某工程大跨箱型地下通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安青元

(福建利安建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司 福建福州 350001)

1 工程概況

該工程位于福州市，為普通住宅小區(qū)，含兩棟25層高層住宅、一棟29層高層以及一棟三層商業(yè)用房。主體結(jié)構(gòu)采用框架以及剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)一層人防地下室。因地鐵規(guī)劃從該地塊地下室中部穿過(guò),地鐵影響范圍內(nèi)不允許打樁。該小區(qū)定位為高端住宅，為提升用戶使用體驗(yàn)，并增加停車數(shù)量，故設(shè)計(jì)時(shí)考慮將地下室分為左右兩部分，兩者用3道長(zhǎng)約30m～35m，寬12m～12.5m，高4.75m～6.15m的砼箱型通道相連，作為機(jī)動(dòng)車通道兼停車位使用，既保持地下通道的聯(lián)通，又避免了對(duì)地鐵通道的影響。最深的砼箱型通道板底標(biāo)高約為室外地面標(biāo)高以下7.2m，地鐵預(yù)留要求的影響范圍是在地面12m以下，故該方案對(duì)地鐵施工不會(huì)造成任何影響。通道附近結(jié)構(gòu)平面示意圖如圖1所示。

圖1 通道結(jié)構(gòu)平面示意圖

該工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年；建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g；設(shè)計(jì)地震分組為第二組；建筑場(chǎng)地類別為III類;按設(shè)防類別及場(chǎng)地調(diào)整后用于抗震驗(yàn)算的烈度7度,用于確定抗震等級(jí)的烈度7度；設(shè)計(jì)特征周期0.55s;結(jié)構(gòu)阻尼比0.05；多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值0.08；地下通道的抗震等級(jí)為三級(jí)；室外地面標(biāo)高為-0.15～-0.8m，地下室抗浮水位為-1.8m。

2 大跨地下通道結(jié)構(gòu)選型及計(jì)算分析

2.1 結(jié)構(gòu)選型

設(shè)計(jì)思路是將大跨地下通道視為一道箱梁，支撐于兩側(cè)地下室；故設(shè)計(jì)時(shí)通道兩端剪力墻伸入主體結(jié)構(gòu)內(nèi)3.8m～6.6m并在兩端設(shè)置端柱；且該范圍內(nèi)通道底板伸入地下室底板，板厚相同，鋼筋拉通，使通道與地下室主體可靠連接，協(xié)同變形。箱型通道截面尺寸如圖2所示。從整體比例上來(lái)說(shuō)，箱型通道最大跨高比為35m/4.75m=7.36；從箱型通道橫斷面比例來(lái)說(shuō)，箱型通道最大頂?shù)装蹇绺弑葹?2.9m/0.55m=23.45；有限元計(jì)算的位移結(jié)果證明截面尺寸取值是滿足剛度要求的。

圖2 通道截面尺寸示意圖

2.2 計(jì)算分析

2.2.1程序選用

佳構(gòu)STRAT通用建筑結(jié)構(gòu)軟件按超元建模，可將通道結(jié)構(gòu)模擬成板元有限元計(jì)算，有限元網(wǎng)格劃分約0.5m～0.6m。本次設(shè)計(jì)砼通道視為線彈性材料。程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)通道各個(gè)面上的水、土荷載、通道頂面活荷載、地震作用的自動(dòng)組合，并將有限元內(nèi)力沿厚度積分成截面內(nèi)力后給出計(jì)算配筋，故通道結(jié)構(gòu)采用STRAT程序計(jì)算是適用的。

2.2.2計(jì)算簡(jiǎn)圖及荷載

建模時(shí)按實(shí)際荷載情況以及模擬邊界條件進(jìn)行有限元計(jì)算，將通道相鄰結(jié)構(gòu)也考慮在內(nèi)。通道及相鄰地下室的三維模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 通道三維模型計(jì)算簡(jiǎn)圖局部示意

箱型通道橫斷面計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示，兩端邊界條件簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖4 通道橫截面計(jì)算簡(jiǎn)圖

據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(JGB50009-2012)[1]及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[2]得荷載取值如下:

q水土:水土分算的側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值，取60.5～87(底)/7.9～16.1(頂)kN/m2；

q堆載:地面堆載側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值，取5kN/m2；

q地震:等效水平地震力標(biāo)準(zhǔn)值，取1.1kN/m2；

P地震:頂?shù)装宓刃降卣鹆?biāo)準(zhǔn)值，取13.2kN/m；

q頂恒載:頂板覆土及板自重標(biāo)準(zhǔn)值，取20.5(覆土)+13.8(板自重)kN/m2；

q頂活載:頂板活值，取4(常規(guī)小區(qū)地面)～20(消防車經(jīng)行處)kN/m2；

q底恒載:底板面層及板自重標(biāo)準(zhǔn)值，取2(面層)+13.8(板自重)kN/m2；

q底活載:底板停車或車道活值，取4kN/m2；

q水浮力標(biāo)準(zhǔn)值:取59.5～42.5kN/m2；

q土反力:水浮力不足以承擔(dān)通道荷載時(shí)土反力與通道自重平衡。

當(dāng)不考慮水浮力時(shí)估算平均q土反力標(biāo)準(zhǔn)值恒載加活載下約為88.2kN/m2，小于未經(jīng)修正的天然地基承載力特征值。

圖5 通道長(zhǎng)向計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2.3抗剪驗(yàn)算

擬參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)[3]第5.2.10條規(guī)定,對(duì)通道按板式受彎構(gòu)件進(jìn)行抗剪驗(yàn)算。以通道二跨中為例如下：

