下結(jié)構(gòu)為共建一體的整體受力結(jié)構(gòu)，涉及的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有抗震設(shè)防類別、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、設(shè)計(jì)使用年限和耐久性，選用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的高低對(duì)結(jié)構(gòu)安全可靠度及工程整體投資影響很大。以蓋板為界，上蓋建筑與蓋下樞紐的建筑功能及重要性存在顯著不同，重點(diǎn)研究確定合理的結(jié)構(gòu)預(yù)留技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證蓋下樞紐結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)兼顧整體投資的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 交通流線建筑限界對(duì)結(jié)構(gòu)體系選型的影響

每種交通工具均具有相應(yīng)的建筑限界，任何建筑或設(shè)備均不得侵入限界內(nèi)。綜合交通樞紐融合多種交通工具，特別是軌道交通類樞紐，其限界高度大，例如高鐵站內(nèi)建筑限界高度(軌面至梁底)為7.25 m，造成蓋下樞紐的層高大，樓層剛度小，容易形成下柔上剛的“雞腿”式結(jié)構(gòu)[3]；當(dāng)蓋下樞紐站場(chǎng)平面上多條交通流線并排布置時(shí)，形成平面連續(xù)的建筑限界，可能造成大量上蓋開發(fā)墻柱不能與蓋下結(jié)構(gòu)墻柱重合，需采用受力復(fù)雜的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)避讓建筑界限，材料利用效率低，工程投資大。研究基于不同上蓋建筑功能、空間要求及高度，滿足避讓交通流線建筑限界要求的結(jié)構(gòu)體系選型，減少結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，從整體上控制工程投資。

2.3 開發(fā)方案引起結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則影響

通常情況下城市規(guī)劃對(duì)上蓋開發(fā)的建筑限高及基本功能均有規(guī)定，但受各種因素影響，當(dāng)上蓋開發(fā)單位與建筑方案不能確定時(shí)，此時(shí)蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留的難點(diǎn)在于，不同層數(shù)、層高、建筑平面及立面的上蓋方案，其體型不規(guī)則類型及程度不同，對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留的影響也不同。在限定高度與基本功能前提下，適度合理考慮不同方案結(jié)構(gòu)體型規(guī)則對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留的影響，能為上蓋開發(fā)后期建設(shè)提供一定靈活調(diào)整空間，有利于吸引社會(huì)資金參與開發(fā)建設(shè)，同時(shí)保證蓋下結(jié)構(gòu)安全。

2.4 上蓋后開發(fā)施工對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)影響

蓋下樞紐開通運(yùn)營(yíng)后，后期建設(shè)的上蓋建筑施工基礎(chǔ)條件發(fā)生很大改變，研究在蓋下樞紐中預(yù)留上蓋后開發(fā)施工必要的基礎(chǔ)條件，為實(shí)現(xiàn)上蓋開發(fā)后期順利建設(shè)提供支撐，同時(shí)確保施工期間蓋下樞紐結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全。

3 蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留適應(yīng)性研究

3.1 結(jié)構(gòu)預(yù)留技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究

(1)建筑抗震設(shè)防類別主要根據(jù)其破壞可能產(chǎn)生的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響的大小、建筑功能、規(guī)模等因素確定；工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)根據(jù)工程破壞可能產(chǎn)生后果的嚴(yán)重性確定。蓋下結(jié)構(gòu)屬于交通樞紐建筑，上蓋開發(fā)常規(guī)多為公共建筑或居住建筑。根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50153—2008)[4]規(guī)定，當(dāng)抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)時(shí)，安全等級(jí)宜按一級(jí)考慮。表1、表2所列蓋下樞紐建筑與上蓋開發(fā)建筑的抗震設(shè)防類別為乙類，安全等級(jí)為一級(jí)，其余可取為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防(丙類)，安全等級(jí)二級(jí)。

表1 重點(diǎn)設(shè)防類的交通運(yùn)輸建筑

表2 重點(diǎn)設(shè)防類上蓋開發(fā)建筑

因上蓋開發(fā)建筑與蓋下樞紐的重要性顯著不同，以蓋板為界，可按區(qū)段劃分不同抗震設(shè)防類別，但蓋下樞紐的類別不應(yīng)低于上蓋開發(fā)區(qū)段，蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留的設(shè)防類別與安全等級(jí)應(yīng)能適應(yīng)上蓋開發(fā)要求，主要選用原則有:

