廣場地下車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

楊玉梅

1 工程概況

某廣場地下車庫緊鄰國道及繁華大道,有2條地鐵線從車庫下面穿過,總長213 m，總寬190 m，為地下三層（局部僅有地下一層）的純地下結(jié)構(gòu)，總建筑面積85 683 m2。地下三層層高4.6 m，地下二層層高4.6～6.4 m不等，地下一層層高5.6 m。地下三層和地下二層主要功能為戰(zhàn)時人防，平時為地下停車庫。地下一層主要功能為換乘及商業(yè)廳。地下室頂板覆土厚度不小于1.8 m，地面主要是景觀城市廣場，其中東西方向有兩跨為城市道路。地下一層為實現(xiàn)采光、通風等要求，頂板需要大面積開洞。

該工程地質(zhì)情況：雜填土①層、粘土②層、粘土③層、全風化泥質(zhì)砂巖⑥層、強風化泥質(zhì)砂巖⑥1層，為建筑抗震有利地段，場區(qū)內(nèi)地下水類型為上層滯水?？垢≡O(shè)計水位標高為絕對標高25.80 m。場地抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g[1]，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計特征周期為0.35 s。

根據(jù)建筑功能要求，地下三層部分和地下一層部分連為一個整體，中間不設(shè)變形縫。該工程±0.000相當于絕對標高36.978 m?；A(chǔ)形式：地下三層部分采用考慮樁土共同作用的復合樁筏基礎(chǔ)，筏板底標高-26.200 m；地下一層部分采用天然地基、梁式筏板基礎(chǔ)，筏板底標高-16.600 m。地下二層、地下三層兼顧人防，防護等級為核6B。

該工程建筑抗震設(shè)防類別為乙類，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，主體結(jié)構(gòu)安全性等級為一級，建筑設(shè)計使用年限50年，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。

地下車庫主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級：三級。標準跨為9 m×9 m，樓屋蓋采用不設(shè)次梁的雙向板樓蓋。局部大跨12 m和14 m，采用單向密肋樓蓋，局部地下一層抽柱部位，采用井字梁樓蓋。

該工程整體計算使用SATWE、JCCAD整體建模進行計算分析，溫度應力采用SAP2000進行計算分析，并采用PMSAP進行校核。

地下車庫主體建筑的標準軸網(wǎng)尺寸為雙向9 m×9 m，根據(jù)跨度及荷載情況確定截面尺寸如表1。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸表Tab.1 Dimensions of structural members

2 溫度作用的分析計算

該工程結(jié)構(gòu)總長213 m，總寬190 m，未設(shè)置變形縫。結(jié)構(gòu)長寬均遠超過規(guī)范規(guī)定的地下室不設(shè)伸縮縫的最大間距，溫度應力及混凝土收縮對結(jié)構(gòu)的不利影響不容忽視，因此，對結(jié)構(gòu)溫度應力進行了詳細的分析計算，并根據(jù)結(jié)果采取各種措施，減少結(jié)構(gòu)超長帶來的不利影響。

2.1 溫度作用的確定

地下三層距離土體表面超過10 m，溫度變化較小，因此不考慮地下三層的溫度作用。由于地下一層頂板局部開大洞，而且在地下二層頂板設(shè)置了一些室外的外廊和景觀，因此地下一層和地下二層的溫度作用按室外混凝土結(jié)構(gòu)和室內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)兩種情況確定，溫度作用按文獻[2]中的計算方法確定。

