某金融島外環(huán)縱向街坊路地下空間超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

馬昭宇 （華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司華東都市建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200070）

本項(xiàng)目系鄭州某金融中心外環(huán)項(xiàng)目縱向街坊路的地下空間層建設(shè)，共計(jì)16條縱向街坊路地下空間，是整體開發(fā)地下空間的組成部分，與外環(huán)建筑群的地下空間相結(jié)合，形成一個(gè)立體組合、整體連通、共享高效的地下空間。連接相鄰單體建筑物地塊的同時(shí)，提供一定停車空間，是功能所屬單體建筑物地下空間的一部分?？v向街坊路地下空間各地塊長(zhǎng)邊約84m～111m，短邊6.8m～20m。地下4層，埋深18.8m，各層層高分別為地下四層4.02m，地下三層4.8m，地下二層4.0m，地下一層6.03m。

圖1 項(xiàng)目用地平面位置

1 結(jié)構(gòu)體系與超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，設(shè)計(jì)耐久年限50年。工程建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)二級(jí)。本工程建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。工程采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，框架抗震等級(jí)為三級(jí)。本工程地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

1.2 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)分析

本工程地下空間部分分為6個(gè)組團(tuán)，每個(gè)組團(tuán)包含2～4個(gè)地塊成為一個(gè)單獨(dú)的地下室結(jié)構(gòu)，聯(lián)系各組團(tuán)的外環(huán)路與組團(tuán)地下室的連接方式，采用設(shè)縫聯(lián)通口的形式。6個(gè)組團(tuán)中最長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)地下室外側(cè)弧線長(zhǎng)度在550m左右，屬于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

2 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)處理措施

2.1 沉降分析

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)沉降變形主要通過控制絕對(duì)沉降量的大小來減小結(jié)構(gòu)相對(duì)沉降差，在結(jié)構(gòu)統(tǒng)一技術(shù)措施中要求各單體的計(jì)算最大沉降不大于80mm。根據(jù)過往的工程經(jīng)驗(yàn)，單體結(jié)構(gòu)的沉降最大點(diǎn)一般為塔樓核心筒的中心位置，然后向周邊逐漸減小，單體本身的計(jì)算沉降差一般為20mm～30mm，且本工程根據(jù)地勘報(bào)告土層壓縮模量計(jì)算的沉降量與建筑物實(shí)測(cè)的最終沉降量相比偏大，因此控制計(jì)算最大沉降能有效減少結(jié)構(gòu)的差異沉降。通過設(shè)置灌注樁將結(jié)構(gòu)荷載盡量擴(kuò)散到深層土層，利用樁底較硬的持力層及下臥層的高壓縮模量，可以減少結(jié)構(gòu)的最終沉降量。同時(shí)為確保無不均勻沉降，本工程底板厚度加大以進(jìn)行加強(qiáng)處理，取700mm。同時(shí)拼合各地塊結(jié)構(gòu)模型，整體計(jì)算超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度荷載，計(jì)算變形沉降，使整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到指標(biāo)要求、控制沉降和變形。

2.2 溫度變形分析

本工程結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)的溫度變形主要通過構(gòu)造措施來保證。①地下室結(jié)構(gòu)本身的溫差較小，且地面有覆土或上部結(jié)構(gòu)存在可作為地下室結(jié)構(gòu)的保溫層，因此結(jié)構(gòu)的溫度變形相對(duì)也較小。②地下室頂板標(biāo)高變化一定程度上減小了結(jié)構(gòu)外表面的單一長(zhǎng)度，各單體地下室頂板在建筑內(nèi)部的長(zhǎng)度一般僅有100m，在此范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)溫度變形量非常小，通過工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般不需要特別處理都能滿足要求。③本工程采用膨脹加強(qiáng)帶的方式給混凝土結(jié)構(gòu)增加預(yù)壓力，可有效抵御溫度應(yīng)力的拉力。采用膨脹加強(qiáng)帶的方式可兼顧施工階段（解決混凝土水化熱，凝固收縮變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力）和使用階段（解決溫度變化產(chǎn)生的拉應(yīng)力）的問題，施工階段通過加強(qiáng)帶分隔大板，采用分倉(cāng)澆注的方式解決施工應(yīng)力，使用階段通過膨脹劑及加強(qiáng)帶提供預(yù)壓應(yīng)力抵消或部分抵消溫度應(yīng)力。

2.3 裂縫控制分析

工程需考慮溫度的影響，為控制裂縫，主要采用構(gòu)造措施。①提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋率，基礎(chǔ)底板及樓板均提高構(gòu)件最小配筋率，并采用雙層雙向配筋，配筋率為0.3%左右，梁的腰筋配筋率，控制在每側(cè)0.20%；并且腰筋的間距控制在150mm以內(nèi)。墻體的水平鋼筋配筋率每側(cè) 0.25%左右，鋼筋間距為100mm～150mm。②外環(huán)市政路段與地塊交界處也進(jìn)行加強(qiáng)，由于外環(huán)市政路段采用厚板結(jié)構(gòu)，板厚約600mm～800mm左右，而地塊內(nèi)采用普通梁板結(jié)構(gòu)，板厚約120mm，為確保厚板支座彎矩在交界面支座處能有效傳遞，因此要求地塊在外環(huán)相鄰跨的板厚不小于400mm，同時(shí)市政路厚板與地塊樓板進(jìn)行加腋處理。外環(huán)路與地塊交界處采光井及大開洞周邊板厚及配筋同樣加強(qiáng)處理，以控制裂縫。

