车辆段上盖厚板转换全框支剪力墙结构设计研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁第五勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划项目()作者简介:涂强()男安徽舒城人高级工程师主要从事项目及公司管理方面的工作:.引文格式:涂强.车辆段上盖厚板转换全框支剪力墙结构设计研究.铁道建筑技术():.车辆段上盖厚板转换全框支剪力墙结构设计研究涂 强(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京)摘 要:为实现车辆段上盖开发项目的高质量发展各地对行车及居住舒适性提出了更高要求盖上盖下轴网斜交布置的厚板转换全框支剪力墙结构应运而生 针对现行国家及地方标准对此类结构尚无相应规定的现状结合温州灵昆车辆段上盖开发项目对此类结构的设计进行了研究:归纳了此类结构的设计难点并给出了针对性的计算原则和构造措施并用这些原则和措施对本项目 区块进行了结构整体计算和板柱节点实体单元有限元分析 得出以下结论:为保证厚板转换全框支剪力墙结构安全应对关键部位和关键构件采取必要的加强措施转换层等效屈强比应大于.以实现盖上剪力墙先于盖下全框支框架屈服的屈服机制应强化板柱节点抗冲切能力保证大震作用下混凝土压应变不超过峰值压应变钢筋处于弹性工作状态应注重结构的侧向刚度、抗剪承载力、位移和楼层屈服强度等概念设计 这些成果可为该类结构设计标准的制订提供技术支持关键词:全框支剪力墙结构 厚板转换 车辆段 上盖开发 斜交轴网中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言国务院办公厅发布的关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见(国办发 号)明确指出要提高土地节约集约利用水平和空间利用效率 轨道交通车辆段上盖开发是土地集约利用的重要方式已是大势所趋 常见的车辆段上盖开发方案为:一层设车辆段综合基地、二层设汽车库及设备用房、二层顶板(以下简称“盖板”)以上设商业或住宅建筑 此类工程受轨道行车、检修等功能的影响盖上高层住宅的剪力墙铁道建筑技术 ()涂强:车辆段上盖厚板转换全框支剪力墙结构设计研究多数甚至全部无法落地需利用盖板处水平构件进行结构转换形成带转换层的全框支剪力墙结构体系已建成和在建中的上盖开发项目盖上盖下结构轴网多为正交布置转换形式以梁式转换为主地震高烈度区个别采用隔震或转换桁架形式 随着上盖开发项目的日渐成熟各地对此类项目提出了更高标准如温州灵昆车辆段上盖开发项目开发商要求盖上住宅满足南北朝向而由于车辆段使用条件的限制盖下很难做到南北朝向布置于是形成了盖上剪力墙住宅和盖下框架轴网斜交布置的形式斜交角度约为 此类型结构若采用梁式转换会形成多级转换梁且转换梁斜交节点型式复杂受力不明确、不合理若采用隔震层转换在灵昆这一地震 度区起不到应有的减隔震效果 采用厚板转换可解决以上转换方案的不足实现盖上盖下结构的完美结合 厚板转换全框支剪力墙结构形式应运而生也对结构设计提出了新的挑战和研究思路目前已有多个科研、设计机构对全框支剪力墙结构进行了研究:伍永胜等根据能力设计原理提出应控制楼层屈服强度系数并对框支层的层间位移角限值给出了建议姚永革等认为盖下框支框架应具有充足的承载力、盖上剪力墙应先于框支柱屈服并强调应进行可靠的性能化设计 杨坚等制定了盖下框支层结构的抗震性能目标李标通过结构倒塌机制分析提出了基于构件失效准则的抗震性能评估方法 但以往的研究缺乏厚板转换全框支剪力墙的设计经验 本文结合温州灵昆车辆段上盖开发项目对带厚板转换层的全框支剪力墙结构进行研究分析此类型结构在设计中需把握的重点和难点并提出合理的建议和措施 项目概况及设计难点.项目概况温州灵昆车辆段上盖开发项目位于 度(.)抗震设防地区首层为车辆检修基地东西向长 南北向宽度 二层为小汽车库盖上拟建 层住宅和商办建筑最大建筑高度约 住宅朝向与轨道走向夹角约 项目效果图如图 所示图 灵昆车辆段鸟瞰效果图结合盖下车辆段库房布置、轨道限界要求以及盖上物业开发组团和道路布置设置结构变形缝将整个项目分成 、等体型较简单的区块其典型剖面如图 所示图 车辆段全框支剪力墙结构典型剖面示意.