1）該地區(qū)氣溫條件：

基本氣溫：最高37 ℃，最低-6 ℃。

平均氣溫：最高28.4 ℃，最低2.4 ℃。

溫度后澆帶澆筑溫度取10～25 ℃。

對于室內(nèi)結(jié)構(gòu)，夏季室內(nèi)外溫差取10 ℃，冬季室內(nèi)外溫差取15 ℃。

2）室內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)：

溫降時，水平構(gòu)件變?yōu)槔瓘潣?gòu)件開裂加劇，溫度應力釋放比溫升時要多，可以對溫降適當折減：

2.2 溫度應力的計算

在結(jié)構(gòu)上施加溫度作用，地下二層整體按室內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)考慮，地下一層開洞裸露在室外部分按室外混凝土考慮，其余部分按室內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)考慮。采用SAP2000對結(jié)構(gòu)的溫度應力進行了計算。

1）溫度作用下的樓板應力。對于樓板，在溫降工況下，樓板中產(chǎn)生拉應力。根據(jù)地下一層、地下二層頂板的樓板在溫降工況下的應力圖，地下一層樓板的受拉溫度應力一般在0.5～4.4 N/mm2，洞口角部一般存在應力集中現(xiàn)象，局部高達6.2～8.4 N/mm2。地下二層樓板的受拉溫度應力一般在0.4～3.9 N/mm2，洞口角部局部高達4.2～8.2 N/mm2。地下一層、地下二層的頂板均采用預壓應力2.0 N/mm2，局部應力高的部位采用普通樓板鋼筋進行加強。

2）溫度作用下的框架梁柱內(nèi)力。M軸處樓板連續(xù)貫通，長度最長，且該處地下一層溫度作用按室外混凝土結(jié)構(gòu)取值，是溫度作用影響最為顯著的部位，因此以M軸為例，分析溫度作用對梁、柱的影響。在溫升狀態(tài)下的邊柱，由于溫升引起的附加彎矩與豎向荷載下的柱彎矩同號疊加[2]，是對框架柱最不利的影響。軸邊跨的框架柱在溫升工況下的彎矩為1 697 kN·m。

當為溫降時，在建筑中部框架梁中產(chǎn)生較大的軸拉力，使梁成為拉彎構(gòu)件[2]，這種情況下，對框架梁最為不利。軸中段框架梁在溫降工況下的軸力為4 009 kN，因此應按拉彎構(gòu)件對梁進行配筋設(shè)計。

3）溫度作用下的地下室外墻應力。在溫降工況下，地下室外墻存在平面內(nèi)的拉應力，根據(jù)其溫度應力圖，地下室外墻的受拉溫度應力一般在2.3 N/mm2以下，局部區(qū)域達3.7～8.1 N/mm2。

3 結(jié)構(gòu)超長應對措施

3.1 樓板溫度預應力鋼筋配置

由于結(jié)構(gòu)超長，采用預應力能有效解決由于結(jié)構(gòu)超長所帶來的混凝土收縮、徐變及溫度變化等一系列不利影響。地下一層、地下二層頂板采用無粘結(jié)預應力體系，后張法施工。

1根1 860N/mm2低松弛無粘結(jié)鋼絞線φs15.2鋼絞線的有效預加力為：

地下一層頂板厚度有400 mm和300 mm兩種：

對于400mm厚的樓板，每米寬度的板截面面積A=400 000 mm2。

要建立的預壓應力值σc=2.0 N/mm2，需要的預應力筋：

板內(nèi)設(shè)置3φs15.2@500。

對于厚度為300 mm的板，同理可算出需要的預應力筋：

板內(nèi)設(shè)置2φs15.2@450。

地下二層頂板厚度為250 mm，要建立的預壓應力值σc=2.0 N/mm2，需要的預應力筋：

板內(nèi)設(shè)置2φs15.2@500。

3.2 普通鋼筋的加強措施

1）樓板普通鋼筋。該工程的地下一層頂板（配筋率按0.20%）、地下二層（配筋率按0.25%）配置雙層雙向樓板鋼筋。支座和跨中處鋼筋不足處設(shè)置附加鋼筋，地下一層、地下二層開洞部位角部存在應力集中，雖然設(shè)計采用預壓應力2 N/mm2，板內(nèi)尚存在1.8～4.4 N/mm2的應力，局部高應力的部位采用普通鋼筋進行加強，400 mm厚的樓板上下層加20@100的鋼筋網(wǎng)，250、300 mm厚的樓板上下層加16@100的鋼筋網(wǎng)，使其局部溫度裂縫變得細而密，不影響正常使用。

