珠海拱北口岸擴建工程結構設計

李巨民 張坦賢

(1．珠海市建筑設計院，珠海519000;2．上海同華特種土木工程有限公司，上海200092)

1 工程概況

珠海拱北口岸出入境聯檢大樓地處珠海市香洲區拱北繁華地段，與澳門關閘緊密銜接，是我國對外交往的主要門戶之一，座落于珠海市迎賓南路的南端。大樓北臨口岸廣場，南接澳門關閘，東鄰情侶南路與海相望，西通昌盛路。隨著經濟的發展及時代的變遷，出入境人流逐漸增多，原有聯檢大樓規模已遠遠不能滿足使用要求，政府決定在原聯檢大樓的兩側各擴建一座三層聯檢樓，與原有大樓共同組成全長約313 m的三段式聯檢大樓。

擴建工程總建筑面積約為4．3萬m2，地上三層，地下一層，地下室面積約1．0萬m2。擴建工程分為入境樓和出境樓兩棟幾乎對稱的獨立單體，地上三層，層高分別為6 m、6 m、4．5 m。地下室層高為4．9 m，頂板局部覆土0．6 m。地下室局部為平戰結合的六級人防地下室，其他部分均為停車庫。工程建筑結構的安全等級為一級，在設計考慮的環境類別中的結構設計使用年限為50年，抗震設防類別為重點設防類(乙類)，設防烈度為7度，設計基本加速度值為0．10 g，設計地震分組為第一組，場地土的類型屬于軟弱場地土土，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期為0．45 s。地基基礎的設計等級為甲級。

本工程主體高度20．10 m，根據《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2001)，取50年一遇的基本風壓W0=0．85 kN/m2，結構地面粗糙度為B類，重要性系數取1．1，風荷載體型系數為1．3。

圖1 拱北口岸擴建工程效果圖Fig．1 Gongbei phase II project rendering

圖2 工程結構構件三維透視圖Fig．2 Structural 3D perspective

2 基礎設計

2．1 場地工程地質及地下水概況

場地范圍內地層結構自上而下分述如下:

(1)人工填土層:①素填土1:成分為花崗巖殘積土，褐黃色，不均勻，含較多建筑垃圾，局部有填石，稍濕，欠壓實。該層分布不連續，多分布于入境聯檢樓處，層厚 3．0 ～7．50 m，平均 4．88m，層頂標高4．51～6．21m。②素填土 2:成分為粉砂，褐黃色，稍密，飽和，不均勻，組分為石英為主，較純凈。該層分布基本連續，多分布于出境聯檢樓處，層厚3．6 ～11．50 m，平均 6．85m，埋深 0 ～4．50 m。

(2)海陸交互相沉積層:①淤泥:灰黑色，很濕—飽和，流塑。②粉質黏土:褐黃色，淺紅色，可塑，飽和，不均勻。③粗砂:灰色，褐黃色，稍密，飽和，不均勻，成分以石英為主。④礫砂:褐黃、磚紅色，中密，飽和，不均勻，礫石多呈棱角狀，成分以石英為主。該層分布于整個場地，層厚1．30～10．80 m，平均 4．86 m，層頂標高 -30．82～ -19．16 m。

(3)殘積土層:花崗巖殘積土，褐黃色，磚紅色，組分為黏土和石英礫砂，不均勻，巖芯呈長柱狀。很濕—飽和，可塑。該層分布于整個場地，厚度2．00 ～8．90 m，平均5．68 m，層頂標高 -33．62～ -24．04 m。

④燕山三期花崗巖:①全風化花崗巖:褐黃色、肉紅色、磚紅色，原巖結構可辨，巖芯呈土柱狀，很濕—飽和，硬塑。該層整個場地均有分布，厚度 4．50 ～11．40 m，平均 6．64 m，層頂標高-38．05～-29．43 m。②強風化花崗巖:褐黃色、淺肉紅色、磚紅色，具花崗巖原巖結構，巖芯半巖半土狀，局部呈砂狀。該層在整個場地均有分布，未揭穿，揭露厚度 7．50 m ～16．40 m，平均11．0 m，層頂標高 -44．32 ～ -35．35 m。

場地地下水位埋深為0．95～3．60m，隨季節性變化較顯著。地下水對混凝土結構具弱腐蝕，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具中等腐蝕。設計對混凝土結構采取一級防護措施，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋通過控制混凝土的裂縫等級和提高混凝土防滲等級等措施進行防護;對水下鋼結構的表面采取涂料層及腐蝕介質隔離的方法進行防護。

巖土勘察報告中未提供明確的抗浮設計水位，根據勘察期間地下水位高度及結合水位變化隨季節變化顯著的特點，并參照廣東省地基基礎設計規范相關條款，設計時設防水位按室外地坪標高取值。

2．2 工程基礎設計及施工疑難問題的處理

拱北口岸一期工程基礎采用灌注樁，但當時預制高強預應力管樁在珠海地區的使用尚未普及。根據在類似地質條件的工程經驗，考慮經濟性能和施工進度，拱北口岸擴建工程初始設計采用高強預應力管樁，以強風化巖作為樁端持力層。樁徑D550×125(主樓柱位)和D400×95(地下室柱位)，抗壓承載力特征值分別為2 600 kN、1 400 kN，抗拔承載力特征值分別為600 kN、350 kN。考慮到地質資料顯示個別鉆孔粗砂層和礫砂層的復合層厚較大，采用靜壓預制管樁施工有可能不能穿過砂層到達持力層，故要求選擇厚砂層位置設非工程樁進行試樁，當靜壓樁不能穿過而到達持力層時，考慮引孔等措施，以取得沉樁參數，指導工程樁的施工。

