某地铁运行库上盖高层结构的厚板转换层抗震性能分析

地铁车辆基地运用库是全线车辆停放和检修的主要场所，因其占地面积大，利用上部空间进行房产物业开发是提高城市土地利用率和地铁投资回报率的有效途径，应用前景较为广阔。

设计运用库上部空间时，上部结构体系常采用框架结构、框架–剪力墙结构、剪力墙结构、钢结构和组合结构等多种结构体系；竖向构件转换主要采用部分抗侧力构件（剪力墙、核心筒）落地、部分竖向构件转换的形式；转换层常采用梁式或厚板 转换。

地铁车辆段上盖带转换层框架结构，设计一般具有以下难点：

（1）竖向体型收进或设置多塔；

（2）塔楼偏置；

（3）转换层结构处理，竖向构件不连续；

（4）平面凹凸不规则。

本文结合某地铁车辆基地运用库上盖的带转换层框–剪结构，采用midas GEN软件对上盖结构的转换层进行多尺度有限元分析，以考察其抗震性能要求。

1??工程概况

某地铁车辆基地运用库上盖的A3及A5楼为钢筋混凝土框支剪力墙结构，存在扭转不规则，凹凸不规则，刚度突变，竖向构件不连续（厚板、转换梁转换），承载力突变，斜墙等众多不规则项，属超限高层建筑工程项目。

A3及A5楼位于运用库01-03, 01-04, 01-05分区上方，利用这些分区预留的墙柱竖向构件来转换上部的A3及A5楼。

2??厚板转换层性能要求

按专项审查会专家组的咨询意见，厚板转换层（含转换梁）性能目标要求为“中震弹性、大震不屈服”（表1）。

表1??转换厚板构件抗震性能目标

注：*指满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构设计规程》中C级性能目标。

3??多尺度有限元分析模型

3.1??多尺度有限元计算模型

采用midas Gen 软件进行整体多尺度有限元分析。为考虑更真实的边界条件，建模时转换层的厚板、转换梁及厚板上下剪力墙，均采用实体单元，其余剪力墙则采用墙单元，楼板采用板单元，梁、柱采用梁单元。建模后整楼模型和转换板及厚板上下剪力墙实体单元网格如图1、图2所示。

图1??midas Gen整体多尺度有限元模型

图2??厚板转换层及上下墙体实体单元网格划分

3.2??材料参数、荷载及地震作用

（1）材料参数、梁、楼面永久荷载、可变荷载均按设计取值。

（2）地震作用：根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年修订版） 和地勘报告，本工程抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度值0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.45s。 中震及大震性能设计的参数按照规范取值（计算大震时，特征周期增加0.05?s）。

4??厚板转换层应力分析

4.1??设防地震作用下厚板转换层应力分析

采用等效线性化方法分析设防地震作用下楼板应力分布情况。

计算分析结果表明，在中震弹性包络工况下，转换厚板在上下剪力墙位置及洞口附近产生一定的应力集中，实际x向板面板底最大拉应力基本在6.9?MPa左右，y向板面板底最大拉应力基本在7.9?MPa左右，拉应力超出混凝土材料强度设计值；按厚板转换层构造配筋换算成允许拉应力应力值4?MPa进行筛选，超出构造配筋允许应力值的厚板区域范围较小；板面板底最大压应力约为18.8?MPa，未超出厚板混凝土材料强度设计值；板中xz平面内最大剪应力约为3.0?MPa，板中yz平面内最大剪应力约为3.8?MPa。

4.2??罕遇地震作用下厚板转换层应力分析

采用等效线性化方法对罕遇地震作用下楼板应力分布情况进行分析。

结果表明，在大震不屈服包络工况下，转换厚板在上下剪力墙位置及洞口附近产生一定的应力集中，实际x向板面板底最大拉应力基本在7.8?MPa左右，y向板面板底最大拉应力基本在10.5?MPa左右，最大拉应力超出混凝土材料强度标准值，按照厚板转换层构造配筋换算成允许拉应力应力值4.8?MPa进行筛选发现，超出构造配筋允许应力值的厚板区域范围较小；板面板底最大压应力约为18.6?MPa，未超出厚板混凝土材料强度标准值；板中xz平面内最大剪应力约为3.9?MPa，板中yz平面内最大剪应力约为4.7?MPa。

