地下道路結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計探討

顧志超

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市200030）

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展，城市人口日趨集中，城市路面交通系統(tǒng)日趨緊張，開發(fā)地下空間資源、修建地下道路成為各大城市改善交通環(huán)境的一個發(fā)展趨勢[1]。

城市地下道路結(jié)構(gòu)，根據(jù)施工工藝可以分為明挖地道和暗挖地道。其中，明挖地道一般為閉合框架結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)車道規(guī)模又可以分為單孔框架、雙孔框架等。

由于荷載、土體性質(zhì)等因素變化較大，且缺乏統(tǒng)一的三維計算軟件，設(shè)計人員對地下結(jié)構(gòu)設(shè)計較民用建筑保守。對于相似的地下結(jié)構(gòu)，不同設(shè)計人員的設(shè)計含鋼量相差較大[2]。

在已有研究的基礎(chǔ)上，針對明挖地下道路結(jié)構(gòu)，從剛域、削峰、腋角、軸力、結(jié)構(gòu)空腔等方面進行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計探討，以期為實際工程設(shè)計提供參考。

1 計算理論及模型建立

1.1 計算理論

（1）地道主體框架結(jié)構(gòu)的受力分析一般可簡化為平面問題，采用荷載結(jié)構(gòu)法進行分析。

（2）地道底板厚跨比一般均小于1/6，宜按彈性地基理論計算內(nèi)力[3]。

（3）荷載主要有永久荷載、可變荷載和偶然荷載。永久荷載分為結(jié)構(gòu)自重、土層壓力、水壓力等；可變荷載分為地面超載、車輛荷載等；偶然荷載分為地震荷載、人防荷載等。

（4）地道結(jié)構(gòu)配筋按裂縫控制。

1.2 模型建立

西安地區(qū)某地下道路工程雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示，結(jié)構(gòu)單孔凈寬12.9 m，凈高5.6 m，結(jié)構(gòu)頂?shù)装搴穸? m，側(cè)壁厚度0.9 m，中隔墻厚度0.7 m，結(jié)構(gòu)覆土厚度5 m，不考慮地下水位影響，地基基床系數(shù)為30 000 kN/m3，地面超載取20 kPa，混凝土強度等級為C35。

圖1 地下道路結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：mm）

采用Midas Gen結(jié)構(gòu)有限元計算軟件建立基本模型，按中軸線簡化橫斷面計算，準(zhǔn)永久組合彎矩圖如圖2所示。若采用此結(jié)果按裂縫配筋，支座計算鋼筋需18 498 mm2，配筋率過大，易發(fā)生脆性破壞，且支座鋼筋過密，難以施工。為此，需加大板厚，從而增加造價。

圖2 基本模型準(zhǔn)永久組合彎矩圖（單位：kN·m）

2 內(nèi)力取值及配筋優(yōu)化

地道一般為寬扁型結(jié)構(gòu)，頂?shù)装蹇缍却笥趥?cè)壁高度，最大彎矩值一般位于頂?shù)装逯ё蚩缰小Ｍ瑫r，由于彈性地基變形協(xié)調(diào)作用，地道底板彎矩一般比頂板小。因此，現(xiàn)主要從頂板內(nèi)力方面，研究剛域、削峰、腋角、軸力、結(jié)構(gòu)空腔等對結(jié)構(gòu)配筋的影響。

2.1 剛域

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）（2015年版）5.2.2條規(guī)定：梁、柱等桿件間連接部分的剛度遠大于桿件中間截面的剛度時，在計算模型中可作為剛域處理[4]。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）5.3.4條規(guī)定：在結(jié)構(gòu)整體計算中，宜考慮框架或壁式框架梁、柱節(jié)點區(qū)的剛域影響。梁端截面彎矩可取剛域端截面的彎矩設(shè)計值。剛域的長度可按下列公式計算：

