某地鐵運(yùn)行庫上蓋高層結(jié)構(gòu)的厚板轉(zhuǎn)換層抗震性能分析

地鐵車輛基地運(yùn)用庫是全線車輛停放和檢修的主要場所，因其占地面積大，利用上部空間進(jìn)行房產(chǎn)物業(yè)開發(fā)是提高城市土地利用率和地鐵投資回報率的有效途徑，應(yīng)用前景較為廣闊。設(shè)計運(yùn)用庫上部空間時，上部結(jié)構(gòu)體系常采用框架結(jié)構(gòu)、框架–剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)體系；豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換主要采用部分抗側(cè)力構(gòu)件（剪力墻、核心筒）落地、部分豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換的形式；轉(zhuǎn)換層常采用梁式或厚板轉(zhuǎn)換。地鐵車輛段上蓋帶轉(zhuǎn)換層框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計一般具有以下難點：（1）豎向體型收進(jìn)或設(shè)置多塔；（2）塔樓偏置；（3）轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)處理，豎向構(gòu)件不連續(xù)；（4）平面凹凸不規(guī)則。本文結(jié)合某地鐵車輛基地運(yùn)用庫上蓋的帶轉(zhuǎn)換層框–剪結(jié)構(gòu)，采用midasGEN軟件對上蓋結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層進(jìn)行多尺度有限元分析，以考察其抗震性能要求。1、工程概況某地鐵車輛基地運(yùn)用庫上蓋的A3及A5樓為鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，凹凸不規(guī)則，剛度突變，豎向構(gòu)件不連續(xù)（厚板、轉(zhuǎn)換梁轉(zhuǎn)換），承載力突變，斜墻等眾多不規(guī)則項，屬超限高層建筑工程項目。A3及A5樓位于運(yùn)用庫01-03,01-04,01-05分區(qū)上方，利用這些分區(qū)預(yù)留的墻柱豎向構(gòu)件來轉(zhuǎn)換上部的A3及A5樓。2、厚板轉(zhuǎn)換層性能要求按專項審查會專家組的咨詢意見，厚板轉(zhuǎn)換層（含轉(zhuǎn)換梁）性能目標(biāo)要求為“中震彈性、大震不屈服”（表1）。表1轉(zhuǎn)換厚板構(gòu)件抗震性能目標(biāo)注：*指滿足JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中C級性能目標(biāo)。3、多尺度有限元分析模型3.1多尺度有限元計算模型采用midasGen軟件進(jìn)行整體多尺度有限元分析。為考慮更真實的邊界條件，建模時轉(zhuǎn)換層的厚板、轉(zhuǎn)換梁及厚板上下剪力墻，均采用實體單元，其余剪力墻則采用墻單元，樓板采用板單元，梁、柱采用梁單元。建模后整樓模型和轉(zhuǎn)換板及厚板上下剪力墻實體單元網(wǎng)格如圖1、圖2所示。圖1midasGen整體多尺度有限元模型圖2厚板轉(zhuǎn)換層及上下墻體實體單元網(wǎng)格劃分3.2材料參數(shù)、荷載及地震作用（1）材料參數(shù)、梁、樓面永久荷載、可變荷載均按設(shè)計取值。（2）地震作用：根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016年修訂版）和地勘報告，本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震基本加速度值0.10g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.45s。中震及大震性能設(shè)計的參數(shù)按照規(guī)范取值（計算大震時，特征周期增加0.05?s）。4、厚板轉(zhuǎn)換層應(yīng)力分析4.1設(shè)防地震作用下厚板轉(zhuǎn)換層應(yīng)力分析采用等效線性化方法分析設(shè)防地震作用下樓板應(yīng)力分布情況。計算分析結(jié)果表明，在中震彈性包絡(luò)工況下，轉(zhuǎn)換厚板在上下剪力墻位置及洞口附近產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，實際x向板面板底最大拉應(yīng)力基本在6.9?MPa左右，y向板面板底最大拉應(yīng)力基本在7.9?MPa左右，拉應(yīng)力超出混凝土材料強(qiáng)度設(shè)計值；按厚板轉(zhuǎn)換層構(gòu)造配筋換算成允許拉應(yīng)力應(yīng)力值4?MPa進(jìn)行篩選，超出構(gòu)造配筋允許應(yīng)力值的厚板區(qū)域范圍較小；板面板底最大壓應(yīng)力約為18.8?MPa，未超出厚板混凝土材料強(qiáng)度設(shè)計值；板中xz平面內(nèi)最大剪應(yīng)力約為3.0?MPa，板中yz平面內(nèi)最大剪應(yīng)力約為3.8?MPa。