①當(dāng)蓋下樞紐為乙類，上蓋開發(fā)不在表2范圍時(shí)，從節(jié)約開發(fā)投資角度考慮，預(yù)留上蓋開發(fā)可按丙類設(shè)防，安全等級(jí)二級(jí)預(yù)留；考慮到上蓋開發(fā)位于樞紐上方，破壞后會(huì)危及蓋下樞紐安全，安全等級(jí)也可提高至一級(jí)。

②當(dāng)蓋下樞紐規(guī)模較小，且不涉及功能不可間斷建筑，不屬于表1范圍時(shí)，按丙類設(shè)防，安全等級(jí)二級(jí)考慮；但若上蓋開發(fā)建筑為表2范圍，則蓋下樞紐結(jié)構(gòu)也應(yīng)按乙類設(shè)防，安全等級(jí)一級(jí)。

③常見的上蓋開發(fā)建筑多為丙類設(shè)防，可通過優(yōu)化項(xiàng)目平面布局，將相同設(shè)防類別的蓋下樞紐與上蓋開發(fā)建筑進(jìn)行共建，并采取抗震縫劃分為不同區(qū)段單元，減少不同類別建筑間相互影響，利于節(jié)約投資。

(2)設(shè)計(jì)使用年限指設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按預(yù)定目的使用的年限，取值直接影響結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的可變荷載、材料強(qiáng)度、設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)等，對(duì)工程投資影響大。常規(guī)的普通房屋結(jié)構(gòu)按50年，標(biāo)志性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)按100年。結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的工作環(huán)境中，在預(yù)期的使用年限內(nèi)，在正常維護(hù)條件下不需進(jìn)行大修就能完成預(yù)定功能的能力，根據(jù)設(shè)計(jì)年限、所處的環(huán)境類別和作用等級(jí)確定，主要涉及結(jié)構(gòu)材料性能與指標(biāo)、砼保護(hù)層厚度等耐久性措施的選用，對(duì)工程投資影響相對(duì)較小。耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)使用年限要求，有特殊要求時(shí)，可高于設(shè)計(jì)使用年限要求。蓋下樞紐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限及耐久性設(shè)計(jì)要求見表3。

表3 蓋下樞紐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限及耐久性設(shè)計(jì)

上蓋開發(fā)建筑多為普通建筑，設(shè)計(jì)年限一般可取50年，開發(fā)塔樓宜布置在與蓋下樞紐設(shè)計(jì)使用年限相同的范圍內(nèi)；當(dāng)蓋下樞紐設(shè)計(jì)使用年限或耐久性設(shè)計(jì)為100年時(shí)，為減少上蓋塔樓到期后結(jié)構(gòu)大修對(duì)蓋下樞紐影響，上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)宜按100年考慮，但設(shè)計(jì)使用年限仍可取50年，以控制后期開發(fā)建設(shè)工程投資。

3.2 結(jié)構(gòu)體系選型研究

結(jié)構(gòu)體系選型應(yīng)根據(jù)上蓋開發(fā)建筑功能與空間要求、高度、結(jié)構(gòu)材料、抗震設(shè)防烈度及投資等因素考慮，并滿足避讓蓋下樞紐交通流線限界要求。常用上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)體系選型見表4。

表4 常用上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)體系選型

綜上，框架結(jié)構(gòu)適用于上蓋開發(fā)高度較小建筑；框架－剪力墻及框架－核心筒結(jié)構(gòu)開發(fā)高度適中，建筑空間及布置靈活性較好，適用建筑類型較多，如采用型鋼(鋼管)混凝土框架等混合結(jié)構(gòu)體系時(shí)，可適用更高的建筑高度[5]，但中部核心筒需要繞避樞紐交通流線；剪力墻結(jié)構(gòu)多用于居住類建筑，應(yīng)結(jié)合交通流線情況，優(yōu)化總圖及剪力墻布置，增加落地剪力墻數(shù)量，節(jié)約工程投資；筒中筒結(jié)構(gòu)適用高度大，但外筒體尺寸過大，宜布置在非交通流線影響區(qū)域。