5??关键部位构件应力分析

根据建立的多尺度分析模型，进一步分析各工况作用下关键部位的转换梁、斜墙、下部承载剪力墙的应力分布情况。限于篇幅，仅给出部分关键构件大震工况下正应力计算结果如图3~图5所示。

图3??大震工况下关键部位转换梁构件σxx（计算机截图）

图4??大震工况下转换层下方斜墙正应力σzz（计算机截图）

图5??大震工况下转换层下方剪力墙正应力σzz（计算机截图）

根据应力分析结果可知，中震或大震包络工况下跨越区设置的转换大梁、转换层下方的斜墙及剪力墙的抗压强度均可满足，但拉应力均超出混凝土材料抗拉强度允许值。

6??转换层厚板抗震性能设计

按等效线性化方法算出转换板及其他关键构件的应力，可根据应力配筋法进行钢筋配置。下文仅以转换板的钢筋配置为例，介绍应力配筋法的应用。

6.1??应力配筋法的原理

根据SL191—2008《水工混凝土结构设计规范》，关键构件的钢筋用量可由弹性理论分析方法求得的弹性主拉应力图形及面积求得。应力配筋法的原理如图6所示。

图6??截面应力图

若已知结构截面的应力图，则计算受拉钢筋截面面积的基本公式为：

式中：K为承载力安全系数； 为钢筋抗拉强度设计值； T为由钢筋承担的拉力设计值，T=ωb； ω为截面主拉应力在配筋方向投影图形的总面积扣除其中拉应力值小于0.45 后的面积图形，但扣除部分面积不宜超过主拉应力的30%； b为结构的截面宽度。

若忽略混凝土的抗拉作用，同时承载能力安全系数取1.0，则上式为：    

则可以由 算出 关键构件的配筋。

6.2??厚板中震弹性正截面配筋计算

根据中震弹性各工况下的有限元计算，在上部荷载设计值作用下，板底最大拉应力σmax=7.9?N/mm，因此每1m板宽（b=1000mm）范围内总拉力T=ωb=5?135?000?N=5?135?kN，依据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》3.11.3相关规定，中震弹性验算时材料强度取材料设计值，则由 可计算出 1 4?264?m㎡，从而进行相应钢筋配置。

6.3??厚板大震不屈服正截面配筋计算

根据大震不屈服各工况下的有限元计算，在上部荷载设计值作用下，板底最大拉应力σmax=10.5?N/mm，因此每1m板宽（b=1?000?mm）范围内总拉力T=ωb=6?825?kN，依据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》3.11.3相关规定，中震弹性验算时材料强度取材料标准值，则由 可计算出 17?063?m㎡，从而进行相应钢筋配置。

7??结论

对地铁车辆基地运用库上盖结构的厚板转换层及关键构件进行抗震性能设计，得到结论如下。

（1）采用midas GEN软件建立厚板转换层高层建筑的多尺度有限元模型，进行抗震性能分析，结果表明厚板及其关键构件的混凝土抗压强度均可满足，但拉应力均超出混凝土材料抗拉强度允许值，应进行相应配筋设置抵抗拉应力。这种整体分析可一次到位，得到中震、大震工况下转换厚板或其他关键构件的应力结果，从而为应力配筋法奠定基础。 

（2）对转换厚板等关键实体构件，根据中震、大震相关工况的应力结果及现行规范的性能化设计相关要求，可采用应力配筋的方法进行设计，设计结果满足“中震弹性、大震不屈服”的性能要求。本文的目的是对转换厚板等关键构件的抗震性能化设计方面作一些探讨，可为同类工程的设计提供参考。