设计难点温州灵昆车辆段上盖开发项目中许多区块均采用带厚板转换层的全框支剪力墙结构其设计难点主要体现在以下几方面:()结构体系超限 全框支剪力墙结构是一种新的结构体系现行国家规范无此类结构设计的相关规定和内容设计中缺少规范依据属于超限高层建筑()竖向不规则超限 根据车辆段使用功能的净高要求首层结构层高 为.二层车库作为转换层时层高 为.非转换时 为 层高差异大且转换层的侧向刚度和受剪承载力均较大使首层极易同时成为软弱层和薄弱层()平面不规则超限 物资库、检修库等生产用房的净高要求为.考虑结构梁高及设备管线的布置空间结构层高为 左右因此相关区域首层顶板需要大开洞才能满足使用功能导致楼板局部不连续盖上建筑塔楼下的框支转换柱因轴压比等原因往往设计为型钢混凝土巨型柱其刚度比结构外围框架柱的刚度大得多盖上建筑塔楼偏置造成结构质心与刚心的偏心距过大易出现扭转不规则()厚板转换 车辆段上盖物业开发一般采用“整体设计、分期开发”的方式盖上建筑往往在首层车辆段投入使用后另行开发方案不确定性大按厚板转换对首层结构及基础进行包络设计可以避免后期结构加固 车辆基地与盖上建筑朝向不一致盖板上下结构轴网斜交而厚板上下的墙、柱布置不受限制能避免梁式转换中多级转换的问题 但转换厚板具有结构自重大、刚度大等抗震不利因素其传力路径复杂大厚度板柱节点非对称冲切能力理论尚不成熟是设计中需重点考虑的关键部位()超长混凝土结构 车辆段占地面积巨大 可达 综合考虑建筑立面、防水、经济性等因素在设置伸缩缝后此类工程结构单元平面尺寸往往仍在 以上远超规范规定的伸缩缝间距限值铁道建筑技术 ()涂强:车辆段上盖厚板转换全框支剪力墙结构设计研究属超长混凝土结构一般超长混凝土结构可设置后浇带来释放混凝土收缩应力、温度应力以及不均匀沉降附加应力 分期开发的车辆段上盖项目施工时间间隔大盖上建筑后期施工将对其影响范围内已沉降稳定的盖下结构施加巨大的二次荷载引起新的不均匀沉降 二次沉降引起的上部结构附加应力无法释放在位于沿海软土地区的工程中更为明显可能导致结构倾斜、构件开裂结构设计应尤为注意 结构设计基于现行国家及地方标准结合工程调研分析和超限审查专家意见针对厚板转换全框支剪力墙结构中的结构体系超限、规则性超限、厚板转换、超长结构等设计难点提出计算分析原则和构造加强措施并将其应用于温州灵昆车辆段上盖开发项目中 区块的结构设计进行验证.结构体系超限针对全框支剪力墙结构超限的计算分析原则如下:()分三步进行整体结构的抗震性能设计:一是小震作用下的反应谱分析和时程分析检验小震时结构的受力和变形情况二是中震作用下的反应谱分析检验构件能否满足中震性能目标三是大震作用下的弹塑性分析确定结构的大震破坏机制找出需要加强的薄弱部位分析关键部位构件和节点的塑性开展情况和损伤情况判断结构的大震抗倒塌性能()结构抗震性能目标设定为 级结构预期震后性能状况如表 所示表 结构预期震后性能构件类别小震中震抗剪抗弯大震抗剪抗弯普通耗能构件弹性 不屈服部分屈服大部分屈服大部分屈服普通竖向构件弹性弹性不屈服部分屈服且满足最小抗剪截面部分屈服关键构件弹性弹性弹性弹性不屈服底部加强区剪力墙弹性弹性弹性部分屈服且满足最小抗剪截面部分屈服注:()普通耗能构件包括首层框架梁、转换层转换范围外的框架梁、剪力墙连梁()普通竖向构件包括转换范围外的首层及转换层框架柱、非底部加强区剪力墙()关键构件包括转换范围内的水平转换构件、首层及转换层框支柱()剪力墙底部加强区的高度从盖板顶面算起且不少于 层在满足以上性能目标的基础上可进一步提高框支层的强度建议转换层下部楼层屈服强度系数不小于.且大于转换层以上高度 范围内楼层屈服强度系数的最大值 将转换层下部楼层屈服强度系数最小值与转换层以上高度 范围内楼层屈服强度系数最大值的比值定义为转换层等效屈强比当其大于.