珠海拱北口岸擴(kuò)建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李巨民 張?zhí)官t

(1．珠海市建筑設(shè)計(jì)院，珠海519000;2．上海同華特種土木工程有限公司，上海200092)

1 工程概況

珠海拱北口岸出入境聯(lián)檢大樓地處珠海市香洲區(qū)拱北繁華地段，與澳門關(guān)閘緊密銜接，是我國對(duì)外交往的主要門戶之一，座落于珠海市迎賓南路的南端。大樓北臨口岸廣場，南接澳門關(guān)閘，東鄰情侶南路與海相望，西通昌盛路。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及時(shí)代的變遷，出入境人流逐漸增多，原有聯(lián)檢大樓規(guī)模已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求，政府決定在原聯(lián)檢大樓的兩側(cè)各擴(kuò)建一座三層聯(lián)檢樓，與原有大樓共同組成全長約313 m的三段式聯(lián)檢大樓。

擴(kuò)建工程總建筑面積約為4．3萬m2，地上三層，地下一層，地下室面積約1．0萬m2。擴(kuò)建工程分為入境樓和出境樓兩棟幾乎對(duì)稱的獨(dú)立單體，地上三層，層高分別為6 m、6 m、4．5 m。地下室層高為4．9 m，頂板局部覆土0．6 m。地下室局部為平戰(zhàn)結(jié)合的六級(jí)人防地下室，其他部分均為停車庫。工程建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)，在設(shè)計(jì)考慮的環(huán)境類別中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度值為0．10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地土的類型屬于軟弱場地土土，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期為0．45 s。地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

本工程主體高度20．10 m，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)，取50年一遇的基本風(fēng)壓W0=0．85 kN/m2，結(jié)構(gòu)地面粗糙度為B類，重要性系數(shù)取1．1，風(fēng)荷載體型系數(shù)為1．3。

圖1 拱北口岸擴(kuò)建工程效果圖Fig．1 Gongbei phase II project rendering

圖2 工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件三維透視圖Fig．2 Structural 3D perspective

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2．1 場地工程地質(zhì)及地下水概況

場地范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上而下分述如下:

(1)人工填土層:①素填土1:成分為花崗巖殘積土，褐黃色，不均勻，含較多建筑垃圾，局部有填石，稍濕，欠壓實(shí)。該層分布不連續(xù)，多分布于入境聯(lián)檢樓處，層厚 3．0 ～7．50 m，平均 4．88m，層頂標(biāo)高4．51～6．21m。②素填土 2:成分為粉砂，褐黃色，稍密，飽和，不均勻，組分為石英為主，較純凈。該層分布基本連續(xù)，多分布于出境聯(lián)檢樓處，層厚3．6 ～11．50 m，平均 6．85m，埋深 0 ～4．50 m。

(2)海陸交互相沉積層:①淤泥:灰黑色，很濕—飽和，流塑。②粉質(zhì)黏土:褐黃色，淺紅色，可塑，飽和，不均勻。③粗砂:灰色，褐黃色，稍密，飽和，不均勻，成分以石英為主。④礫砂:褐黃、磚紅色，中密，飽和，不均勻，礫石多呈棱角狀，成分以石英為主。該層分布于整個(gè)場地，層厚1．30～10．80 m，平均 4．86 m，層頂標(biāo)高 -30．82～ -19．16 m。

(3)殘積土層:花崗巖殘積土，褐黃色，磚紅色，組分為黏土和石英礫砂，不均勻，巖芯呈長柱狀。很濕—飽和，可塑。該層分布于整個(gè)場地，厚度2．00 ～8．90 m，平均5．68 m，層頂標(biāo)高 -33．62～ -24．04 m。

