天津中信城市廣場(chǎng)首開(kāi)區(qū)地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

婁澤方，張達(dá)生，袁 強(qiáng)，溫四清，王 海

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 武漢 430014)

1 工程概況

天津中信城市廣場(chǎng)項(xiàng)目位于天津市河?xùn)|區(qū)海河?xùn)|路、六緯路、十一經(jīng)路、八經(jīng)路所圍地塊內(nèi)，為天津市重點(diǎn)項(xiàng)目，先期啟動(dòng)的設(shè)計(jì)為首開(kāi)區(qū)，包括住宅樓、辦公樓及地下停車(chē)庫(kù)等建筑，其中住宅樓地下3層，地上5層，局部6層，最大結(jié)構(gòu)高度34.7m；辦公樓地下3層，地上5層，結(jié)構(gòu)高度30.9m；地下室涵蓋整個(gè)小區(qū)，地下3層，建筑層高均為4.2m，平面尺寸為528m×73m，為超長(zhǎng)地下結(jié)構(gòu)。首開(kāi)區(qū)總建筑面積180 796.42m2，其中地下室面積124 771.76m2，占總建筑面積的69.0%。基坑開(kāi)挖深度為16.95～18.25m，屬大型甲級(jí)深基坑[1]，基坑支護(hù)安全等級(jí)為一級(jí)[2]。為了首開(kāi)區(qū)建筑提前完成立面形象，首開(kāi)區(qū)工程采用逆作法施工[3]，先施工地上結(jié)構(gòu)并完成建筑外立面，項(xiàng)目外立面完成后實(shí)景圖見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目外立面完成后實(shí)景圖

采用傳統(tǒng)的常規(guī)順作法進(jìn)行基坑施工，需要設(shè)置大量的臨時(shí)支撐，同時(shí)主體結(jié)構(gòu)需待基坑開(kāi)挖完成后才能進(jìn)行施工，施工周期長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足進(jìn)度要求。采用逆作法，可以實(shí)現(xiàn)地上地下結(jié)構(gòu)同步施工，從而達(dá)到加快工程進(jìn)度的要求。同時(shí)，逆作法采用地下結(jié)構(gòu)代替臨時(shí)支撐，水平剛度大，可有效控制基坑開(kāi)挖階段的基坑變形，有利于保護(hù)環(huán)境。且避免了大量臨時(shí)支撐的設(shè)置和拆除，大大減少了材料和勞動(dòng)力的消耗，具有節(jié)能、降耗、環(huán)保、綠色施工的優(yōu)點(diǎn)。

2 場(chǎng)地概況

工程周邊環(huán)境較復(fù)雜，南側(cè)臨近海河，場(chǎng)區(qū)內(nèi)有地下電纜及管網(wǎng)，東邊有俄羅斯領(lǐng)事館歷史文物保護(hù)建筑，周邊還有多幢高層建筑物，環(huán)境保護(hù)及施工要求較高，地下室采用逆作法施工有利于周邊建筑物及環(huán)境的保護(hù)。

巖土工程勘察報(bào)告[4]揭示本工程場(chǎng)地穩(wěn)定，土層主要由黏土、粉土、粉砂和細(xì)砂組成，詳細(xì)分布見(jiàn)表1。場(chǎng)區(qū)地下水包含潛水和承壓水。潛水埋深2.5m左右；承壓水埋深9.70～10.85m。

土層物理力學(xué)指標(biāo) 表1

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

較經(jīng)濟(jì)且最適宜逆作法施工的結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，并采用“一柱一樁”布置[5]。由于建筑功能要求，住宅采用部分框支-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，由此導(dǎo)致落地剪力墻在逆作施工階段需進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件及巖土工程勘察報(bào)告[4]的建議，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況和逆作法施工工藝，本工程采用鉆孔灌注樁(后注漿)基礎(chǔ)。首先對(duì)布樁方案進(jìn)行分析比較。

方案一：獨(dú)立框架柱采用“一柱一樁”布置，樁徑1 500mm；剪力墻以及與剪力墻相連的框架柱采用群樁獨(dú)立承臺(tái)布置，樁徑1 000mm，樁內(nèi)插格構(gòu)柱伸至1層，在1層設(shè)施工階段轉(zhuǎn)換承臺(tái)，完成上部結(jié)構(gòu)施工。該方案的優(yōu)點(diǎn)為：1)樁基受力均勻，經(jīng)濟(jì)性較好；2)施工階段與使用階段主體結(jié)構(gòu)支承條件一致，避免了由于施工階段與使用階段主體結(jié)構(gòu)支承條件不一致需包絡(luò)設(shè)計(jì)，而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋增加的情況。缺點(diǎn)為：1)施工階段需設(shè)置較多格構(gòu)柱，需要一定的施工成本；2)由于格構(gòu)柱較多、較密，導(dǎo)致地下室土方開(kāi)挖較困難。