时可保证“先上部后下部”的屈服机制和结构抗倒塌能力其中 接近且不大于转换层下部结构高度()采用不少于两个合理的不同力学模型用不同软件分别进行小震弹性计算并做相互比较和分析以保证计算结果准确()结构抗震计算时选取的振型数应满足振型参与有效质量大于总质量的 且不小于 和塔楼个数的 倍()小震弹性时程分析采用的地震波与反应谱分析采用的地震影响曲线应在统计意义上相符输入 组以上合理地震波进行计算并与反应谱法得到的底部剪力、楼层剪力和层间位移进行比较取较大值进行设计大震弹塑性时程分析采用双向地震输入()加强关键部位构件的构造措施 塔楼及其周围两跨盖下结构按现行规范对部分框支剪力墙结构的要求确定抗震等级但框支柱及底部加强区剪力墙的抗震等级应提高一级在框支柱内设置型钢纵筋最小配筋率提高以上箍筋全高加密并提高配箍率以增大其强度和延性 其余部位可按框架结构确定抗震等级.规则性超限车辆段上盖开发工程中厚板转换全框支剪力墙结构极易出现表 中的不规则项表 判定结构超限的主要不规则项序号不规则类型简要含义扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比大于.楼板不连续楼板有效宽度小于 开洞面积大于 刚度突变相邻层刚度变化大于 或者连续三层变化大于 层刚度偏小本层侧向刚度小于相邻上层的 尺寸突变多塔塔楼偏置单塔或多塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长 竖向抗侧力构件不连续墙、柱、支撑的内力由水平转换构件向下传递承载力突变相邻层受剪承载力变化大于 抗扭刚度弱扭转周期比大于.超过 级高度结构扭转周期比大于.应通过调整结构布置尽量减少不规则的类型和程度设计时可采取如下计算及构造加强措施:()按整体模型及分塔模型分别计算分塔计算时附带两跨盖下结构取不利结果进行设计()采用整体模型和分塔模型分别计算扭转位移比和周期比严格按规范控制指标通过加强盖下结构外围墙柱刚度、适当削弱中间墙柱刚度、调整上部剪力墙布置和连梁高度等措施减小结构质心和刚心的偏离降低结构扭转效应尽量减轻扭转不规则和抗扭刚度超限程度铁道建筑技术 ()涂强:车辆段上盖厚板转换全框支剪力墙结构设计研究()严格按规范控制位移角指标 结合抗震性能目标满足规范要求的层间位移角(见表)表 结构层间位移角指标名称小震中震大震弹性层间位移角 弹塑性层间位移角)不存在层刚度偏小且此项与尺寸突变不重复计算因此没有增加结构不规则项首层为软弱层地震剪力应按规范要求增大后进行设计 最小受剪承载力比满足规范要求整体模型和分塔模型的位移比极值出现在不同方向因此应分别验算整体指标按先分塔后整体的顺序调整模型 底部两层最大层间位移比均超过规范限值表明结构存在扭转不规则 但图 显示首层和二层的层间位移角远小于规范限值对扭转不规则的判定可适当放宽在设计时仍放大盖下周边构件的地震作用来考虑扭转效应图 层间位移角曲线()在大震作用下计算转换层等效屈强比 表、表 分别给出整体模型和分塔模型中结构底部几层的屈服强度系数表 整体模型楼层屈服强度系数楼层抗剪承载力/大震楼层剪力/屈服强度系数 .表 分塔模型楼层屈服强度系数楼层抗剪承载力/大震楼层剪力/屈服强度系数 .从表、表 可知分塔模型的最小转换层等效屈强比为.整体模型为.分塔模型较大 这是由于对承载力贡献大的型钢混凝土巨型柱集中分布在分塔模型中所致因此建议设计时控制整体模型的转换层等效屈强比大于而分塔模型的转换层等效屈强比大于.板柱节点抗冲切验算按.节的要求配筋并按图 构造做法加强板柱节点后对转换厚板进行抗冲切验算 相比板墙节点板柱节点更有可能因应力集中发生冲切破坏 分别对角柱、边柱和中柱进行板柱节点抗冲切验算节点模型如图 所示模型已将型钢、钢筋嵌入混凝土中协同受力图 板柱节点抗冲切验算模型柱底施加大震作用下 层不同位置框支柱的最大轴力 表 给出有限元分析得到的混凝土、钢筋和型钢应力主要结果表 板柱节点有限元分析结果位置混凝土最大主压应变/最大 等效应力/板钢筋柱纵筋型钢角柱.边柱.中柱.中柱节点的应力应变较大在最大荷载作用下混凝土三个方向的最大压应变均未超过混凝土峰值压应变 ()混凝土受压损伤主要发生在板柱交接处柱的四角位置损伤程度极轻板内柱内钢筋和型钢的最大 等效应力均小于钢材屈服强度 处于弹性工作范围内 结论结合温州灵昆车辆段上盖开发项目对带厚板转换(下转第 页)铁道建筑技术 ()徐涛:盾构机销轴快速拆装工装设计研究内应力计算得出将销轴从生锈后的销孔内拆卸出来的最小外力为.