隨著減隔震技術(shù)發(fā)展，在上蓋開發(fā)項(xiàng)目中可采用層間隔震技術(shù)，但受上蓋塔樓整體穩(wěn)定性影響，隔震房屋高寬比一般宜控制在4以內(nèi)[6]，可建開發(fā)高度上受到一定影響。

3.3 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及主要承重構(gòu)件研究

蓋下樞紐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及墻柱等主要構(gòu)件承載能力是上蓋開發(fā)的重要支撐條件。相同上蓋高度情況下，當(dāng)層高與層數(shù)不同，結(jié)構(gòu)的荷載及剛度差別很大，對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留也有很大影響。主要影響設(shè)計(jì)指標(biāo)有單樁承載力、基礎(chǔ)不均勻沉降、墻柱構(gòu)件尺寸與軸壓比等。在上蓋開發(fā)方案的建筑功能、層數(shù)尚未確定情況下，采取適當(dāng)?shù)母挥囝A(yù)留，能更好適應(yīng)后期上蓋開發(fā)方案的調(diào)整。主要措施有:(1)樁基礎(chǔ)選擇大樁徑、高強(qiáng)度持力層；(2)采用樁端擴(kuò)大頭或后注漿技術(shù)提高單樁承載力，減少基礎(chǔ)變形沉降；(3)墻柱構(gòu)件選擇高強(qiáng)度混凝土，或在墻柱構(gòu)件內(nèi)插型鋼，形成組合結(jié)構(gòu)，能有效降低軸壓比，獲得更高承載力與抗震延性。型鋼混凝土柱軸壓比n為:

式中，fc為混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Ac為混凝土截面積；fa為型鋼抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Aa為型鋼截面積。

型鋼混凝土柱含鋼率宜控制在4%～15%之間，在不同含鋼率情況下，根據(jù)式(1)計(jì)算，在含鋼率區(qū)間的型鋼混凝土柱軸壓比較普通柱可減少約25%～55%[7]。

3.4 上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則性影響研究

因上蓋開發(fā)塔樓與蓋下樞紐采用結(jié)構(gòu)共建，塔樓結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則程度對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)的抗震性能存在很大影響。不規(guī)則程度高的結(jié)構(gòu)體型，地震時(shí)其結(jié)構(gòu)薄弱部位更容易形成應(yīng)力集中，并率先屈服破壞，最終可能引起結(jié)構(gòu)倒塌。對(duì)于特別不規(guī)則的高層結(jié)構(gòu)需進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)及超限審查，并應(yīng)避免采用嚴(yán)重不規(guī)則的方案。結(jié)構(gòu)常見的體型不規(guī)則性可總體上歸納為平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則兩類，對(duì)于連體、錯(cuò)層等類型少見于上蓋開發(fā)項(xiàng)目中，本文暫不做研究。結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則主要內(nèi)容見表5。

表5 上蓋開發(fā)常見體型不規(guī)則類型

針對(duì)后期上蓋開發(fā)建筑平面、層高與規(guī)模、外立面效果等因素造成體型不規(guī)則，蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留時(shí)可采取的適應(yīng)性措施主要有:

(1)合理劃分抗震縫。根據(jù)上蓋塔樓所處蓋板中的平面位置，單個(gè)結(jié)構(gòu)單位內(nèi)宜設(shè)一棟上蓋塔樓，位置宜居中布置，可較大程度減少因塔樓偏置引起蓋下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及塔樓的偏心程度。

(2)當(dāng)受蓋下樞紐影響不能設(shè)縫時(shí)，結(jié)構(gòu)單元內(nèi)多個(gè)塔樓的布置宜對(duì)稱、均勻，蓋板上下結(jié)構(gòu)綜合質(zhì)心偏心距離不宜大于相應(yīng)邊長(zhǎng)20%，同時(shí)在蓋下樞紐的衛(wèi)生間、樓梯間、順軌道方向柱間等適宜位置布置剪力墻、柱間支撐等抗側(cè)力構(gòu)件，或預(yù)留加建條件，提高蓋下結(jié)構(gòu)抗側(cè)、抗扭剛度，減小豎向剛度突變與偏心不規(guī)則程度。