方案二：獨(dú)立框架柱采用“一柱一樁”布置，樁徑1 500mm；剪力墻以及與剪力墻相連的框架柱處采取利用該處框架柱或增設(shè)框架柱的方式在柱下布樁，樁徑1 500mm，在樁內(nèi)插矩形鋼管混凝土柱，利用該柱作為施工階段的框支轉(zhuǎn)換柱，在1層設(shè)施工階段轉(zhuǎn)換梁，并往上順作施工完成上部剪力墻結(jié)構(gòu)。該方案的優(yōu)點(diǎn)為：1)立柱較稀疏，地下室土方開(kāi)挖方便；2)主要利用框架柱作為施工立柱，其施工成本優(yōu)于方案一。缺點(diǎn)為：1)由于存在樁基受力滯后效應(yīng)，樁基受力不均勻，樁基及承臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性劣于方案一；2)由于采用轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行施工階段轉(zhuǎn)換，使得施工階段與使用階段主體結(jié)構(gòu)支承條件不一致，需進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)配筋增加5%～30%。

綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、施工周期及難易度考慮，本工程最終選擇方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首開(kāi)區(qū)地下室結(jié)構(gòu)主要為框架結(jié)構(gòu)，主要軸網(wǎng)尺寸為8.4m×8.1m，地下室建筑層高均為4.2m，典型剖面如圖2所示。地下室頂板覆土厚度2.2m，部分區(qū)域?yàn)槿朔赖叵率摇Ｖёo(hù)采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻，墻厚800mm；水平支撐系統(tǒng)利用地下室各層結(jié)構(gòu)梁板；豎向支撐系統(tǒng)采用鋼柱-鉆孔灌注樁組成的“一柱一樁”。逆作施工工序以標(biāo)高-2.65m地下室頂板結(jié)構(gòu)層作為逆作面，逆作面完成后進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)順作施工，同時(shí)利用地下室頂板結(jié)構(gòu)作為施工平臺(tái)開(kāi)挖下部土方，由上而下地逐層逆作施工地下室各層至底板結(jié)構(gòu)，并預(yù)留各層方鋼骨柱外包混凝土和剪力墻(人防墻)插筋；地下室底板施工完成后，對(duì)“一柱一樁”的方鋼立柱外包混凝土，施工內(nèi)部剪力墻(人防墻)。設(shè)計(jì)考慮地下室逆作施工過(guò)程逐層加載的施工模擬，并對(duì)加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力變化進(jìn)行分析處理，采用施工模擬過(guò)程中構(gòu)件內(nèi)力的包絡(luò)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)。

圖2 地下室典型剖面

逆作法施工要求豎向承載系統(tǒng)既要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的承載力，又要滿(mǎn)足施工過(guò)程中各階段的承載力要求。針對(duì)本工程的特點(diǎn)及逆作法的要求，地下室采用“一柱一樁”。

4.1 一柱一樁

“一柱一樁”的鋼立柱既作為主體結(jié)構(gòu)柱，也可作為逆作法的豎向支撐構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮施工過(guò)程中各工況組合作用和使用階段各工況組合作用的包絡(luò)設(shè)計(jì)。本工程根據(jù)前文樁基布置方案比選，最終確定獨(dú)立框架柱采用“一柱一樁”布置，樁徑1 500mm；鋼柱根據(jù)包絡(luò)設(shè)計(jì)采用φ560×16鋼管(材質(zhì)為Q345)，管內(nèi)灌注C45微膨脹混凝土形成鋼管混凝土柱。剪力墻(人防墻)以及與剪力墻(人防墻)相連的框架柱處采取利用該處框架柱或增設(shè)框架柱的方式在柱下布樁，樁徑1 500mm，在樁內(nèi)插矩形鋼管混凝土柱。根據(jù)包絡(luò)設(shè)計(jì)，柱截面為500mm×500mm(Q345)，壁厚為20～25mm，內(nèi)灌注C45微膨脹混凝土；利用該柱作為施工階段的框支轉(zhuǎn)換柱，地下室底板施工完成后，鋼立柱外包C45混凝土形成鋼骨柱，同時(shí)施工內(nèi)部剪力墻(人防墻)。鋼立柱作為框架柱的一部分，其垂直度設(shè)計(jì)要求達(dá)到1/500，插入灌注樁中不小于4.0m，并沿柱全長(zhǎng)設(shè)置栓釘，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖3所示。為了便于鋼柱插入，柱頭設(shè)計(jì)為錐(棱)臺(tái)形截面，并采用ANSYS軟件對(duì)柱頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，以保證柱頭能穩(wěn)定插入灌注樁。錐臺(tái)形柱頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖4，可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力最大值位于柱頭端板，約為104.4N/mm2，遠(yuǎn)小于Q345鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖3 “一柱一樁”節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