當(dāng)計算的剛域長度為負(fù)值時，應(yīng)取為零[5]。圖3為剛域示意圖。

圖3 剛域示意圖

根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程取剛域長度，重新計算模型可得彎矩圖如圖4所示?？紤]剛域后，頂板支座及跨中彎矩均減小約4%，可小幅減少配筋，但影響有限。

圖4 考慮剛域模型準(zhǔn)永久組合彎矩圖（單位：kN·m）

2.2 削峰

無論是基本模型，還是考慮剛域模型，頂板支座彎矩取值位置均處于壁板范圍內(nèi)。但是，其并不是最不利截面。其最不利截面應(yīng)是壁板邊。根據(jù)上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通設(shè)計規(guī)范》（DG/TJ 08-109—2017）11.6.5條規(guī)定：縱梁截面配筋時，梁支座處的負(fù)彎矩可取柱邊彎矩,按下列公式計算：

式中：M0為支座中軸線彎矩；Q0為支座中軸線剪力；b為支座寬度。

計算可得，頂板在中壁板邊彎矩為2 438 kN·m，相比支座中軸線彎矩減少約9%，可減少支座配筋。

2.3 腋角

閉合框架結(jié)構(gòu)增加腋角可有效改善角部應(yīng)力集中現(xiàn)象，腋角最佳坡度比例為1∶3[6]。腋角的存在使得地道頂板在支座邊緣的計算截面變大，對于配筋是有利的。但是腋角也增加了頂板支座處剛度，在矩形地道常用斷面的加腋比的情況下,負(fù)彎矩可增加20 %以上[7]。

為分析腋角對于支座配筋的影響，在Midas Gen中建立地道1 m長斷面的實體模型，頂板腋角高500 mm、寬1 500 mm，底板腋角高700 mm、寬300 mm。計算結(jié)果如圖5、圖6所示。頂板在中壁板邊彎矩為2 595 kN·m，比平面框架模型彎矩大6.5%，但是截面高度可取1.5 m，計算配筋僅12 315 mm2，相比基本模型節(jié)約鋼筋約33%。頂板跨中彎矩為1 114 kN·m，相比基本模型減少約17.5%。由此可見，考慮腋角作用可大幅優(yōu)化頂板支座及跨中縱向受力鋼筋。

圖5 實體模型準(zhǔn)永久組合應(yīng)力云圖

圖6 實體模型頂板支座處準(zhǔn)永久組合彎矩值云圖（單位：kN·m）

增加腋角對于截面抗剪也是有利的，地道結(jié)構(gòu)跨度一般較大，在深覆土情況下，頂?shù)装寮袅Y(jié)構(gòu)截面高度起控制作用。以上文基本模型為例，基本組合下頂板在中壁板邊剪力為1 324 kN，按1 m板厚驗算抗剪是不滿足的。由于頂?shù)装?、?cè)壁不能像梁一樣采用箍筋或彎起鋼筋抗剪，拉結(jié)筋抗剪計算也缺乏規(guī)范支持，只能增加板厚。若考慮腋角作用，截面計算高度可取1.5 m，截面本身抗剪即可滿足要求?？紤]腋角作用其實也是削峰的一種方式，值得注意的是，腋角、削峰都不能和剛域同時使用。

2.4 軸力

地道平面閉合框架頂?shù)装搴蛡?cè)壁均為壓彎構(gòu)件，軸力對結(jié)構(gòu)受力是有利的。以上文基本模型為例，頂板軸力來源為側(cè)壁承受的側(cè)向水土壓力，側(cè)壁高度相對較小，且地道暗埋段側(cè)向水土壓力一般為靜止土壓力，使得傳至頂板的軸力較小，準(zhǔn)永久組合工況下頂板軸力為263 kN，按壓彎構(gòu)件計算，配筋為17 693 mm2，配筋僅減小約4%。作為對比，取側(cè)壁內(nèi)力進行分析?；灸Ｐ蛡?cè)壁支座彎矩為1 056 kN·m，軸力為955 kN，考慮軸力比不考慮軸力的配筋減小約25%，側(cè)壁考慮軸力后可大幅減小配筋。