(3)上蓋方案為住宅類剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，利用蓋下樞紐交通流線間空隙位置，盡量增加落地剪力墻數(shù)量，增大墻體截面尺寸，形成巨型框架柱，提高蓋下結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，以減小豎向剛度不規(guī)則程度，見圖2。同時(shí)可在落地剪力墻端部?jī)?nèi)插型鋼，減小墻體小偏心受拉時(shí)名義拉應(yīng)力。

圖2 利用蓋下軌道間空隙布置落地剪力墻示意

對(duì)不落地的剪力墻等豎向構(gòu)件進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，多采用梁式、厚板等轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層位置可設(shè)于蓋板層或蓋板以上樓層，當(dāng)設(shè)于蓋板以上樓層時(shí)，上剛下柔的結(jié)構(gòu)會(huì)引起地震作用效應(yīng)顯著放大，轉(zhuǎn)換層宜優(yōu)先設(shè)于蓋板層。如上蓋塔樓墻柱鋼筋未能明確時(shí)，可采用上翻疊合式轉(zhuǎn)換梁，方便后期墻柱鋼筋錨固在疊合部分梁內(nèi)，并預(yù)埋扁鋼帶，提供后焊鋼筋套筒錨固條件，及預(yù)留加強(qiáng)轉(zhuǎn)換梁抗扭等措施，做法見圖3。當(dāng)轉(zhuǎn)換層位于蓋板以上樓層時(shí)，重點(diǎn)對(duì)支撐轉(zhuǎn)換梁的框支柱進(jìn)行加強(qiáng)，如柱內(nèi)預(yù)留芯柱或內(nèi)插型鋼。

圖3 上翻疊合式轉(zhuǎn)換梁做法示意

(4)上蓋塔樓的凹凸與組合平面不規(guī)則對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)影響主要為扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引起塔樓外圍墻柱構(gòu)件內(nèi)力及變形增大，可通過增加外周墻柱截面尺寸，提高角部墻柱抗震措施，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度及重點(diǎn)部位構(gòu)件承載能力與抗震延性。

(5)上蓋開發(fā)建筑功能為辦公、酒店時(shí)，常在底層大堂上方樓板處大開洞，形成躍層的高大空間和建筑外周布置懸挑樓蓋，以配合建筑立面造型，并增加使用空間。對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留的影響有:

①穿層柱的高度大，造成其承載力降低；與樓層其他柱剛度差別大，受力復(fù)雜。蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留時(shí)，宜將塔樓主出入口周邊一定范圍框架柱，預(yù)留按穿層柱考慮，通過結(jié)構(gòu)專項(xiàng)分析，采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。

②建筑外周懸挑樓蓋造成邊框柱受荷面積增加，豎向軸力增大；當(dāng)塔樓周邊質(zhì)量增加后，引起結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大，進(jìn)一步使邊框柱內(nèi)力增加。上蓋塔樓宜預(yù)留適當(dāng)尺寸的懸挑樓蓋，考慮邊框柱超載及扭轉(zhuǎn)不規(guī)則對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留影響。

(6)受交通流線建筑限界影響，上蓋開發(fā)項(xiàng)目中普遍存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、剛度與承載力突變、構(gòu)件間斷及局部規(guī)則等多項(xiàng)不規(guī)則情況，應(yīng)根據(jù)超限情況，對(duì)整體結(jié)構(gòu)分析采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法，確保結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)防目標(biāo)要求。主要措施有:①合理確定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，對(duì)于重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件如落地剪力墻、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、穿層柱、內(nèi)力及變形較大的墻柱構(gòu)件等，適當(dāng)提高性能目標(biāo)，如中震抗彎、抗剪彈性及大震抗彎、抗剪不屈服等；②合理確定有利于蓋下結(jié)構(gòu)適當(dāng)保守預(yù)留的設(shè)計(jì)參數(shù)，如等效彈性分析時(shí)的阻尼比、連梁剛度折減系數(shù)等取值；③對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱樓層及重要部位構(gòu)件采取加強(qiáng)措施，如適當(dāng)放大蓋下結(jié)構(gòu)核心筒、角柱等構(gòu)件小震下地震剪力，嚴(yán)格控制核心筒中震下雙向地震偏心受拉時(shí)名義拉應(yīng)力大小。