估算通道側(cè)壁頂與上蓋板交界處每米長(zhǎng)剪力值V頂=311.4kN/m(設(shè)計(jì)值)并讀取跨中某處實(shí)際有限元計(jì)算剪力V=287kN/m(設(shè)計(jì)值)作為復(fù)核，誤差不大于10%。據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)[4]第6.3.3條，V≤0.7βh×ft×b×h0=515kN，頂板抗剪驗(yàn)算滿足。同理，估算水浮力作用下側(cè)壁底與底板交界處V底=354kN/m(設(shè)計(jì)值)，底板抗剪驗(yàn)算滿足。

2.2.4通道構(gòu)件計(jì)算結(jié)果及受力變形分析

配筋計(jì)算時(shí)按C30P6砼設(shè)計(jì)，保護(hù)層厚按規(guī)范要求區(qū)分部位取用，不考慮構(gòu)造加腋作用。與土直接接觸面抗裂驗(yàn)算按0.2 mm最大裂縫寬度的控制。以通道二為例通道彎矩以及變形結(jié)果簡(jiǎn)圖示意如圖6～圖11所示。

圖6 通道二頂板及側(cè)壁Mx彎矩包絡(luò)圖

圖7 通道二頂板及側(cè)壁My彎矩包絡(luò)圖

圖8 通道二 頂板及側(cè)壁變形圖

圖9 通道二底板Mx彎矩包絡(luò)圖

由此可知，頂?shù)装宓膹澗嘏c變形云圖與荷載相符;主要的彎矩和變形位于通道頂板中部使用活荷載較大處，通道跨中橫截面是配筋控制截面；通道與主體結(jié)構(gòu)相連處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但不起控制作用；側(cè)壁雙向壓彎非常明顯；頂?shù)装搴奢d作用下側(cè)壁有向外壓彎變形的趨勢(shì)，可抵消部分側(cè)壁水土壓力作用下變形趨勢(shì)。

2.2.5構(gòu)造加強(qiáng)措施

在通道側(cè)壁頂、底設(shè)置550mm寬900mm高的暗梁并加強(qiáng)抗扭箍筋及腰筋，并設(shè)置350mm寬×350mm高的三角形加腋區(qū)，側(cè)壁的外側(cè)鋼筋伸入頂?shù)装宀簧儆?100mm。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

該工程勘察揭示的場(chǎng)地巖土層按其成因及力學(xué)強(qiáng)度不同可分為以下工程地質(zhì)層，各巖土層特征及分布規(guī)律自上而下分為8層：①雜填土,②中砂夾淤泥,③淤泥質(zhì)土,④中砂,⑤粉質(zhì)粘土,⑥卵石,⑦強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀),⑧強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(碎塊狀)。該工程通道兩端采用靜壓PHC先張法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁PHC500-125-B，樁端持力層為(6)卵石，樁長(zhǎng)約40m，單樁豎向承載力特征值為2300kN，單樁抗拔承載力特征值為750kN。箱型通道底落在②中砂夾淤泥上，該層以稍密狀態(tài)為主，具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，厚度10.3m～18.9m不等，未經(jīng)修正的天然地基承載力特征值為140kPa。

通道兩端剪力墻下布樁時(shí)將通道視作4.75m高(通道最小處高度)箱型深梁考慮，兩端墻下布6～8根樁，兼顧抗壓和抗拔作用，地下通道整體豎向承壓及整體抗浮設(shè)計(jì)滿足。

實(shí)際上因?yàn)橥ǖ赖装逑轮猩皧A淤泥層也具有一定的承載力，截取箱型通道橫斷面計(jì)算時(shí)，箱梁基底地基豎向承載力滿足要求；且因?yàn)橥ǖ赖装逑峦翂毫Σ⑽闯^(guò)未施工通道時(shí)的原始土壓力，無(wú)附加應(yīng)力；故通道不會(huì)產(chǎn)生較大的沉降變位及不均勻沉降。在設(shè)計(jì)抗浮水位下扣除通道側(cè)壁自重以及頂?shù)装迕鎸?、覆土及自重后底板輸入折算向上荷載設(shè)計(jì)值為0～18.7kN/m2，若不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，最大水浮力荷載標(biāo)準(zhǔn)值僅略大于基底恒載，故大跨箱型通道不會(huì)出現(xiàn)底板脫空情況，局部抗浮滿足。

4 結(jié)論

(1)該工程受力形態(tài)以底板和頂板短跨方向?yàn)橹?。通道?cè)壁實(shí)際上是雙向壓彎深梁，起著重要作用，故設(shè)計(jì)上設(shè)置墻頂、墻頂暗梁并構(gòu)造加腋加強(qiáng)。

(2)既要考慮地下通道的整體豎向承壓和抗浮，也要考慮局部承壓和抗浮。

(3)采用合適的有限元計(jì)算分析軟件并正確模擬邊界條件，按有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，可以起到減少截面尺寸，節(jié)省配筋的作用。

(4)保證箱型通道兩側(cè)土回填密實(shí)，這樣可抵消一部分頂?shù)装遄冃卧斐傻挠绊?，?duì)結(jié)構(gòu)物本身安全是有利的。

該工程為地鐵通道穿越地下室提供了一種可行做法，設(shè)計(jì)時(shí)整體與局部兼顧，采用合適的有限元計(jì)算分析軟件建模計(jì)算。預(yù)驗(yàn)收時(shí)現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)裂縫，證明該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。