4.2罕遇地震作用下厚板轉(zhuǎn)換層應(yīng)力分析采用等效線性化方法對罕遇地震作用下樓板應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在大震不屈服包絡(luò)工況下，轉(zhuǎn)換厚板在上下剪力墻位置及洞口附近產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，實際x向板面板底最大拉應(yīng)力基本在7.8?MPa左右，y向板面板底最大拉應(yīng)力基本在10.5?MPa左右，最大拉應(yīng)力超出混凝土材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，按照厚板轉(zhuǎn)換層構(gòu)造配筋換算成允許拉應(yīng)力應(yīng)力值4.8?MPa進(jìn)行篩選發(fā)現(xiàn)，超出構(gòu)造配筋允許應(yīng)力值的厚板區(qū)域范圍較?。话迕姘宓鬃畲髩簯?yīng)力約為18.6?MPa，未超出厚板混凝土材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；板中xz平面內(nèi)最大剪應(yīng)力約為3.9?MPa，板中yz平面內(nèi)最大剪應(yīng)力約為4.7?MPa。5、關(guān)鍵部位構(gòu)件應(yīng)力分析根據(jù)建立的多尺度分析模型，進(jìn)一步分析各工況作用下關(guān)鍵部位的轉(zhuǎn)換梁、斜墻、下部承載剪力墻的應(yīng)力分布情況。限于篇幅，僅給出部分關(guān)鍵構(gòu)件大震工況下正應(yīng)力計算結(jié)果如圖3~圖5所示。圖3大震工況下關(guān)鍵部位轉(zhuǎn)換梁構(gòu)件σxx（計算機(jī)截圖）圖4大震工況下轉(zhuǎn)換層下方斜墻正應(yīng)力σzz（計算機(jī)截圖）圖5大震工況下轉(zhuǎn)換層下方剪力墻正應(yīng)力σzz（計算機(jī)截圖）根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果可知，中震或大震包絡(luò)工況下跨越區(qū)設(shè)置的轉(zhuǎn)換大梁、轉(zhuǎn)換層下方的斜墻及剪力墻的抗壓強(qiáng)度均可滿足，但拉應(yīng)力均超出混凝土材料抗拉強(qiáng)度允許值。6、轉(zhuǎn)換層厚板抗震性能設(shè)計按等效線性化方法算出轉(zhuǎn)換板及其他關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力，可根據(jù)應(yīng)力配筋法進(jìn)行鋼筋配置。下文僅以轉(zhuǎn)換板的鋼筋配置為例，介紹應(yīng)力配筋法的應(yīng)用。6.1應(yīng)力配筋法的原理根據(jù)SL191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，關(guān)鍵構(gòu)件的鋼筋用量可由彈性理論分析方法求得的彈性主拉應(yīng)力圖形及面積求得。應(yīng)力配筋法的原理如圖6所示。圖6截面應(yīng)力圖若已知結(jié)構(gòu)截面的應(yīng)力圖，則計算受拉鋼筋截面面積的基本公式為：式中：K為承載力安全系數(shù)；為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；T為由鋼筋承擔(dān)的拉力設(shè)計值，T=ωb；ω為截面主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積扣除其中拉應(yīng)力值小于0.45后的面積圖形，但扣除部分面積不宜超過主拉應(yīng)力的30%；b為結(jié)構(gòu)的截面寬度。若忽略混凝土的抗拉作用，同時承載能力安全系數(shù)取1.0，則上式為：

則可以由算出關(guān)鍵構(gòu)件的配筋。6.2厚板中震彈性正截面配筋計算根據(jù)中震彈性各工況下的有限元計算，在上部荷載設(shè)計值作用下，板底最大拉應(yīng)力σmax=7.9?N/mm，因此每1m板寬（b=1000mm）范圍內(nèi)總拉力T=ωb=5?135?000?N=5?135?kN，依據(jù)JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.11.3相關(guān)規(guī)定，中震彈性驗算時材料強(qiáng)度取材料設(shè)計值，則由可計算出14?264?m㎡，從而進(jìn)行相應(yīng)鋼筋配置。6.3厚板大震不屈服正截面配筋計算根據(jù)大震不屈服各工況下的有限元計算，在上部荷載設(shè)計值作用下，板底最大拉應(yīng)力σmax=10.5?N/mm，因此每1m板寬（b=1?000?mm）范圍內(nèi)總拉力T=ωb=6?825?kN，依據(jù)JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.11.3相關(guān)規(guī)定，中震彈性驗算時材料強(qiáng)度取材料標(biāo)準(zhǔn)值，則由可計算出17?063?m㎡，從而進(jìn)行相應(yīng)鋼筋配置。7、結(jié)論對地鐵車輛基地運(yùn)用庫上蓋結(jié)構(gòu)的厚板轉(zhuǎn)換層及關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行抗震性能設(shè)計，得到結(jié)論如下。（1）采用midasGEN軟件建立厚板轉(zhuǎn)換層高層建筑的多尺度有限元模型，進(jìn)行抗震性能分析，結(jié)果表明厚板及其關(guān)鍵構(gòu)件的混凝土抗壓強(qiáng)度均可滿足，但拉應(yīng)力均超出混凝土材料抗拉強(qiáng)度允許值，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)配筋設(shè)置抵抗拉應(yīng)力。這種整體分析可一次到位，得到中震、大震工況下轉(zhuǎn)換厚板或其他關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果，