3.5 預(yù)留上蓋塔樓施工基礎(chǔ)條件研究

蓋下樞紐開通運(yùn)營(yíng)后，上蓋塔樓的施工基礎(chǔ)條件發(fā)生很大改變，如施工荷載、材料運(yùn)輸、柱頭預(yù)留及防銹，臨時(shí)抗浮等?？紤]不周時(shí)會(huì)影響上蓋開發(fā)順利建設(shè)，甚至危及蓋下結(jié)構(gòu)安全。綜合蓋板經(jīng)濟(jì)性等因素考慮，可采取的適應(yīng)性措施有:

(1)上蓋塔樓下的蓋板及四周適當(dāng)外擴(kuò)一定范圍，預(yù)留不小于10 kN/m2的施工荷載[8]，荷載較大的鋼筋加工、堆放等區(qū)域宜布置在場(chǎng)地之外。

(2)施工塔吊預(yù)留布置在核心筒或樓梯間剪力墻筒體內(nèi)，有條件時(shí)，可利用蓋下不需啟用的樓梯間布置施工貨梯，提高運(yùn)輸效率。

(3)臨近上蓋塔樓周邊如設(shè)有覆土地下室頂板時(shí)，宜考慮停放大型施工機(jī)械荷載。

(4)上蓋塔樓預(yù)留柱頭高度不小于1.5 m，具體做法:柱頭下部0.5 m正常施作，上部采用強(qiáng)度較低的砼澆筑，方便后期鑿除，柱頂設(shè)排水坡；縱筋接頭按50%錯(cuò)開預(yù)留，頂部為機(jī)械連接螺紋；柱頭內(nèi)設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)，必要時(shí)采用表面涂刷高滲透環(huán)氧樹脂加強(qiáng)防腐處理[9]。

(5)確保上蓋塔樓未施工時(shí)蓋下結(jié)構(gòu)的整體或局部抗浮穩(wěn)定性，可采用壓重、抗拔錨桿或抗拔樁等措施。

4 工程案例應(yīng)用

4.1 工程概況

某大型綜合交通樞紐工程集鐵路特大型站房、地鐵、市內(nèi)公交、旅游及長(zhǎng)途大巴為一體。地下3層、地上4層為交通樞紐功能，蓋板位于4層屋面，高度24 m。因開發(fā)單位未確定，初步擬定建筑功能為公寓、酒店及辦公，建筑限高150 m，開發(fā)面積約1.2萬(wàn)m2，僅提供一層標(biāo)準(zhǔn)平面圖，用于開展蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留設(shè)計(jì)。建筑方案如圖4所示。

圖4 建筑效果及標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

4.2 上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)預(yù)留適應(yīng)性措施

(1)結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

蓋下為重要的大型綜合交通樞紐建筑，抗震設(shè)防類別為乙類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100年；因上蓋建筑規(guī)模大，結(jié)構(gòu)單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù)可能超8 000人，抗震設(shè)防類別及安全等級(jí)同蓋下，設(shè)計(jì)使用年限為50年，耐久性使用年限為100年。

(2)結(jié)構(gòu)體系選型

該工程抗震設(shè)防烈度為7度，建筑總高度為150 m，根據(jù)本文表4所述，可選用的結(jié)構(gòu)體系類型為框架－核心筒與筒中筒結(jié)構(gòu)。因筒中筒體系外筒尺寸過大，難以避讓交通流線，結(jié)構(gòu)體系選擇框架－核心筒結(jié)構(gòu)，通過利用核心筒與框架柱之間空間布置車道，二者關(guān)系見圖5。

圖5 蓋下樞紐交通流線與核心筒關(guān)系

基于建筑限高150 m，考慮不同層高、層數(shù)與業(yè)態(tài)對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)影響，按以下兩種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)初算對(duì)比:方案一，3.6 m層高的35層普通公寓；方案二，4.2 m層高的20層酒店和辦公＋4.2 m層高的10層LOFT公寓。初算結(jié)果見表6。

表6 不同建設(shè)方案結(jié)構(gòu)初算結(jié)果對(duì)比

結(jié)果表明，方案二各項(xiàng)指標(biāo)均大于方案一，對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)影響更加不利，蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留設(shè)計(jì)采用方案二進(jìn)行。

