人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

梁繼忠

（中交機(jī)場勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東　廣州　510230）

人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

梁繼忠

（中交機(jī)場勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510230）

文章通過分析人工島島上建筑工程的特點(diǎn)，對影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)因素及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析研究，使人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全、耐用、經(jīng)濟(jì)、合理，為人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

人工島；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；預(yù)制裝配；耐久性；抗風(fēng)抗震；地基沉降

近年來，填海人工島正在被油氣開采、交通運(yùn)輸、建筑和旅游等行業(yè)廣泛采用。填海人工島的建設(shè)不僅有利于我國海洋灘涂資源的科學(xué)、協(xié)調(diào)利用以及可持續(xù)發(fā)展，還能為城市有限空間的發(fā)展起到重要作用，未來的填海人工島必將由沿岸逐漸向外海發(fā)展。目前國內(nèi)關(guān)于在外海人工島上進(jìn)行島上建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究資料及文獻(xiàn)較少，本文將通過分析人工島島上建筑工程的特點(diǎn)，結(jié)合港珠澳大橋島隧工程人工島島上建筑工程實(shí)例，對影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)因素及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究，使人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全、耐用、經(jīng)濟(jì)、合理，為今后的人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1　人工島島上建筑工程特點(diǎn)

1） 島上施工條件有限

由于人工島通常設(shè)置在遠(yuǎn)海區(qū)域，島面陸域面積相對較小，工程所涉及的原材料全部需要水陸轉(zhuǎn)運(yùn)和島面臨時(shí)儲存，島上建筑工程的施工條件受到極大的限制，直接導(dǎo)致施工效率相對偏低。因此，島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案必須考慮人工島島面有限的施工條件等制約因素。

2）海上環(huán)境相對惡劣

人工島所處的周邊環(huán)境通常具有晝夜溫差大、濕度大、鹽度高等特點(diǎn)，在受到鹽霧、海水、潮汐、浪濺、干濕循環(huán)等眾多海洋因素影響下，島上建筑工程容易因氯離子腐蝕和化學(xué)介質(zhì)腐蝕而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料性能退化，嚴(yán)重影響島上建筑工程在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的正常使用。因此，耐久性設(shè)計(jì)將是人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一。

3）臺風(fēng)及地震影響

由于海上氣候復(fù)雜多變，直接或間接影響人工島的臺風(fēng)將會十分頻繁，極端氣候?qū)θ斯u島上建筑工程的安全性造成極大影響。

另一方面，對于我國主要城鎮(zhèn)在抗震設(shè)防烈度6度及以上地區(qū)的建筑工程，均要按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的要求進(jìn)行房屋抗震設(shè)計(jì)。然而，位于外海的人工島通常會由于缺少附近海域的地殼構(gòu)造以及地震活動性等相關(guān)資料，導(dǎo)致在進(jìn)行人工島島上建筑工程抗震設(shè)計(jì)時(shí)無法選取合適、合理的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)，這將會對人工島島上建筑工程的抗震設(shè)計(jì)造成重大的影響。

由于人工島海面頻繁出現(xiàn)的極端氣候以及地殼運(yùn)動的不確定性，使人工島島上建筑工程的抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)變得相對復(fù)雜，這給島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了相當(dāng)大的困難。因此，抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)將是人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一。

4）島上建筑地基條件較差

人工島陸域通常是采用圍海填島的方式形成，而由于海砂具有工程性質(zhì)良好以及軟基處理相對容易等特點(diǎn)，人工島的陸域形成通常會以海砂作為主要回填料。然而，由于海砂含鹽量較大，建筑地基將會含有大量的氯離子，所以由海砂形成的建筑地基通常都具有較強(qiáng)腐蝕性。

另外，人工島陸域的軟基處理通常會采用井點(diǎn)降水聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固軟土地基（見圖1），并對整個(gè)場地進(jìn)行強(qiáng)夯和碾壓密實(shí)處理。人工島陸域在經(jīng)過軟基處理后，除了在軟基處理期間會發(fā)生較大沉降之外，在島上建筑施工期間以及后期使用期間也會發(fā)生不同程度的殘余沉降，這必然給島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1　井點(diǎn)降水聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟土地基剖面示意圖Fig.1　Schematic profile of soft soil foundation improved with well point dewatering in combination with surcharge preloading method

因此，在含鹽量較大的人工島陸域軟土地基上建造島上建筑工程，建筑基礎(chǔ)的耐久性設(shè)計(jì)以及對地基沉降的處理將是人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一。