混凝土本身存在著固有的弱點(diǎn)—抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差、韌性小等，因此也限制了混凝土性能的充分發(fā)揮。本工程在地下室迎水面如頂板、底板及地下室外墻等位置，在混凝土中添加抗裂纖維（如聚丙烯纖維），以此來提高混凝土抗裂性。

3 組團(tuán)內(nèi)溫度應(yīng)力分析

針對(duì)本工程超長(zhǎng)現(xiàn)狀，進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算時(shí)，需考慮混凝土徐變、界面裂縫以及覆土深度對(duì)溫度應(yīng)力的折減，按超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算。

3.1 溫差分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）附錄 E.5，查得鄭州市基本氣溫：最低為-8℃，最高為36℃。根據(jù)此規(guī)范第9.3.2條的條文說明：對(duì)地下室與地下結(jié)構(gòu)的室外溫度，一般應(yīng)考慮離地表面深度的影響。當(dāng)離地表面深度超過10m時(shí)，土體基本為恒溫，等于年平均氣溫。鄭州年平均氣溫為14.7℃。

因升溫會(huì)在混凝土中產(chǎn)生壓應(yīng)力，計(jì)算時(shí)可不考慮。本工程計(jì)算降溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力。本工程B1頂板距離地表深度為0.85m，按線性插值計(jì)算，此處土體最低溫度為 14.7－[14.7－（－8）]×9.15÷10=－6.1℃，無采暖，B1層頂板最低溫度取值：-6.1℃。同樣根據(jù)線性差值計(jì)算方法，計(jì)算得出各層板的最低溫度取值分別為：B2層頂板5.2℃、B3層頂板13.9℃、B4層頂板及底板14.7℃。

本工程后澆帶封閉按60d考慮，根據(jù)MIDAS GEN 2014計(jì)算得出，混凝土60d收縮應(yīng)變約130×10，極限收縮應(yīng)變約 294×10，收縮等效溫差為16.4℃。徐變折減系數(shù)取0.30。考慮混凝土開裂后剛度降低，剛度折減系數(shù)取0.70。施工時(shí)控制合攏溫度不高于20℃，計(jì)算取合攏溫度＝20℃。

根據(jù)公式：負(fù)溫差＝[(混凝土最低溫度－合攏溫度－收縮等效溫差)×0.3－日溫差]×0.7，計(jì)算得出結(jié)構(gòu)各部位負(fù)溫差如下：

B1頂板：負(fù)溫差＝－8.9℃

B2頂板：負(fù)溫差＝－6.6℃

B3頂板：負(fù)溫差＝－4.7℃

B4頂板及底板：負(fù)溫差＝－4.6℃

3.2 溫度應(yīng)力計(jì)算分析

本工程采用了MIDAS GEN軟件將三個(gè)單體的結(jié)構(gòu)模型拼合后對(duì)于B2層頂板及B1層頂板的溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2.1 B2層頂板整體溫度應(yīng)力計(jì)算

通過圖2～圖5所示，B2層頂板薄弱處采光井開洞區(qū)域附近溫度應(yīng)力取0.6N/mm，采光井周邊板厚加厚，取400mm，每米范圍內(nèi)總的拉力為：0.6×400×1000=240000N,對(duì)應(yīng)樓板配筋240000/360/2=333,即雙面雙向各附加8@150即可，采光井周邊區(qū)域按配筋率雙面雙向0.3%控制，可滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算和溫度應(yīng)力計(jì)算附加共同要求。單體內(nèi)板厚120mm，溫度應(yīng)力取0.8 N/mm，對(duì)應(yīng)樓板雙面雙向附加8@200即可，同樣按0.3%配筋率控制，即可滿足要求。

圖2 溫度荷載工況設(shè)置

圖3 采光井較大開洞區(qū)域溫度設(shè)置

圖4 整體溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5 采光井較大區(qū)域溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.2 .2B1層頂板整體溫度應(yīng)力計(jì)算

通過圖6～圖9所示，B1層頂板薄弱處采光井開洞區(qū)域附近溫度應(yīng)力取1.0N/mm，采光井周邊板厚加厚，取400mm，每米范圍內(nèi)總的拉力為：1.0×400×1000=400000N,對(duì)應(yīng)樓板配筋400000/360/2=556,即雙面雙向各附加10@200即可，采光井周邊區(qū)域按配筋率雙面雙向0.3%控制，可滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算和溫度應(yīng)力計(jì)算附加共同要求。單體內(nèi)板厚250mm，溫度應(yīng)力取1.4 N/mm，對(duì)應(yīng)樓板雙面雙向附加10@200即可，同樣按0.3%配筋率控制，即可滿足要求。

圖6 溫度荷載工況設(shè)置

圖7 采光井較大開洞區(qū)域設(shè)置

圖8 整體溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖9 采光井較大開洞區(qū)域溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

綜上所述，本項(xiàng)目的超長(zhǎng)地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工在技術(shù)上是可行的，后續(xù)設(shè)計(jì)中切實(shí)把控設(shè)計(jì)指標(biāo)，施工單位在施工中嚴(yán)格按施工規(guī)范要求施工，在施工過程中控制混凝土的澆筑時(shí)間和澆筑溫度，采取措施減少水化熱對(duì)混凝土構(gòu)件的影響，確?；炷琳駬v密實(shí)并加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，以減少混凝土收縮和溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。同時(shí)在施工中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以確保本工程項(xiàng)目的順利實(shí)施。