④燕山三期花崗巖:①全風(fēng)化花崗巖:褐黃色、肉紅色、磚紅色，原巖結(jié)構(gòu)可辨，巖芯呈土柱狀，很濕—飽和，硬塑。該層整個(gè)場地均有分布，厚度 4．50 ～11．40 m，平均 6．64 m，層頂標(biāo)高-38．05～-29．43 m。②強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:褐黃色、淺肉紅色、磚紅色，具花崗巖原巖結(jié)構(gòu)，巖芯半巖半土狀，局部呈砂狀。該層在整個(gè)場地均有分布，未揭穿，揭露厚度 7．50 m ～16．40 m，平均11．0 m，層頂標(biāo)高 -44．32 ～ -35．35 m。

場地地下水位埋深為0．95～3．60m，隨季節(jié)性變化較顯著。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中等腐蝕。設(shè)計(jì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)采取一級(jí)防護(hù)措施，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋通過控制混凝土的裂縫等級(jí)和提高混凝土防滲等級(jí)等措施進(jìn)行防護(hù);對(duì)水下鋼結(jié)構(gòu)的表面采取涂料層及腐蝕介質(zhì)隔離的方法進(jìn)行防護(hù)。

巖土勘察報(bào)告中未提供明確的抗浮設(shè)計(jì)水位，根據(jù)勘察期間地下水位高度及結(jié)合水位變化隨季節(jié)變化顯著的特點(diǎn)，并參照廣東省地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)條款，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)防水位按室外地坪標(biāo)高取值。

2．2 工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及施工疑難問題的處理

拱北口岸一期工程基礎(chǔ)采用灌注樁，但當(dāng)時(shí)預(yù)制高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁在珠海地區(qū)的使用尚未普及。根據(jù)在類似地質(zhì)條件的工程經(jīng)驗(yàn)，考慮經(jīng)濟(jì)性能和施工進(jìn)度，拱北口岸擴(kuò)建工程初始設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，以強(qiáng)風(fēng)化巖作為樁端持力層。樁徑D550×125(主樓柱位)和D400×95(地下室柱位)，抗壓承載力特征值分別為2 600 kN、1 400 kN，抗拔承載力特征值分別為600 kN、350 kN?？紤]到地質(zhì)資料顯示個(gè)別鉆孔粗砂層和礫砂層的復(fù)合層厚較大，采用靜壓預(yù)制管樁施工有可能不能穿過砂層到達(dá)持力層，故要求選擇厚砂層位置設(shè)非工程樁進(jìn)行試樁，當(dāng)靜壓樁不能穿過而到達(dá)持力層時(shí)，考慮引孔等措施，以取得沉樁參數(shù)，指導(dǎo)工程樁的施工。

實(shí)際施工時(shí)由于工地條件的限制和工期壓力，施工單位直接進(jìn)行入境樓工程樁的施工。施工不到入境樓三分之一樁數(shù)的時(shí)候，已發(fā)現(xiàn)多個(gè)樁在改為錐型樁尖和加大配重和壓力后仍不能穿透砂層。處理措施曾考慮采用長螺旋樁引孔后再進(jìn)行樁施工。由于工期要求及引孔費(fèi)用較高，而場地距離民居和辦公樓較遠(yuǎn)，經(jīng)批準(zhǔn)后改用錘擊沉樁。經(jīng)錘擊試樁比較，采用D500×125樁型效果最為理想。根據(jù)試樁結(jié)果，主樓及地下室基礎(chǔ)均改為D500×125樁型，單樁抗壓承載力特征值為2 300 kN，單樁抗拔承載力特征值為550 kN。最后施工情況表明修改后的工程樁均達(dá)到持力層。

針對(duì)已施工未能達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化巖持力層的樁位，對(duì)主樓框架柱位置，主要采取補(bǔ)樁措施處理;而對(duì)軸力較小位置及地下室柱位，在對(duì)樁端持力層為砂層的樁經(jīng)復(fù)核計(jì)算后采取降低承載力取值和結(jié)合補(bǔ)樁措施進(jìn)行處理。

經(jīng)樁基靜載驗(yàn)收檢測，對(duì)應(yīng)于承載力特征值時(shí)的樁基沉降在5～10 mm之間，效果良好。

3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3．1 主體結(jié)構(gòu)選型的概念設(shè)計(jì)

