浅谈TOD项目大底盘多塔隔震结构设计内容

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浅谈TOD项目大底盘多塔隔震结构设计内容
蔡晓光
北京广远工程设计研究院有限公司 北京 100124
摘 要 随着国内TOD项目的蓬勃发展，一系列关于地铁车辆段上盖开发的结构设计难题也随之显现，如层间隔震设计要点，抗震性能化设计中性能目标的制定，框支转换的形式、项目执行过程中的痛点等。

论文通过对“TOD”项目的概述，提出了大底盘多塔隔震结构设计难点及措施以供参考。

关键词 TOD；减隔震；框支；车辆段；上盖开发
Brief Discussion of Large-Chassis Multi-Tower Seismic Isolation Structure Design Content of TOD project
Cai Xiao-guang
Beijing Guangyuan Engineering Design Institute Co., Ltd., Beijing 100124, China
Abstract With the vigorous development of domestic TOD projects, a series of structural design problems regarding the development of the superstructure of subway depots have also emerged, such as key points of interlaminar seismic isolation design, formulation of performance goals in seismic performance-based design, form of frame support conversion, difficult points in project implementation. Through the overview of the “TOD” project, this article puts forward the design difficulties and measures for the large-chassis multi-tower seismic isolation structure for reference.Key words TOD; seismic isolation; frame support; depot; superstructure development
1 “TOD”项目概念
TOD （Transit Oriented Development ），即以大运量的公共交通整合混合用地的城市布局呼应了新城市主义提倡的步行、环境以及历史文化友好的发展原则[1]。

十九世纪末，美国郊区交通方式以蒸汽机车、有轨电车为主。

蒸汽机车因其行驶快、加减速慢等特点，多设置于城市核心区通勤。

与现代地铁、轻轨有所区别的是，由于其大噪音、重污染的特点，其周边地块无法就近开发，多在距其数千米外建设；而有轨电车与之相反，由于其启动、制动较快、安静、无污染的特点，致使它适用于城市中心，也进一步推动了沿线地块开发。

这种状态持续不久后，因汽车业的发展壮大，北美城市发展又进入了“离心化”发展道路，即外郊开发速度大于城市内郊。

由于郊区开发速度过快，城市逐渐进入了向周边蔓延的现象，即“城市蔓延”现象。

此时，一系列针对郊区蔓延的方案和措施出现，其中也包括了“新城市”主义。

“新城市”主义实践层面主要为传统街区回归城市核心，打造紧凑、活力形社区，其代表性概念包含传统街区发展（TND ）、步行口袋 （Pedestrian Pocket ）、公交村落（Transmit Village ）等。

“TOD ”正是由彼得· 卡尔索普（Peter Calthorpe ）从“步
行口袋”概念演变而来。

简而言之，其旨在最大程度利用城市核心地块，将轨道交通与社区工作、生活等紧密结合在一起，使城市在有限空间内尽可能紧凑而又不失活力。

2 “层间隔震”设计概念
结合中国国情，伴随经济基础的日渐铺高，“上层建筑”也不甘示弱。

我国城市轨道的铺设步伐日渐迅速，而伴随地铁线路的大面积铺设、用地，城市核心圈的地块开发问题也日渐紧张。

在这种背景下，TOD 规划和开发也逐渐登上舞台。

如何最大限度利用好城市轨道交通建设用地，是城市规划和建筑业的共同课题。

地铁车辆段盖上开发便是衍生于“TOD ”背景下的项目类型，其主要理念在于实现车辆段基地盖下通车，盖上进行商业、民生项目开发，对于结构专业，这种类型的项目主要结构特点包括“大底盘多塔”“特别不规则”“框支转换”“高烈度地区地震影响系数大”等。

隔震建筑便是利用在结构体系中设置隔震装置（隔震支座），在地震作用下，使得支座以上结构可以产生较大平动位移，尽可能多的耗散掉地震能量，达到减小上部结构地震效应的目的。

现行的主要隔震支座类型包含：橡胶隔震支座、弹性
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滑板隔震支座、摩擦摆隔震支座、弹簧隔震支座等。

层间隔震便是将隔震支座设置在结构中下部某个相对有利位置，这样，整个结构由下而上被分为了下部结构、隔振层、上部结构三个区段。

结构设计中，常以减震系数（详《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）12.2.5）来体现隔震支座减小地震影响系数的程度。