2　工程實(shí)例

港珠澳大橋島隧工程人工島位于廣東省珠江口伶仃洋航道之中，遠(yuǎn)離大陸20 km以上，人工島主要是銜接跨海大橋與沉管隧道之間的過渡，人工島島上建筑除了作為沉管隧道通排風(fēng)的大型設(shè)備機(jī)房外，還要兼顧大橋養(yǎng)護(hù)、消防、監(jiān)控以及管理辦公等用途。

1）人工島島上建筑工程施工條件非常惡劣，施工效率極低，工程所涉及的原材料全部需要水陸轉(zhuǎn)運(yùn)，島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案采用“標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、裝配化”的思路，島上建筑內(nèi)隔墻統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)化的裝配式輕質(zhì)隔墻系統(tǒng)，鋼結(jié)構(gòu)全部采用工廠加工、預(yù)拼裝以及現(xiàn)場安裝方案，混凝土結(jié)構(gòu)考慮整體預(yù)制的材料重量較大不宜水陸轉(zhuǎn)運(yùn)，參照J(rèn)GJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]以及美國CRSI[3]相關(guān)的連接技術(shù)，對混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋骨架采取了工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝連接的優(yōu)化方案，有效提高了施工現(xiàn)場的工作效率，縮短了島上建筑工程的施工工期，提高了施工質(zhì)量，并降低了島上工程的綜合造價(jià)。

2）珠江口是標(biāo)準(zhǔn)的海洋性氣候環(huán)境，人工島島上建筑處于高溫、高濕和高鹽霧的環(huán)境，而且島上建筑基本處于距離平均海平面上方15 m高度以內(nèi)的海上大氣區(qū)、潮汐區(qū)以及浪濺區(qū)范圍。因此，為了確保島上建筑工程在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的正常使用，在經(jīng)過反復(fù)論證后，島上建筑工程主要采用了耐久性較好、后期維護(hù)費(fèi)用較低的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，對可更換的部分結(jié)構(gòu)采用普通鋼結(jié)構(gòu)形式，對不可更換的結(jié)構(gòu)則采用耐候鋼結(jié)構(gòu)形式，混凝土結(jié)構(gòu)均按照GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]以及CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》[5]中關(guān)于海洋氯化物環(huán)境的要求進(jìn)行了相應(yīng)的耐久性設(shè)計(jì)以滿足島上建筑工程的正常使用。

3）由于人工島所處的海域缺少相應(yīng)的氣象觀測數(shù)據(jù)以及地殼構(gòu)造、地震活動性等資料數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)過程中直接影響了島上建筑工程在抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)時(shí)所采用的設(shè)計(jì)參數(shù)是否合適、合理。為此，港珠澳大橋項(xiàng)目在工可、初設(shè)等各個(gè)階段均對跨海大橋、人工島、沉管隧道等重要部位進(jìn)行了風(fēng)氣象、地震動參數(shù)等一系列的專題研究報(bào)告，島上建筑工程在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)結(jié)合了本項(xiàng)目的專題研究報(bào)告以及粵港澳三地的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)資料，經(jīng)過多次專家論證，最終選取適合港珠澳大橋島隧工程人工島島上建筑的抗風(fēng)、抗震等設(shè)計(jì)參數(shù)，確保了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠。

4）由于人工島陸域采用了鋼圓筒圍海填島的方式，陸域回填所用的中粗沙含鹽量較大，回填地基對島上建筑的地下結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)部分均有較強(qiáng)的腐蝕性。因此，島上建筑的地下結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均按照規(guī)范[4-5]進(jìn)行了相應(yīng)的耐久性設(shè)計(jì)。另一方面，由于人工島陸域在經(jīng)過軟基處理后，通過對島上地基進(jìn)行沉降監(jiān)測以及數(shù)據(jù)分析，陸域地基在島上建筑施工期間以及后期使用期間將會發(fā)生不同程度的殘余沉降，為了有效降低回填地基后期沉降過大以及沉降不均勻等沉降風(fēng)險(xiǎn)，島上建筑工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合島上地基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，在基礎(chǔ)荷載變化較大的部位均采用了設(shè)置沉降變形縫以及沉降后澆帶等構(gòu)造措施，建筑物的基礎(chǔ)形式采用剛度較大的整體式筏板基礎(chǔ)或箱形基礎(chǔ)，確保有效減少軟基處理的殘余沉降對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不利影響。