圖4 錐臺(tái)形柱頭節(jié)點(diǎn)有限元應(yīng)力云圖/(N/mm2)

4.2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在逆作法施工中，先施工的地下連續(xù)墻及中間支承柱與自上而下逐層澆筑的地下室梁板結(jié)構(gòu)通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成一個(gè)整體，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重和各種施工荷載，因此地下連續(xù)墻與梁板、中間支承柱與梁板的連接關(guān)系到結(jié)構(gòu)體系能否協(xié)調(diào)工作，對(duì)于確保結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和地下室功能得以實(shí)現(xiàn)起著重要作用。逆作法結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)既要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)永久受荷狀態(tài)下的設(shè)計(jì)要求，又要滿(mǎn)足施工狀態(tài)下的受荷要求，同時(shí)現(xiàn)有的工藝手段與施工能力要能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)形式和構(gòu)造在工藝上的要求。

(1)地下連續(xù)墻與環(huán)梁和扶壁柱的連接

由于結(jié)構(gòu)梁、板與地下連續(xù)墻直接通過(guò)預(yù)埋連接，對(duì)定位要求相對(duì)較高、施工難度大，本項(xiàng)目地下室梁板通過(guò)邊環(huán)梁與地下連續(xù)墻連接，樓板鋼筋進(jìn)入邊環(huán)梁，邊環(huán)梁通過(guò)地下連續(xù)墻內(nèi)預(yù)埋鋼筋的彎出進(jìn)行連接。在地下室周邊主梁與環(huán)梁相交處緊貼地下連續(xù)墻設(shè)置扶壁柱，扶壁柱與地下連續(xù)墻通過(guò)在墻內(nèi)預(yù)埋的鋼筋連接，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見(jiàn)圖5。

圖5 地下連續(xù)墻與環(huán)梁、扶壁柱連接節(jié)點(diǎn)

(2)中間支承柱與梁節(jié)點(diǎn)的連接

中間支承柱是逆作法施工中的重要構(gòu)件，在逆作法施工期間，地下室底板未澆筑前與地下連續(xù)墻共同承擔(dān)地下和地上各層的結(jié)構(gòu)自重和施工荷載；在地下室底板澆筑后，與底板連接成整體，作為地下室結(jié)構(gòu)的一部分，將上部結(jié)構(gòu)及承受的荷載傳遞給地基。所以中間支承柱的穩(wěn)定性和完整性相當(dāng)重要，在施工過(guò)程中不能對(duì)其有任何損傷。中間支承柱與結(jié)構(gòu)梁連接的可靠性直接影響到整個(gè)地下結(jié)構(gòu)的傳力體系。

中間支承柱與混凝土梁節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，主要是解決梁鋼筋如何穿過(guò)中間支承柱或與中間支承柱連接的問(wèn)題。本工程支承柱截面有圓鋼管混凝土柱和矩形鋼骨混凝土柱兩種形式，節(jié)點(diǎn)形式分別如下。

圓鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接采用外露式鋼環(huán)板牛腿(抗剪環(huán)筋)-鋼筋混凝土環(huán)梁的組合結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)造見(jiàn)圖6。此節(jié)點(diǎn)連接利用鋼環(huán)板牛腿或抗剪環(huán)筋承受剪力，利用鋼筋混凝土環(huán)梁承受彎矩，受力明確，節(jié)點(diǎn)整體性好，傳力性能可靠。其中抗剪環(huán)筋-鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)用于非人防地下室各層樓面梁柱等剪力較小處節(jié)點(diǎn)；外露式鋼環(huán)板牛腿-鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)用于非人防區(qū)地下室頂板及人防區(qū)頂板和各層地下室樓面梁柱等剪力較大處節(jié)點(diǎn)。圖7為逆作現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)照片。

圖6 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)

圖7 圓鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)逆作現(xiàn)場(chǎng)照片

矩形鋼骨混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接采用鋼牛腿方案，同時(shí)鋼筋混凝土梁加腋便于鋼筋貫通。此節(jié)點(diǎn)節(jié)省空間，傳力明確，施工方便，構(gòu)造如圖8所示，逆作現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)照片見(jiàn)圖9。

圖8 矩形鋼骨混凝土柱-鋼筋混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

圖9 矩形鋼骨混凝土柱-鋼筋混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)逆作現(xiàn)場(chǎng)照片