(3)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與主要承重構(gòu)件

場(chǎng)地不良地質(zhì)為巖溶，下伏基巖為中、微風(fēng)化泥灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度分別為25 MPa、52 MPa，巖溶較發(fā)育，基底位于黏土層，基礎(chǔ)采用2 m大直徑灌注樁基礎(chǔ)，為避免過多擾動(dòng)溶洞，持力層選擇中風(fēng)化泥灰?guī)r。采用樁底后注漿，以減少樁基沉降；蓋下塔樓范圍框架柱采用型鋼混凝土柱，以控制柱軸壓比及截面尺寸，并滿足交通流線建筑限界要求。

(4)結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則預(yù)留適應(yīng)性措施

①沿上蓋塔樓外圍設(shè)抗震縫，合理劃分結(jié)構(gòu)單元，減少平面不規(guī)則程度，見圖6所示。

圖6 抗震縫劃分及穿層柱示意

②塔樓1～5層框架柱抗震等級(jí)提高為特一級(jí)，作為預(yù)留上蓋結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件間斷時(shí)加強(qiáng)措施，保證后期作為框支柱受力要求。

③上蓋塔樓外周樓蓋按懸挑3 m考慮，預(yù)留考慮上蓋建筑外立面及規(guī)模等方案調(diào)整條件，可增加上蓋開發(fā)面積約2萬(wàn)m2。

④首層主入口處3根框架柱按2層樓面開洞后形成穿層柱考慮，預(yù)留考慮局部不規(guī)則影響，見圖6。

⑤適當(dāng)提高核心筒角部?jī)?nèi)插型鋼含鋼率，控制名義拉應(yīng)力不超混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

⑥按特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)及彈塑性時(shí)程分析，對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位采取加強(qiáng)措施。

(5)上蓋塔樓施工基礎(chǔ)條件

按本文2.4節(jié)原則預(yù)留上蓋施工基礎(chǔ)條件，經(jīng)核實(shí)塔樓下樁基已能滿足臨時(shí)抗浮穩(wěn)定性要求，對(duì)樁基按抗拔樁構(gòu)造加強(qiáng)。

4.3 考慮適應(yīng)性預(yù)留的結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù)適應(yīng)性預(yù)留情況，經(jīng)過計(jì)算分析，按《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》規(guī)定進(jìn)行超限判定，具體超限情況見表7。

表7 結(jié)構(gòu)超限情況

針對(duì)蓋下扭轉(zhuǎn)位移比及周期比超限情況，經(jīng)分析，當(dāng)取消3 m懸挑樓蓋及穿層柱后，蓋下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比減少至1.25，周期比減少至0.84<0.85，證明預(yù)留樓蓋懸挑及穿層柱是合理的。

上述表明采用適應(yīng)性預(yù)留后，結(jié)構(gòu)存在4項(xiàng)不規(guī)則超限項(xiàng)，屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，按要求進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，受篇幅所限，下面僅給出主要計(jì)算結(jié)果。

4.4 抗震性能化設(shè)計(jì)

(1)抗震性能目標(biāo)設(shè)定

針對(duì)超限情況，綜合考慮建筑功能、經(jīng)濟(jì)等因素，抗震性能目標(biāo)設(shè)定為C級(jí)，要求小、中、大震作用分別達(dá)到性能水準(zhǔn)1、3、4。適當(dāng)提高穿層柱性能目標(biāo)，按關(guān)鍵構(gòu)件考慮，性能目標(biāo)提高為中震彈性，大震不屈服。

(2)中、大震等效彈性分析

考慮中、大震作用下部分構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段[10]，大震分析時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比增至0.07，中震分析時(shí)不作調(diào)整，不考慮阻尼比增加的有利影響；中、大震作用下的連梁剛度折減系數(shù)分別取0.5、0.3。

計(jì)算結(jié)果表明，大部分豎向構(gòu)件為小震控制，局部為中震控制，采用中震計(jì)算結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)；蓋下核心筒角部墻肢未加強(qiáng)時(shí)，雙向中震作用下名義拉應(yīng)力為2.05ftk，設(shè)置型鋼進(jìn)行加強(qiáng)后，減低至1.0ftk以下；穿層柱采用型鋼混凝土柱后，能滿足設(shè)定的性能目標(biāo)要求；大震作用下蓋下剪力墻及框架結(jié)構(gòu)均可滿足抗剪不屈服要求。