港珠澳大橋島隧工程人工島島上建筑工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中充分考慮了島上有限的施工條件因素、海上惡劣的環(huán)境因素、臺風(fēng)及地震的不確定因素以及島上陸域地基沉降等多重復(fù)雜因素，使島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全、耐用、經(jīng)濟(jì)、合理。

3　人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

結(jié)合人工島島上建筑工程特點(diǎn)，有效確保島上建筑工程的安全性、耐久性以及經(jīng)濟(jì)合理性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的施工便利性

人工島島上建筑工程施工條件非常惡劣，施工效率極低，建筑工程所涉及的原材料全部需要水陸轉(zhuǎn)運(yùn)，在島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中應(yīng)充分考慮“標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、裝配化”的預(yù)制裝配設(shè)計(jì)，盡可能地縮短島上建筑工程的施工工期，提高現(xiàn)場的施工質(zhì)量，降低島上建筑工程的綜合成本。

3.2耐久性設(shè)計(jì)

人工島島上建筑工程應(yīng)根據(jù)建筑物的設(shè)計(jì)使用年限和所處的環(huán)境類別進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，參考鋼筋混凝土及鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[4-7]的要求，耐久性設(shè)計(jì)主要包括以下幾點(diǎn)：

1）按表1[4]確定結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別及作用等級。

表1　環(huán)境分類和環(huán)境作用等級劃分Table 1　Classification of environment and grading of environmental actions

2）確定不同類型構(gòu)件的耐久性控制指標(biāo)，如：鋼筋混凝土的最低強(qiáng)度等級、最小混凝土保護(hù)層厚度、表面裂縫寬度限值等指標(biāo)；鋼構(gòu)件的腐蝕裕量、防腐涂層要求等指標(biāo)。

3）根據(jù)結(jié)構(gòu)使用要求提出構(gòu)件的維護(hù)周期和檢測方法。

為了確保島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可通過提高自身材料的性能以及采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，而對鋼結(jié)構(gòu)可結(jié)合防腐涂層以及腐蝕裕量等綜合措施以便解決建筑工程的設(shè)計(jì)使用壽命問題，對重要的結(jié)構(gòu)部位還應(yīng)根據(jù)規(guī)范[6，8]采取適當(dāng)?shù)耐饧臃栏胧┳鳛楸Ｕ辖Y(jié)構(gòu)耐久性的輔助措施。

3.3抗風(fēng)及抗震設(shè)計(jì)

對于外海的人工島，常常會由于缺少該區(qū)域的海上風(fēng)環(huán)境和風(fēng)特性設(shè)計(jì)參數(shù)、地震構(gòu)造及地震活動性等相關(guān)資料，使得人工島島上建筑工程的抗風(fēng)、抗震分析無法按現(xiàn)行規(guī)范[1，10]進(jìn)行設(shè)計(jì)。為此，島上建筑工程的抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)必須根據(jù)人工島項(xiàng)目的開展情況逐步展開一系列的觀測、調(diào)研以及試驗(yàn)，經(jīng)過系統(tǒng)的分析論證，選取合適的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

其中，在人工島項(xiàng)目開展初期就需要委托當(dāng)?shù)氐臍夂蛑鞴懿块T對工程區(qū)域的風(fēng)環(huán)境和風(fēng)特性參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場持續(xù)觀測以及研究，以便獲取更全面、更具有代表性的實(shí)地觀測數(shù)據(jù)，為島上建筑工程在抗風(fēng)設(shè)計(jì)、施工及營運(yùn)各階段所需的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)提供更詳細(xì)、可靠的基礎(chǔ)依據(jù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要對風(fēng)參數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)以及沿岸城鎮(zhèn)的基本風(fēng)壓等資料進(jìn)行對比分析，對局部的重要部位還需要考慮抗臺風(fēng)等性能化設(shè)計(jì)，以使島上建筑工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)符合安全、經(jīng)濟(jì)的要求。