一般情况下，水平向减震系数应通过隔震结构和非隔震结构对应层最大层间剪力的比值中的最大值确定（对于高层结构，尚应计算隔震与非隔震各层倾覆力矩的最大比值），同时，隔振层以上结构的总水平地震作用不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用。

关于隔震支座的选型和参数设置，由于其参数直接决定项目“减度”目标，所以，应尽可能与相关厂家进行沟通，确定支座水平刚度、竖向刚度等参数的可实施性范围，否则，对于计算得减震系数始终会存在一定的误导和理想化。

3 M结构设计内容
结合轨道交通行业特点，由于盖板下方柱网要满足列车出入库、并线等地铁运营功能需求，所以盖下框支部分顺轨方向，柱列间距普遍较大、梁跨度也较大，这对结构选型造成了一定程度的困难。

再加上框支转换、多塔等一系列不利于结构布置和计算的因素，直接或间距导致车辆段基地结构出现超限项，一般主要体现在以下几项：扭转不规则（偶然偏心规定水平力下位移比超1.2）、凹凸不规则、竖向构件不连续、塔楼偏置（单塔或多塔合质心与大底盘质心偏心距大于底盘相应边长的20%）等。

因为大多超限的客观存在性，很多时候无法避免，这也为整个结构设计计算带来不小的困难。

由于客观上无法避免的结构超限存在，再加上隔震的参与，对整个结构设计也提出更高的专业要求，抗震性能化设计在所难免。

结合《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）、《建筑隔震设计标准》（征求意见稿）的相关条款知：
下部结构设计内容主要包括隔振层以下结构构件的承载力验算、变形验算。

承载力验算时，应考虑上部结构传来的轴力、弯矩、水平剪力及由隔振层水平变形产生的附加弯矩，此外还需满足中震、大震下相应弹塑性层间位移角的变形要求。

这里以框架-抗震墙下部结构为例，设防地震下，其弹性层间位移角不应大于1/800，罕遇地震下，其弹塑性层间位移角不应大于1/300。

隔振层应作为上部结构的一部分进行计算和设计，因其往
往是转换层（托墙转换），在构件层面，除了要满足转换构件的特殊规定外，隔震层的结构平面布置刚度中心宜与质量中心尽可能重合，避免偏心引起较大扭转。

此外，隔震层主要验算内容还包括隔震支座的压应力和水平位移[2]。

这里以橡胶支座为例，橡胶隔震支座在重力荷载代表值下的竖向压应力不应超过甲类-10Mpas 、乙类-12Mpa 、丙类-15Mpa （甲、乙、丙为建筑类别），这里压应力设计值为永久荷载和可变荷载的组合工况，楼面活荷载应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定进行折减；且此时支座上述压应力限值还应考虑与其形状系数有关的修正。

而在罕遇地震作用下的最大竖向压应力也不应超过甲类-20Mpas 、乙类-25Mpa 、丙类-30Mpa （甲、乙、丙为建筑类别），拉应力不应超过甲类-0.0Mpas 、乙类-1.0Mpa 、丙类-1.0Mpa （甲、乙、丙为建筑类别）。

橡胶隔震支座在规定压应力下的水平位移极限设计值，需小于min[0.55d0，3t]，d0是橡胶支座有效直径，t 是支座内部橡胶总厚度；另外，其破坏极限水平位移需小于4t 。

上部结构设计时，由于减震系数导致上部结构地震剪力计算值减小，对于上部结构的选型极为有利，但应注意上部结构的抗震措施降低不得高于一度。

此外，上部结构的在设防地震、罕遇地震下的弹性层间位移角、弹塑性层间位移角也应符合相关要求，这里以抗震墙结构为例，其弹性层间位移角上限为甲类-1/1000，乙类-1/800，丙类-1/750（甲、乙、丙为建筑抗震设防类别）；弹塑性层间位移角上限为1/300。

4 大底盘多塔隔震结构设计难点及措施
4.1 性能水准
该类结构由于超限、隔震两个因素的参与，结构设计一般都会采用抗震性能化设计方法，那么，针对不同重要性的构件的性能水准、性能目标应合理制定。

性能目标过高时，一方面结构选型计算十分困难，另一方面对于不是特别重要的构件，若强行要求其在超越概率极低的地震作用水准下保持弹性或不屈服，势必造成极大的资源浪费，可行性不高。