擴(kuò)建工程的出境樓和入境樓的平面尺寸均約為60 m×100 m。由于建筑空間使用功能要求，地面以上大部分區(qū)域跨度較大，柱網(wǎng)稀少，柱網(wǎng)尺寸為19．2 m ×18 m，層高也較高分別為6．0 m、6．0 m和4．5 m，且建筑專業(yè)要求長向不設(shè)縫。如采用純框架結(jié)構(gòu)，初步結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)剛度較柔，抗震能力儲(chǔ)備較小?？紤]到結(jié)構(gòu)的重要性及抗震設(shè)防類別為乙類，主體結(jié)構(gòu)改為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。但剪力墻受建筑功能的限制只能布置于樓梯間處，剪力墻距離較大，剪力墻的數(shù)量偏少。由于柱網(wǎng)跨度較大，且為多層結(jié)構(gòu)，考慮經(jīng)濟(jì)及方便施工，框架梁采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系，以減小梁高度并增加框架的抗裂性能?？蚣苤瓟M采用鋼骨混凝土柱，后考慮施工工期和當(dāng)?shù)厥┕挝坏募夹g(shù)條件，采用普通鋼筋混凝土柱。

地下室結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)加密為9．6 m×9．0 m，為增加停車庫的凈空，預(yù)留可作為雙層機(jī)械車庫的功能，地下室頂板采用現(xiàn)澆空心樓蓋平板結(jié)構(gòu)。地下室底板采用普通梁板的防水板體系，控制工況為水浮力。

針對(duì)大跨度柱網(wǎng)部分的樓蓋結(jié)構(gòu)，考慮樓蓋結(jié)構(gòu)跨度較大及結(jié)構(gòu)超長未設(shè)縫為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗裂性能，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力井字梁體系。

3．2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介

3．2．1 主要構(gòu)件尺寸及混凝土強(qiáng)度等級(jí)

如上所述，本工程采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力稀柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，主要柱網(wǎng)尺寸為19．2 m×18 m，邊跨為9．6 m×9 m，屋蓋在邊跨外為下斜懸挑約5 m和三層上斜懸挑結(jié)構(gòu)形成三角形飛檐結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)三維軸測圖如圖2所示。設(shè)計(jì)柱斷面大跨度處為1 100 mm×1 100 mm，一般柱斷面為800mm×800 mm、D800(建筑立面要求)。框架梁跨度19．2 m，截面為800mm ×1 300 mm;次梁采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力井字梁，截面為300 mm×900 mm。剪力墻布置于幾個(gè)疏散樓梯和電梯間處，墻厚400 mm。

柱、剪力墻混凝土等級(jí)為C45，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C40。框架梁、柱均采用三級(jí)鋼HRB400，有粘結(jié)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用7￠5—1 860級(jí)低松弛鋼絞線。樓板采用二級(jí)鋼HRB360。

框架抗震等級(jí)為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。

地下室頂板結(jié)構(gòu):采用現(xiàn)澆空心樓蓋結(jié)構(gòu);非人防區(qū)板厚400 mm，內(nèi)模D250間距350，暗梁為1 000 mm×400 mm，空心率約為35%;人防區(qū)板厚600 mm，內(nèi)模D400 mm間距500 mm，暗梁為1 000 mm×600 mm，空心率約為41%。

3．2．2 結(jié)構(gòu)分析主要結(jié)果

結(jié)構(gòu)分析采用 SETWE程序進(jìn)行，采用PMSAP和GSSAP程序作為校核對(duì)比?？紤]到地下室頂板采用空心樓蓋體系，以及地下室高度范圍內(nèi)的土層較為松散、軟弱，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的嵌固端取地下室底板面。SETWE主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。PMSAP和 GSSAP的計(jì)算結(jié)果與SATWE均很接近，反映出計(jì)算模型合理。PMSAP和GSSAP的計(jì)算結(jié)果不再列出。

3．3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的加強(qiáng)措施

3．3．1 抗震措施的加強(qiáng)

本工程地面以上柱網(wǎng)疏稀，跨度較大，剪力墻數(shù)量也較少，針對(duì)此特點(diǎn)在結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造方面采取了以下幾項(xiàng)加強(qiáng)措施:

首先，高校教務(wù)管理人員要做好自我情緒管理[4].高校教務(wù)管理人員的工作時(shí)間長且繁瑣量大，所以自身的情緒管理也是特別應(yīng)該注意的一個(gè)問題.很多畢業(yè)生忙于參加招考和就業(yè)，時(shí)常不在學(xué)校，高校教務(wù)管理人員難以及時(shí)與其進(jìn)行面對(duì)面的溝通，有時(shí)甚至根本找不到人，但是有些重要的事情又必須通知到畢業(yè)生本人；這個(gè)時(shí)候高校教務(wù)管理人員容易有一些負(fù)面情緒出現(xiàn)，甚至影響工作的開展.因此，高校教務(wù)管理人員一定要做好自我情緒管理，應(yīng)具備自知、自控、自勵(lì)、通情達(dá)理與和諧相處等方面的能力.

(1)框架柱。本工程為多層建筑，采用純框架結(jié)構(gòu)時(shí)計(jì)算結(jié)果表明尚能滿足抗震(小震計(jì)算)、抗風(fēng)要求?？紤]到結(jié)構(gòu)的重要性和結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算后，在框架柱設(shè)計(jì)時(shí)參照了純框架模型的計(jì)算結(jié)果，采用適當(dāng)提高柱縱向配筋率、柱全高加密箍筋，并針對(duì)主框架的大截面柱(1 100 mm×1 100 mm)設(shè)400 mm×400 mm芯柱，以提高框架柱的延性和抗震安全儲(chǔ)備。

(2)剪力墻。本工程剪力墻數(shù)量較少，距離較大，因此加強(qiáng)剪力墻構(gòu)件的抗剪能力和延性十分重要。設(shè)計(jì)中加厚了剪力墻厚度、加強(qiáng)了暗柱配筋，對(duì)較長的剪力墻開洞設(shè)計(jì)為聯(lián)肢墻，加強(qiáng)了連梁的箍筋等。

(3)維護(hù)結(jié)構(gòu)。由于層高較高(6 m)，維護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震必須重視。設(shè)計(jì)中在半層高度處設(shè)了圈梁與構(gòu)造柱形成了很好的約束構(gòu)架，以增強(qiáng)維護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時(shí)在結(jié)構(gòu)長向也增強(qiáng)了平常使用時(shí)的抗裂性能。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析主要結(jié)果Table 1 Results of structural analysis

3．3．2 結(jié)構(gòu)超長的處理措施

由于結(jié)構(gòu)框架梁和次梁均采用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，對(duì)超長結(jié)構(gòu)在使用階段非常有利。設(shè)計(jì)中采用了SAP2000程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度應(yīng)力分析(常年溫差下)，經(jīng)比較，樓蓋結(jié)構(gòu)溫差下溫度應(yīng)力拉應(yīng)力值小于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的平均壓應(yīng)力。

3．3．3 斜屋面大跨度懸挑梁的計(jì)算和設(shè)計(jì)

本工程三樓和屋面均有約5 m的外挑結(jié)構(gòu)，且上下層相連接形成了屋面和挑檐。由于SATWE程序不能完全真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，故計(jì)算時(shí)采用了PMSAP、平面框架計(jì)算程序PK(形成單榀框架)進(jìn)行了補(bǔ)充計(jì)算。在構(gòu)件構(gòu)造設(shè)計(jì)中將內(nèi)連的預(yù)應(yīng)力框架梁的少量預(yù)應(yīng)力束伸出在挑梁中部布置施加預(yù)壓應(yīng)力，以加強(qiáng)屋面結(jié)構(gòu)在超長及保溫性能較弱條件下的抗裂性能。