另一方面，對應(yīng)不同的設(shè)計(jì)階段，還需要委托有資質(zhì)的地震安全性評價(jià)機(jī)構(gòu)對人工島區(qū)域的場地地震安全性進(jìn)行評價(jià)。地震安全性評價(jià)工作的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：工程場地和場地周圍區(qū)域的地震活動環(huán)境評價(jià)、地震地質(zhì)環(huán)境評價(jià)、斷裂活動性鑒定、地震危險(xiǎn)性分析、設(shè)計(jì)地震動參數(shù)確定、地震地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)須結(jié)合GB 18306—2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[9]、具體項(xiàng)目的“工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告”以及相關(guān)的國外文獻(xiàn)，如《Global Seismic Hazard Map 1999》等資料對擬建人工島區(qū)域進(jìn)行綜合分析，合理選用適合人工島島上建筑工程的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)，使島上建筑工程的抗震設(shè)計(jì)符合安全、經(jīng)濟(jì)的要求。

3.4島上建筑地基沉降問題的處理方法

人工島陸域除了在軟基處理期間會發(fā)生較大沉降外，在后續(xù)的島上建筑工程施工及后期使用期間也會發(fā)生不同程度的殘余沉降。在陸域地基產(chǎn)生差異沉降的情況下，島上建筑必然會受到較大的影響，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致建筑物的傾斜坍塌。

面對不可避免的地基沉降問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的處理方法有以下幾種：

1）加強(qiáng)建筑物的整體性，對建筑物內(nèi)的局部重要節(jié)點(diǎn)采取必要的加強(qiáng)措施，防止建筑物在發(fā)生差異沉降時(shí)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力而導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)局部破壞。

2）建筑基礎(chǔ)建議采用整體剛度較大的筏板或箱形基礎(chǔ)，對海底基巖較淺的情況亦可考慮采用樁基礎(chǔ)，并嚴(yán)格控制建筑物在荷載作用下的差異沉降量，防止建筑物發(fā)生嚴(yán)重傾斜。

3）在建筑物基底壓力相差較大的部位設(shè)置沉降變形縫以及沉降后澆帶，可有效減少差異沉降對建筑物的不利影響。通過對建筑物的沉降監(jiān)測分析，可及時(shí)處理建筑地基發(fā)生沉降異常等情況。

地基的不均勻沉降變形對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響是相當(dāng)大的，其直接影響到建筑物的安全使用，應(yīng)確保島上建筑工程的各項(xiàng)功能要求符合設(shè)計(jì)預(yù)期的目標(biāo)。

4　結(jié)語

填海人工島的建設(shè)不僅有利于我國海洋灘涂資源的科學(xué)、協(xié)調(diào)以及可持續(xù)發(fā)展，還能為城市有限空間的發(fā)展起到重要作用，未來的填海人工島必將由沿岸逐漸向外海發(fā)展。本文通過分析人工島島上建筑工程的特點(diǎn)，結(jié)合港珠澳大橋島隧工程人工島島上建筑工程項(xiàng)目情況，對影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)因素及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究，以便于人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全、耐用、經(jīng)濟(jì)、合理，并為今后的人工島島上建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB 50011—2010,Code for seismic design of buildings[S].

[2]JGJ 1—2014，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. JGJ 1—2014,Technical specification for precast concrete structures[S].

[3]CRSI.Reinforcing bars:Anchorages and splices[S].5th ed.2008.

[4]GB/T 50476—2008，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB/T 50476—2008,Code for durability design of concrete structures[S].

[5]CCES 01—2004，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南[S]. CCES 01—2004,Guide to durability design and construction of concrete structures[S].

[6]JTS 153-3—2007，海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S]. JTS 153-3—2007,Technical specification for corrosion protection of steel structures for sea port construction[S].

[7]GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB 50010—2010,Code for design of concrete structures[S].

[8]JTJ 275—2000，海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S]. JTJ 275—2000,Corrosion prevention technical specifications for concrete structures of marine harbour engineering[S].

[9]GB 18306—2001，中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[S]. GB 18306—2001,Seismic ground motion parameters zonation map of China[S].

[10]GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. GB 50009—2012,Code of the design of building structure[S].

Analysis of structural designs of buildings on artificial islands

LIANG Ji-zhong
（CCCC Airport Investigation and Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

In order to make the structural designs of buildings on artificial islands become more secure,durable,economical, and reasonable,we made studies on the related factors affecting the structural designs and the main points in the structural designs based on an analysis of the features of the buildings and structures on artificial islands.The study can provide reference for structural design of buildings on artificial islands.

artificial island;structural design;prefabrication and assembly;durability;wind and seismic design;foundation settlement

U656；TU201

B

2095-7874（2016）09-0022-04

10.7640/zggwjs201609005

2016-06-13

梁繼忠（1981—），男，廣東廣州市人，高級工程師，土木工程專業(yè)。E-mail：15872561@qq.com