考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用的地下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 帥

(中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司,云南 昆明 650200)

考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用的地下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 帥

(中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司,云南 昆明 650200)

結(jié)合某市地下商業(yè)街結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例，通過比較不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用、按經(jīng)驗(yàn)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用、建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)共同承載模型進(jìn)行計(jì)算分析，對地下結(jié)構(gòu)外墻設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并研究了考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用對地下結(jié)構(gòu)外墻設(shè)計(jì)的影響，提出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)共同承載的設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法，既保證設(shè)計(jì)方法符合實(shí)際，同時又為經(jīng)驗(yàn)方法提供理論依據(jù)。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型，地下結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)加速，地下空間開發(fā)越來越多，例如地鐵車站、地下廣場、地下通道等。以往的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)不足，往往考慮巖土工程復(fù)雜的受力特征，從而采取了太多的不合理安全儲備措施，造成各方面資源的浪費(fèi)。隨著地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)的不斷進(jìn)步[1]，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在安全可靠的基礎(chǔ)上，不斷尋求更為經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新和突破[2-7]。邢彤等[2]進(jìn)行單雙向板模型設(shè)計(jì)比較，對地下室外墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)地下室高度合理選取墻厚和配筋；王衛(wèi)東[3,4]對“樁墻合一”結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行受力分析，應(yīng)用于地下室外墻設(shè)計(jì)，并實(shí)時監(jiān)測工程數(shù)據(jù)，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了理論計(jì)算的可靠性；王磊等[5]考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用，減小外墻上的側(cè)壓力，從而可以減小墻厚和配筋。

本文通過比較主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時是否考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用，對地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到節(jié)省空間、節(jié)約成本的目的。

1 工程概況

某市在市中心區(qū)域建設(shè)步行街和地下商業(yè)街，地下商業(yè)街為地下2層框架結(jié)構(gòu)，全長約1 km，寬度約20 m，頂板覆土約3 m，結(jié)構(gòu)全高為12 m，基坑開挖深度約15 m。

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，工程場地地形平坦，上覆土層主要由原路面混凝土、雜填土、粉砂、卵石、淤泥質(zhì)土和白云巖組成，設(shè)計(jì)計(jì)算地下水位取地面以下1 m?；娱_挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800 mm@950 mm鉆孔灌注樁+φ800 mm高壓旋噴樁止水帷幕+φ609 mm鋼管內(nèi)支撐，鉆孔樁嵌入基坑底完整巖石深度為3.4 m，高壓旋噴樁止水帷幕深度為地面至完整中風(fēng)化巖層以下1 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

形式及鉆孔柱狀圖如圖1所示。

2 計(jì)算原則及方法

地下商業(yè)街主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，迎土面混凝土構(gòu)件的環(huán)境類別為二-a，內(nèi)部混凝土構(gòu)件的環(huán)境作用等級為一類，相應(yīng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫允許開展寬度迎土面為0.2 mm，背土面為0.3 mm,進(jìn)行裂縫計(jì)算時，取荷載準(zhǔn)永久組合“恒載×1.0+活載×0.6”。主體結(jié)構(gòu)計(jì)算尺寸如表1所示，主體結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載取值如表2所示。

表1 主體結(jié)構(gòu)尺寸表 mm

表2 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載表

計(jì)算軟件采用SAP84-V6.5，分別按不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用、按經(jīng)驗(yàn)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用、建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)共同承載模型進(jìn)行計(jì)算分析。

3 不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用

不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用時，采用平面框架計(jì)算，土層對結(jié)構(gòu)的作用采用分布水土壓力及一系列不能受拉的彈簧進(jìn)行模擬，水土側(cè)壓力直接作用在結(jié)構(gòu)外墻上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載作用作為結(jié)構(gòu)安全儲備，計(jì)算時不考慮，將結(jié)構(gòu)視為底板置于彈性地基上的平面框架進(jìn)行分析，計(jì)算模型簡圖如圖2所示，計(jì)算荷載取值如表2所示。

按設(shè)計(jì)使用年限50年，取荷載準(zhǔn)永久組合計(jì)算不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用時主體結(jié)構(gòu)彎矩，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

4 按經(jīng)驗(yàn)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用

按經(jīng)驗(yàn)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用時，計(jì)算模型與不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用時計(jì)算模型相同，如圖2所示。按經(jīng)驗(yàn)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的形式及圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)外墻剛度比，圍護(hù)結(jié)構(gòu)分?jǐn)傄徊糠謳r土側(cè)壓力，分?jǐn)偤蠼Y(jié)構(gòu)外墻按承受100%水壓力+25%巖土側(cè)壓力進(jìn)行計(jì)算，外墻承受的巖土側(cè)壓力取值如表3所示，其他計(jì)算荷載取值如表2所示。

表3 經(jīng)驗(yàn)方法時外墻承受巖土側(cè)壓力表

kN/m

按照設(shè)計(jì)使用年限50年，取荷載準(zhǔn)永久組合計(jì)算按照經(jīng)驗(yàn)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用時主體結(jié)構(gòu)彎矩，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)共同承載

圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)共同承載時，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，把圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型加入到原計(jì)算模型中，建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)共同承載的計(jì)算模型。計(jì)算模型中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算剛度按50%折減，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)共同承載，巖土側(cè)壓力作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)之上，而不是直接作用于主體結(jié)構(gòu)外墻，計(jì)算模型簡圖如圖5所示，計(jì)算荷載取值如表2所示。

按設(shè)計(jì)使用年限50年，取荷載準(zhǔn)永久組合計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)共同承載時主體結(jié)構(gòu)彎矩，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

6 對比分析

對比不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用、按經(jīng)驗(yàn)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用、建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)共同承載模型進(jìn)行計(jì)算時，荷載準(zhǔn)永久組合下結(jié)構(gòu)外墻各控制點(diǎn)彎矩值如表4所示。

將三種計(jì)算方法計(jì)算出的結(jié)構(gòu)外墻各控制點(diǎn)彎矩值繪制成折線圖進(jìn)行比較，如圖7所示。

表4 三種計(jì)算方法外墻彎矩對比表

彎矩/kN·m頂板交點(diǎn)一層跨中中板交點(diǎn)二層跨中底板交點(diǎn)不考慮-283．470．4-360．7256．4-592．0經(jīng)驗(yàn)考慮-229．555．4-244．6160．9-461．6理論計(jì)算-228．034．4-205．8136．0-494．8

根據(jù)圖7所示，不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用時，結(jié)構(gòu)外墻各控制點(diǎn)彎矩絕對值較大，而按經(jīng)驗(yàn)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載和建立共同承載計(jì)算模型時結(jié)構(gòu)外墻各控制點(diǎn)彎矩絕對值明顯減小，減小幅度約為20%，且后兩種方法計(jì)算出的彎矩折線圖具有很高的相符度。

按圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)共同承載計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)外墻配筋計(jì)算，當(dāng)配置鋼筋為直徑28 mm間距150 mm時，結(jié)構(gòu)外墻最大裂縫為0.177 mm，滿足要求。如按不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)外墻配筋計(jì)算時，當(dāng)配置鋼筋為直徑28 mm間距150 mm時，結(jié)構(gòu)外墻最大裂縫為0.218 mm，不滿足要求，需增加結(jié)構(gòu)外墻厚度或加大配筋。

不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用時，采取了太多的不合理安全儲備措施，造成各方面資源的浪費(fèi)，不符合時代發(fā)展的要求；按經(jīng)驗(yàn)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用時，雖然節(jié)省了空間和成本，但是無理論依據(jù)，結(jié)構(gòu)安全性和可靠性得不到保證；建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)共同承載模型進(jìn)行計(jì)算，是在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，合理減小外墻厚度和配筋，既經(jīng)濟(jì)又保證了結(jié)構(gòu)的安全。

7 結(jié)語

1)建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)共同承載模型進(jìn)行計(jì)算的設(shè)計(jì)方法符合實(shí)際，與經(jīng)驗(yàn)方法相符合，為經(jīng)驗(yàn)方法提供了理論依據(jù)。

2)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載作用是設(shè)計(jì)創(chuàng)新、技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)，符合時代的發(fā)展，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，合理減小外墻厚度和配筋，能夠節(jié)省空間、節(jié)約成本，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 夏勝先，王云飛，夏樹威.深基坑支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].山西建筑，2008,34(26)：115-117.

[2] 邢 彤，陸海燕，鮑文博.地下室外墻優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].低溫建筑技術(shù)，2014(9)：40-43.

[3] 王衛(wèi)東，沈 健.基坑圍護(hù)排樁與地下室外墻相結(jié)合的“樁墻合一”的設(shè)計(jì)與分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(sup)：303-308.

[4] 胡 耘，王衛(wèi)東，沈 健.“樁墻合一”結(jié)構(gòu)體系的受力實(shí)測與分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37(S2)：197-201.

[5] 王 磊，楊孟鋒，蘇小卒.考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用的地下室外墻設(shè)計(jì)[J].江西科學(xué)，2010，28(2)：229-230.

Optimal design of underground structures with consideration of the role of retaining structure

Liu Shuai

(SouthwestSurveyandDesignCo.,Ltd,ChinaRailwaySiyuanGroup,Kunming650200,China)

Combined with underground mall structure design of a city， by comparing regardless of the role of retaining structure， consideration of the role of retaining structure according to the experience， building the main structure calculation model together with retaining structure to analysis， optimize the exterior design of underground structure. Study the retaining structure supporting role on the influence of the exterior design of underground structure， puts forward design innovative solution that the main structure bearing together with retaining structure， not only ensure the design method is practical， but also provide theoretical basis for empirical method.

retaining structure， calculation model， underground structure， design innovation

1009-6825(2015)30-0050-03

2015-08-19

劉 帥(1987- )，男，助理工程師

TU318

A