3．4 與原有建筑及構(gòu)筑物關(guān)系的處理

3．4．1 新舊地下室的銜接

本工程地下車庫設(shè)出入通道擬與口岸廣場地下坡道相連，同時(shí)地下室要考慮與將來西側(cè)輕軌站綜合樓地下停車場的連接。設(shè)計(jì)時(shí)在原地下室確定預(yù)留洞口的地方在洞口周邊做加強(qiáng)構(gòu)造措施，洞口豎向兩側(cè)設(shè)置端柱，水平方向加設(shè)邊框梁。新建通道與預(yù)留洞口及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)結(jié)構(gòu)縫，確保成為兩個(gè)獨(dú)立受力單元，減小新建結(jié)構(gòu)對(duì)原有結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響。

3．4．2 地下管溝

拱北口岸北面與口岸廣場間存在一條貫穿東西的管溝，該地下管溝截面尺寸約2．5 m×2．5 m，為混凝土地下管溝，該管溝布置了給排水、空調(diào)、強(qiáng)弱電等各種管線，是聯(lián)系拱北口岸各功能樓的主動(dòng)脈。針對(duì)車道上方貫穿管溝的問題，首先查驗(yàn)清楚原管溝的基礎(chǔ)形式，確認(rèn)為天然基礎(chǔ)，故在施工車道時(shí)必須確保車道上方支撐的穩(wěn)定性，和確保車道上方與管溝基礎(chǔ)之間的合理距離，對(duì)車道上方的管道側(cè)壁與基礎(chǔ)作適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，減少管道基礎(chǔ)的附近應(yīng)力，避免管溝產(chǎn)生不均勻沉降而拉裂。設(shè)計(jì)車道頂板的時(shí)候考慮基礎(chǔ)附加應(yīng)力的影響，避免破壞原管溝結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)

4．1 結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

為進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)在大震下的反應(yīng)，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的抗震能力儲(chǔ)備，保證本工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)超過規(guī)范中三水準(zhǔn)設(shè)防的要求，設(shè)計(jì)中參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(注:《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》相對(duì)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》更易控制和明確)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)。根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，擬定抗震性能目標(biāo)為不低于D級(jí)，即可描述為“小震彈性無損壞、中震輕微損壞、大震較重?fù)p壞”。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各水準(zhǔn)下震后性能狀況和層間位移角控制指標(biāo)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)Table 2 Structural seismic performance objects

4．2 大震Push-Over分析結(jié)果

采用PUSH程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力彈塑性推覆分析。主要結(jié)果簡述如下:

(1)最大彈塑性層間位移角。大震作用下性能點(diǎn)處的最大彈塑性層間位移角為X向1/392、Y向1/426，均小于1/120。符合性能目標(biāo)的要求，且距離倒塌仍有很大的安全富余度。

(2)結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)。大震作用下的彈塑性分析表明，框架巨柱始終處于彈性狀態(tài)，普通框架柱個(gè)別輕微進(jìn)入塑性，表明第二道抗震防線安全可靠，以確保結(jié)構(gòu)不倒塌;剪力墻破壞較為嚴(yán)重，屬于彎曲型和剪切型復(fù)合破壞模式，表明有必要加強(qiáng)剪力墻的延性。在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)采取了相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

5 結(jié)語

綜上所述，珠海拱北口岸擴(kuò)建工程采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力稀柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力井字梁大跨樓蓋、地下室頂板采用現(xiàn)澆空心樓蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);通過較合理的基礎(chǔ)選型以及在基礎(chǔ)施工過程中的疑難問題處理;針對(duì)結(jié)構(gòu)超長以及新舊建筑物銜接處的處理;以及采用性能設(shè)計(jì)的方法和相應(yīng)的抗震加強(qiáng)措施;在較好地滿足了建筑空間功能需要的同時(shí)，具備了較好的經(jīng)濟(jì)性、施工技術(shù)適宜性和施工效率，得到了建設(shè)單位和施工單位等方的認(rèn)可。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．Ministry of housing and urban-rural development of the people’s pepublic of China．GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2010．(in Chinese)

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．Ministry of housing and Urban-rural Development of the people’s republic of China．JGJ 3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2010．(in Chinese)

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008．Ministry of housing and urban-rural development of the people’s republic of China．JGJ 94—2008 Technical code for building pile foundations［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2008．(in Chinese)