2）梁柱鋼筋。根據(jù)計算分析，地下一層邊柱、地下一層框架梁受溫度作用影響較大，設(shè)計配筋時應綜合考慮溫度作用和預應力張拉對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，其溫度內(nèi)力值的影響應疊加到梁、柱的設(shè)計荷載組合中。根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，溫度作用的組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)和準永久值系數(shù)可分別取0.6 、0.5 和0.4 。荷載組合時，溫度荷載與恒載、活載組合，采用PMSAP進行配筋設(shè)計。

由于框架梁內(nèi)未設(shè)置預應力鋼筋，對框架梁的腰筋進行了加強加密，其配筋率提高到0.4%，并按受拉錨固長度錨固，提高框架梁的軸向抗拉能力。

3）地下室外墻配筋。根據(jù)計算結(jié)果，地下室外墻的受拉溫度應力大多數(shù)區(qū)域都小于混凝土的抗拉強度設(shè)計值，局部區(qū)域應力較大，采用設(shè)置預應力鋼筋，加強墻體水平分布鋼筋的方式，對該區(qū)域進行加強。此區(qū)域地下室外墻內(nèi)預應力鋼筋的計算方法與樓板相同。

3.3 其他措施

1）混凝土摻加聚丙烯纖維。在溫度收縮應力較大的地下一層、地下二層梁板和地下室外墻的混凝土中摻入聚丙烯纖維（建議摻入量0.8～1.0 kg/m3），增加混凝土的極限抗拉強度和極限抗拉應變值。

2）混凝土原材料應采用低收縮、低水化熱水泥，采用碎石骨料；頂板、側(cè)墻均采用補償收縮混凝土；同時嚴格控制混凝土外加劑的品種、質(zhì)量和劑量，嚴格控制水灰比。

3）間距30～40 m設(shè)置溫度后澆帶，后澆帶寬度0.8 m，后澆帶內(nèi)的混凝土在2個月后澆筑，澆筑時應用高一級強度的微膨脹混凝土澆筑，并且嚴格要求施工單位按照設(shè)計的后澆帶合攏溫度進行施工。后澆帶封閉后，應及時回填符合要求的土體。

4）加強混凝土的養(yǎng)護，頂板保水養(yǎng)護時間不少于14 d。

5）地下一層頂板、地下二層露天部位設(shè)建筑保溫層，延緩溫度變化速率，減小室內(nèi)外溫差對結(jié)構(gòu)的不利影響。

4 地基基礎(chǔ)設(shè)計及抗浮計算

該工程地下一層部分基底標高為-16.000 m，地下三層部分基底標高為-26.200m，分別坐落于②、③粘土層，地基承載力特征值分別為220 kPa和250 kPa，天然地基可以滿足結(jié)構(gòu)的承載。綜合考慮了上部荷載大小、地基承載力、抗浮水位等因素，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，地下三層部分采用樁筏基礎(chǔ)。

由于該工程為三層純地下室，抗浮水位絕對標高25.80 m，相當于相對標高-11.178 m，所以地下三層部分和地下一層頂板開洞部分，自重小于抗浮水位下的浮力，存在抗浮驗算不足的問題。

1）地下一層局部抗浮問題。該工程東側(cè)地下僅有一層，局部設(shè)置下沉廣場，地下一層頂板開大洞，此處只有一塊基礎(chǔ)底板（底板跨度最大達到45 m）。由于基礎(chǔ)底板以下是地鐵的盾構(gòu)區(qū)間，無條件設(shè)置抗拔樁或抗浮錨桿，只能采用自重平衡抗浮。后經(jīng)與建筑專業(yè)溝通，在此范圍的下沉廣場將地面標高抬高，并結(jié)合景觀效果，局部設(shè)置了土坡微地形，增加結(jié)構(gòu)底板上的覆土來平衡水浮力。