但性能水准定的过低，又会牺牲掉结构相当水平的安全储备，显然也不够合理。

所以对于这类结构，如何合理制定相关构件的性能目标，对于结构设计、工程造价、资源利用率都显得极为关键。

在上盖结构设计工作实操过程中，性能化设计一般可以采用PKPM 、YJK 类软件依据高规、抗规进行小、中、大震的构件性能指定和性能包络设计，但应注意的是，由于性能化设计中的部分公式不考虑结构构件与抗震等级相关的内力调整，所以务必需要核查所使
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用的软件版本是否需要手改中、大震下的抗震等级[3]。

4.2 框支结构多级、多层转换
现在的结构转换形式多见的一般有三类：①大梁转换，传力路径为墙-大梁-柱，路径清晰简便，便于设计和施工。

缺点是上部柱网受限较严重，一般为了避免多级转换，会尽可能将上部柱网进深按下部柱网调整，方案布置不够灵活。

②厚板转换，这种转换方式由于板内受力情况不够明确，传力路径不够清晰，而且因其厚度往往很大，直接导致下部结构负担加重，不利于抗震，可行性一般；③桁架转换，该种转换形式受力简单，传力路径明确，但其缺点是，高度方向往往较大，工艺或建筑净空会较受限。

综上而言，实际工程中使用较多的还是大梁转换，但因为轨道交通项目客观特点，导致其盖顶柱网总会不很规则，尤其在车辆段咽喉区部分，下部柱网受轨道专业限界影响，布置极其无序。

很多情况下，盖顶都会存在多级转换现象，在一些项目中甚至还会存在多层、多级转换，即隔震层顶、盖顶双层多级转换（上部剪力墙落在隔震层顶转换梁，隔震层支柱落在盖顶转换梁）。

这直接增加了结构设计的难度和安全底线的把控难度。

笔者认为，针对前者不可避免的多级转换现象，应尽可能合理规划上部使用功能，让大荷载区域避免直接坐落多级转换梁上，同时，也可考虑使用钢结构这类相对小质量的上部结构；而针对后者多层转换现象，除了控制支座下方转换梁的承载力外，应尽量控制支座下方转换梁挠度变形，或通过适当起拱等措施，旨在避免隔振层不同支柱的不均匀下挠，放大上部结构的二阶效应；同时支座面压应留有足够余量，避免隔振层支柱不均匀下挠导致支座面压超限。

此外，由于框支转换的大规模使用，在合理可控的情况下，应尽可能减小转换构件的跨度，且当其超过8m 时，务必依据高规考虑竖向地震作用。

4.3 结构建设的断层性
因为TOD 项目本事体量规模相对较庞大，现多采用下部结构先设计、先建设，隔振层包括上部结构后设计、后施工，两阶段的时间跨度可能达到数年甚至十数年，从结构设计角度看，这对盖下设计的强度和整体指标预留提出较高要求，下部结构设计阶段必须保证有足够的强度和指标预留空间，否则，后期二级开发阶段，会十分被动。

由于TOD 项目具有长生命周期、预留上盖荷载等特点，必然导致设计过程中流程化、文件化严重，所以保证整个设计阶段的提反资材料的有效性和可实施性是重中之重。

4.4 结构设计周期、硬件要求
由于超限结构需要进行抗震专项审查，并进行相应的性能包络、多塔包络、弹塑性时程分析、损伤模拟计算等前置条件，同时上述计算对计算机硬件要求较高，这类项目进度安排上应考虑到项目特点，为结构专业配置相对高的硬件水平，给前期超限计算和评审留有足够的空间，后期无论设计还是施工，都能做到得心应手，否则处处受限。

5 结束语
笔者结合TOD 项目设计过程中亲历的一些认知和痛点，旨在为轨道交通行业的结构从业同行提供微薄见解，以期共同进步，并希冀未来轨道交通行业车辆段TOD 项目的执行难点得到更多的攻克。

参考文献
[1] 李珽,史懿亭,符文颖.TOD 概念的发展及其中国化[J].国际城市规划,2015,30(3):72-77.
[2] 赵恒晶,富秋实.大底盘多塔高层建筑结构设计的关键问题[J].浙江建筑,2011,28(3):17-26.
[3] 许文,戴君武,柏文,等.某轨道交通上部续建结构减隔震技术的应用[J].建筑结构
,2019(40):422-427.。