4.3 超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)計(jì)算及結(jié)構(gòu)措施

本項(xiàng)目地下室長(zhǎng)528m，寬73m，為超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)。其中主樓部分地下室結(jié)構(gòu)形式與其上部相同為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，其余部分為框架結(jié)構(gòu)，人防區(qū)有人防墻。地下室在逆作階段均為框架結(jié)構(gòu)。為保證地下結(jié)構(gòu)的防水效果，均未設(shè)置伸縮縫，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)超過(guò)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[6]要求的設(shè)縫間距，需要在設(shè)計(jì)中考慮溫度效應(yīng)的作用，并采取有效的措施。

(1)溫度效應(yīng)計(jì)算

對(duì)超長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)講，混凝土收縮和環(huán)境溫差是引起溫度效應(yīng)變形裂縫的主要原因。在工程界，為了便于計(jì)算，把混凝土收縮等效成收縮當(dāng)量溫差，并與最大季節(jié)溫差疊加，作為最不利溫差作用于結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮混凝土徐變引起的應(yīng)力松弛和裂縫引起的剛度折減。文獻(xiàn)[7]建議根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[8]附錄C考慮樁基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性有限約束剛度作用。

參照文獻(xiàn)[9]，取C35混凝土完成收縮60%時(shí)混凝土當(dāng)量收縮溫差為-12.0℃。對(duì)于地下室頂板，其作為逆施面，施工階段暴露時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，會(huì)經(jīng)歷多個(gè)季節(jié)的變化，因此，考慮季節(jié)溫差為月平均最低溫度與結(jié)構(gòu)合攏最高溫度的差值，即(-8.2-10)℃=-18.2℃。則頂板計(jì)算溫差為(-12.0-18.2)℃=-30.2℃。其余地下室各層埋入土中，且由頂板往下各層依次逆作施工，所受外界溫度變化的影響相對(duì)較小，在使用階段溫度變化也不大，因此考慮地下室各層受溫度變化的溫差為-5℃[10]，則計(jì)算溫差為(-12.0-5.0)℃=-17.0℃?？紤]混凝土帶裂縫工作的剛度折減系數(shù)為0.85，徐變應(yīng)力松弛系數(shù)取0.3。樁基平動(dòng)剛度KHH=8.93×104kN/m，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度KMM=1.22×106kN/m。

圖10為地下2層～頂板的溫度應(yīng)力云圖?？梢钥闯觯瑯前遄畲罄瓚?yīng)力值均小于C35混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；在樓板洞口以及凹角處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)該區(qū)域樓板進(jìn)行了加強(qiáng)配筋構(gòu)造，見(jiàn)圖11。

圖10 樓板溫度應(yīng)力云圖/(N/mm2)

圖11 樓板凹角加強(qiáng)配筋構(gòu)造示意

(2)結(jié)構(gòu)措施

為減輕溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，除進(jìn)行正確的計(jì)算分析外，設(shè)計(jì)還采取以下措施：1)采用補(bǔ)償收縮混凝土，以減少混凝土收縮裂縫；2)混凝土內(nèi)摻聚苯烯纖維，以提高混凝土的抗裂能力；3)每隔40m設(shè)置一條后澆帶，以減小混凝土水化熱溫差及早期收縮的影響，后澆帶在60d以后閉合，閉合時(shí)的環(huán)境溫度控制在5～10℃，后澆帶在逆作施工階段需要設(shè)置傳力構(gòu)件；4)主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，嚴(yán)格控制砂、石骨料的含泥量，混凝土澆筑完畢后采用覆蓋塑料薄膜進(jìn)行保水養(yǎng)護(hù)；5)加強(qiáng)梁、板構(gòu)件構(gòu)造配筋，如：梁腰筋直徑加大為14mm，間距不大于150mm；板面、板底鋼筋雙向通長(zhǎng)配置，配筋率按不小于0.2%控制；樓板洞口及凹角處加強(qiáng)配筋構(gòu)造如圖11所示。

5 結(jié)論

天津中信城市廣場(chǎng)首開(kāi)區(qū)地下室平面尺寸為528m×73m，為超長(zhǎng)地下結(jié)構(gòu)，采用逆作法施工。設(shè)計(jì)時(shí)利用地下室各層結(jié)構(gòu)梁板替代臨時(shí)水平支撐，結(jié)構(gòu)框架柱與臨時(shí)立柱相結(jié)合的“一柱一樁”豎向支承，以及“兩墻合一”地下連續(xù)墻圍護(hù)的逆作法結(jié)構(gòu)形式。該工程現(xiàn)已竣工，施工期間監(jiān)測(cè)顯示結(jié)構(gòu)沉降均勻穩(wěn)定；針對(duì)結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了溫度效應(yīng)并采取了措施，未發(fā)現(xiàn)地下室樓板面有明顯的溫度裂縫。結(jié)果表明，該工程逆作法實(shí)施達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。