2）地下三層部分抗浮問題。地下三層標準柱跨內(nèi)的恒載約7 300 kN，加上底板自重及上面的建筑面層約2 500 kN，水浮力約12 800 kN，二者有3 000 kN左右的差值。恒+活標準值約為8 700 kN。地下室頂板開洞跨的自重與水浮力的差值約為6 900 kN。

如果采用抗浮錨桿解決抗浮問題，錨桿入強風化泥質(zhì)砂巖⑥1層，長度約20m，單根錨桿的抗拔承載力特征值約為220 kN。經(jīng)試算標準跨每跨約需要14根錨桿，頂板開洞跨每跨約需要32根錨桿。如此多的抗浮錨桿會破壞防水層的完整性，產(chǎn)生大量的漏水點，如果這些部位施工處理不當，就會存在很大的滲漏隱患。而且現(xiàn)行規(guī)范、圖集缺少對于抗浮錨桿的防水構(gòu)造方面的規(guī)定和做法，抗浮錨桿的設(shè)計、施工和檢測也沒有專門的規(guī)范?？紤]到該工程的重要性，排除了使用抗浮錨桿的方案。

如果采用抗拔樁解決抗浮問題，同時柱下抗拔樁兼顧抗壓，試算了600、800 mm兩種樁徑的樁基承載力，詳見表2。以及在恒+活標準組合工況下和抗浮工況下的各種樁徑的樁所需樁的數(shù)量，結(jié)果詳見表3。由于抗拔樁為摩擦樁，顯然采用相同混凝土體積下周長更大的小直徑樁更加經(jīng)濟合理，因此采用600 mm直徑的鉆孔灌注樁作為抗拔樁。

另外，由表3可見，經(jīng)過計算，在不考慮天然地基承載力的條件下，結(jié)構(gòu)豎向荷載均傳遞給樁，標準跨的樁數(shù)為柱下抗壓控制，僅部分地下室頂板開大洞處為抗拔控制。為了充分利用天然地基的承載能力，在設(shè)計抗壓工況時考慮樁土共同作用，以減少樁的數(shù)量。

表2 試算樁基承載力特征值Tab.2 Pile foundation bearing capacity characteristic value

表3 所需樁數(shù)Tab.3 Required pile number

5 結(jié)語

該廣場地下車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計應該考慮以下幾點：

1）對于超長的大型地下工程，由于建筑使用功能及防水要求不設(shè)置變形縫，經(jīng)過對結(jié)構(gòu)的溫度應力進行計算分析，結(jié)合各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點，采取針對性的加強措施。

2）結(jié)合該工程（天然地基承載力較高、地下水位較高）的具體情況，按抗浮工況控制布樁，采用考慮樁土共同作用的復合樁筏基礎(chǔ)，可以同時滿足抗浮、受壓的要求，有效地節(jié)約了工程造價，經(jīng)濟效益明顯。

3）在該工程的地質(zhì)、荷載條件下，假定樁與筏板沉降協(xié)調(diào)一致，根據(jù)樁的剛度和地基土基床系數(shù)，得出樁、筏各自分擔的上部結(jié)構(gòu)荷載比例。

4）對于純地下結(jié)構(gòu)，抗浮驗算水位一定要準確，對抗浮措施進行多方案比較，采用最為經(jīng)濟和有效的方法，達到縮短工期和節(jié)約成本的雙贏效果[4]。

[1]GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[2]金新陽.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范理解與應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013:166.

[3]楊玉梅,王建,張連杰.廣西豐林人造板項目壓機基礎(chǔ)的設(shè)計[J].林產(chǎn)工業(yè),2014,41(4):39-40,43.