(3)彈塑性時(shí)程分析

采用SAUSAGE軟件進(jìn)行大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，分析結(jié)果表明:①結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角曲線如圖7所示，最大層間位移角X向?yàn)?/172，Y向?yàn)?/156，均小于限值1/125[11]。②結(jié)構(gòu)塑性開展主要集中在核心筒連梁位置；加強(qiáng)蓋下核心筒墻體配筋率及角部設(shè)置型鋼后，外圍剪力墻未出現(xiàn)明顯損傷；框架部分僅極少量梁出現(xiàn)砼受壓損傷和鋼筋塑性應(yīng)變；除連梁外，構(gòu)件均滿足抗剪不屈服要求。

圖7 結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角

綜上，結(jié)構(gòu)預(yù)留能較好適應(yīng)上蓋開發(fā)適度靈活調(diào)整需求，結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好，滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

4.5 穿層柱專項(xiàng)分析

為滿足底層大堂高大空間要求，2層樓板局部開洞后形成3根12.6 m高的穿層柱。采用MIDAS gen軟件對(duì)穿層柱進(jìn)行特征值屈曲分析，得到屈曲模態(tài)和屈曲臨界荷載，如圖8所示。根據(jù)壓桿穩(wěn)定的歐拉公式[12]，反算得穿層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ＝0.657，小于設(shè)計(jì)采用的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)1.25，表明在設(shè)計(jì)荷載下，該穿層柱在結(jié)構(gòu)整體破壞前不會(huì)先發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)。

圖8 穿層柱一階屈曲模態(tài)

因穿層柱(長(zhǎng)柱)與普通框架柱(短柱)剛度差異大，在大震作用下，易發(fā)生短柱先屈服后剛度退化，地震力轉(zhuǎn)移至處于彈性階段的長(zhǎng)柱，最終造成長(zhǎng)、短柱逐個(gè)破壞的非預(yù)期后果[13]，對(duì)穿層柱采取以下加強(qiáng)措施:(1)小震作用下地震剪力取相鄰普通框架柱剪力及樓層框架柱剪力平均值較大值；(2)箍筋直徑不小于12 mm，全高加密，提高變形能力；(3)加強(qiáng)上下層及相鄰跨樓板厚度，保證整體變形協(xié)調(diào)能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)研究分析了上蓋后開發(fā)對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留的影響，提出了從結(jié)構(gòu)預(yù)留技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選用、結(jié)構(gòu)體系選型、開發(fā)方案的結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則及后施工四個(gè)方面重點(diǎn)研究對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留影響。

(2)從抗震設(shè)防類別、安全等級(jí)、設(shè)計(jì)使用年限及耐久性設(shè)計(jì)四個(gè)方面研究預(yù)留結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提出合理的選用原則，避免上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)選用不恰當(dāng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，影響整體的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

(3)研究上蓋開發(fā)中不同結(jié)構(gòu)體系在建筑功能、空間、造價(jià)及避讓交通限界等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，提出滿足蓋下樞紐功能的結(jié)構(gòu)體系選型原則。

(4)基于適度富余預(yù)留開發(fā)荷載原則，提出了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及主要承重構(gòu)件預(yù)留加強(qiáng)措施，并分析了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在減少柱軸壓比方面的優(yōu)勢(shì)。

(5)總結(jié)上蓋開發(fā)常見體型不規(guī)則類型，研究不同使用功能的上蓋建筑常見體型不規(guī)則對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留影響，并提出相應(yīng)預(yù)留適應(yīng)性加強(qiáng)措施。

(6)研究了基于上蓋后開發(fā)施工對(duì)蓋下結(jié)構(gòu)的影響，提出預(yù)留后施工的基礎(chǔ)條件措施。

(7)結(jié)合某大型綜合交通樞紐的上蓋后開發(fā)項(xiàng)目，應(yīng)用本文研究成果，經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析驗(yàn)證，滿足結(jié)構(gòu)安全要求，獲得較好預(yù)留效果。