在實際情況中，地下水位不是一個定值，基坑圍護樁對結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力也有削減作用。結(jié)構(gòu)分析計算時，側(cè)向水壓力一般按最高水位取值，頂?shù)装宓挠嬎爿S力一般是偏大的，應(yīng)予以適當(dāng)折減。側(cè)壁承受的最大彎矩和軸力均由頂?shù)装逅芎奢d確定，彎矩和軸力來源一致，規(guī)律一致，可按計算軸力考慮有利影響[2]。

2.5 結(jié)構(gòu)空腔

地道結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要由荷載及結(jié)構(gòu)跨度決定，地道跨度受限于車道規(guī)模，難以減小。要減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力，可從荷載方面入手。

地道頂板主要荷載為自重、覆土荷載、地面超載。對于深覆土地道而言，可通過在頂板上部增設(shè)結(jié)構(gòu)空腔來減小覆土厚度，從而達到減小頂板荷載的目的。在地道方案設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)沿線城市規(guī)劃，結(jié)合可共同實施的綜合管廊、軌道交通、地下空間等市政基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)置結(jié)構(gòu)空腔。它既利用空腔空間、節(jié)約土地資源，又可減小工程造價。

以本文雙向六車道地道為例，在頂板上增設(shè)凈高2.5m的結(jié)構(gòu)空腔，如圖7所示。采用Midas Gen建立平面框架模型計算，準(zhǔn)永久組合彎矩圖如圖8所示。

圖7 地道增設(shè)結(jié)構(gòu)空腔橫斷面圖（單位：mm）

圖8 增設(shè)結(jié)構(gòu)空腔模型準(zhǔn)永久組合彎矩圖（單位：kN·m）

由圖8可以看出，增設(shè)空腔后結(jié)構(gòu)內(nèi)力均大幅減小，頂板最大彎矩減小約70%，底板最大彎矩減小約55%。不考慮前文彎矩取值方式及軸力作用，僅以截面中軸線位置彎矩值計算頂?shù)装寮皞?cè)壁配筋，分別為6 158 mm2、6 283 mm2、5 686 mm2，配筋率分別僅為0.68%、0.63%、0.63%，結(jié)構(gòu)壁厚還可適當(dāng)優(yōu)化。

2.6 結(jié)果總結(jié)

以地道頂板支座彎矩為例，將考慮剛域、削峰、腋角、軸力、結(jié)構(gòu)空腔等模型計算結(jié)果與基本模型計算結(jié)果進行比較，結(jié)果見表1所列。

表1 計算結(jié)果對比表

3 結(jié) 論

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，針對明挖地下道路結(jié)構(gòu)，從剛域、削峰、腋角、軸力、結(jié)構(gòu)空腔等方面進行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計探討，得出以下主要結(jié)論：

（1）考慮剛域后，頂板支座及跨中彎矩均有所減小，但幅度不大，對配筋影響有限。

（2）考慮削峰后，頂板支座彎矩有所減小，可優(yōu)化支座鋼筋。

（3）考慮腋角后，頂板支座彎矩小幅增大，但配筋可大幅減少，跨中彎矩有所減小，配筋有所減少。

（4）考慮軸力后，頂板配筋減少有限，但側(cè)壁鋼筋可大幅減少。

（5）考慮結(jié)構(gòu)空腔后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力及配筋均大幅減小，結(jié)構(gòu)壁厚也可適當(dāng)優(yōu)化。

根據(jù)上述結(jié)論，地下道路結(jié)構(gòu)設(shè)計時，宜考慮腋角對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及配筋的有利作用，大幅減少鋼筋用量及造價。當(dāng)?shù)氐栏餐凛^厚時，應(yīng)結(jié)合周邊市政基礎(chǔ)設(shè)施增設(shè)結(jié)構(gòu)空腔，節(jié)約地下空間資源，大幅減少工程造價。