()根据将销轴从生锈后的销孔内拆卸出来的最小外力再结合将销轴从铰接座销孔内拆出所移动的距离和紧固件材料库中螺杆的常用型号最终确定螺杆规格为 ()根据将销轴从生锈后的销孔内拆卸出来的最小外力计算得出施加在旋柄上的最小扭矩值为 ()通过对工装的三维建模及有限元分析根据分析结果对工装进行针对性的优化改进设计改进后的工装分析结果得到明显改善结构的安全系数高达 结构可靠符合设计参考文献 雷升祥申艳军肖清华等.城市地下空间开发利用现状及未来发展理念.地下空间与工程学报():.武文婷.城市地下空间开发存在的问题及对策.工程建设与设计():.王桂新.中国“大城市病”预防及其治理.南京社会科学():.王桂新.我国大城市病及大城市人口规模控制的治本之道:兼谈北京市的人口规模控制.探索与争鸣():.李喆江媛姜礼杰等.我国隧道和地下工程施工技术与装备发展战略研究.隧道建设(中英文)():.邹海炎.中大直径竖井钻爆法掘进凿岩设备研究及应用.铁道建筑技术():.金加奇孔祥伟赵清洲等.用于飞机舱门装配的柔性工装设计.机械设计与制造():.王亚男.高铁与城铁混合底架结构的制造新工艺与工装设计研究.现代制造工程():.朱奇张鑫黄宇华.长臂架泵车空心销轴装配工装设计与应用.建筑机械化():.杨戬.销轴工装的研究与应用.石油化工安全环保技术():.郭寿鹏李晓桐李梅广等.轧钢铁鳞的综合利用技术.山东冶金():.吴祝民.热轧带钢氧化铁皮的成因及对策.轧钢():.成大先.机械设计手册.北京:化学工业出版社.(上接第 页)层的全框支剪力墙结构进行了研究根据理论分析和计算结果得出如下结论:()厚板转换全框支剪力墙结构体系虽超出规范规定的范围但进行抗震性能设计和合理运用构造加强措施可以保证结构安全为车辆段上盖开发项目中盖上盖下轴网斜交布置、剪力墙无法落地的问题提供了解决办法()为保证先上部后下部的屈服机制定义转换层等效屈强比来定量比较框支层与上部楼层的屈服能力应控制整体模型的转换层等效屈强比大于.分塔模型的转换层等效屈强比大于.且应控制转换层下部楼层屈服强度系数不小于.()转换厚板在全框支结构体系中尤为关键设计时应采取多项措施提高其抗震性能并强化板柱节点抗冲切能力保证大震作用下混凝土压应变不超过峰值压应变钢筋处于弹性工作状态()整体计算时应注重结构的侧向刚度、抗剪承载力、位移和楼层屈服强度等指标:应同时采用转换层等效剪切刚度比和等效侧向刚度比来控制转换层上下结构的侧向刚度对楼层侧向刚度比的限制可适当放松但应控制软弱层侧向刚度不小于相邻上层的 且不应同时出现受剪承载力突变当结构位移远小于规范对小震、中震、大震作用下层间位移角的限值时可适当放宽对扭转位移比的限制但仍应放大此层周边构件的地震作用来提高结构抗扭转能力参考文献 国务院办公厅.关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见:国办发 号/.().:./.朱小刚.地铁车辆段上盖物业转换层结构优化设计.铁道建筑技术():.伍永胜农兴中.地铁车辆段上盖高层建筑结构体系研究与应用.建筑结构():.姚永革郑建东严仕基等.全框支剪力墙结构设计若干难点热点问题探讨.建筑结构():.杨坚林鹏杨坤等.以“强下部弱上部”为目标的性能设计在地铁车辆段上盖全框支转换结构中的运用.建筑结构():.李标.高层建筑全框支剪力墙结构抗震性能研究.广州:华南理工大学.张学民戴贞亮汤志杰等.深圳某有轨电车上盖项目厚板转换设计研究.建筑结构():.贾晓宏.城市轨道交通首座车辆基地的设计特点.铁道标准设计():.张军.城市轨道交通车辆段上盖物业特点分析.城市轨道交通研究():.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范:.北京:中国建筑工业出版社:.中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程:.北京:中国建筑工业出版社:.扶长生鞠进姜平.钢筋混凝土转换厚板的抗震设计.建筑结构():.铁道建筑技术 ()