實際施工時由于工地條件的限制和工期壓力，施工單位直接進行入境樓工程樁的施工。施工不到入境樓三分之一樁數的時候，已發現多個樁在改為錐型樁尖和加大配重和壓力后仍不能穿透砂層。處理措施曾考慮采用長螺旋樁引孔后再進行樁施工。由于工期要求及引孔費用較高，而場地距離民居和辦公樓較遠，經批準后改用錘擊沉樁。經錘擊試樁比較，采用D500×125樁型效果最為理想。根據試樁結果，主樓及地下室基礎均改為D500×125樁型，單樁抗壓承載力特征值為2 300 kN，單樁抗拔承載力特征值為550 kN。最后施工情況表明修改后的工程樁均達到持力層。

針對已施工未能達到強風化巖持力層的樁位，對主樓框架柱位置，主要采取補樁措施處理;而對軸力較小位置及地下室柱位，在對樁端持力層為砂層的樁經復核計算后采取降低承載力取值和結合補樁措施進行處理。

經樁基靜載驗收檢測，對應于承載力特征值時的樁基沉降在5～10 mm之間，效果良好。

3 主體結構設計

3．1 主體結構選型的概念設計

擴建工程的出境樓和入境樓的平面尺寸均約為60 m×100 m。由于建筑空間使用功能要求，地面以上大部分區域跨度較大，柱網稀少，柱網尺寸為19．2 m ×18 m，層高也較高分別為6．0 m、6．0 m和4．5 m，且建筑專業要求長向不設縫。如采用純框架結構，初步結構分析計算結果表明，結構剛度較柔，抗震能力儲備較小。考慮到結構的重要性及抗震設防類別為乙類，主體結構改為框架-剪力墻結構體系。但剪力墻受建筑功能的限制只能布置于樓梯間處，剪力墻距離較大，剪力墻的數量偏少。由于柱網跨度較大，且為多層結構，考慮經濟及方便施工，框架梁采用有粘結預應力體系，以減小梁高度并增加框架的抗裂性能。框架柱原擬采用鋼骨混凝土柱，后考慮施工工期和當地施工單位的技術條件，采用普通鋼筋混凝土柱。

地下室結構柱網加密為9．6 m×9．0 m，為增加停車庫的凈空，預留可作為雙層機械車庫的功能，地下室頂板采用現澆空心樓蓋平板結構。地下室底板采用普通梁板的防水板體系，控制工況為水浮力。

針對大跨度柱網部分的樓蓋結構，考慮樓蓋結構跨度較大及結構超長未設縫為增強結構的抗裂性能，采用無粘結預應力井字梁體系。

3．2 主體結構設計簡介

3．2．1 主要構件尺寸及混凝土強度等級

如上所述，本工程采用有粘結預應力稀柱框架—剪力墻結構，主要柱網尺寸為19．2 m×18 m，邊跨為9．6 m×9 m，屋蓋在邊跨外為下斜懸挑約5 m和三層上斜懸挑結構形成三角形飛檐結構。結構三維軸測圖如圖2所示。設計柱斷面大跨度處為1 100 mm×1 100 mm，一般柱斷面為800mm×800 mm、D800(建筑立面要求)。框架梁跨度19．2 m，截面為800mm ×1 300 mm;次梁采用無粘結預應力井字梁，截面為300 mm×900 mm。剪力墻布置于幾個疏散樓梯和電梯間處，墻厚400 mm。

柱、剪力墻混凝土等級為C45，梁板混凝土強度等級為 C40。框架梁、柱均采用三級鋼HRB400，有粘結和無粘結預應力鋼筋均采用7￠5—1 860級低松弛鋼絞線。樓板采用二級鋼HRB360。

框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級。

地下室頂板結構:采用現澆空心樓蓋結構;非人防區板厚400 mm，內模D250間距350，暗梁為1 000 mm×400 mm，空心率約為35%;人防區板厚600 mm，內模D400 mm間距500 mm，暗梁為1 000 mm×600 mm，空心率約為41%。

3．2．2 結構分析主要結果

結構分析采用 SETWE程序進行，采用PMSAP和GSSAP程序作為校核對比。考慮到地下室頂板采用空心樓蓋體系，以及地下室高度范圍內的土層較為松散、軟弱，結構計算模型的嵌固端取地下室底板面。SETWE主要計算結果如表1所示。PMSAP和 GSSAP的計算結果與SATWE均很接近，反映出計算模型合理。PMSAP和GSSAP的計算結果不再列出。

3．3 結構設計采取的加強措施

3．3．1 抗震措施的加強

本工程地面以上柱網疏稀，跨度較大，剪力墻數量也較少，針對此特點在結構抗震構造方面采取了以下幾項加強措施:

首先，高校教務管理人員要做好自我情緒管理[4].高校教務管理人員的工作時間長且繁瑣量大，所以自身的情緒管理也是特別應該注意的一個問題.很多畢業生忙于參加招考和就業，時常不在學校，高校教務管理人員難以及時與其進行面對面的溝通，有時甚至根本找不到人，但是有些重要的事情又必須通知到畢業生本人；這個時候高校教務管理人員容易有一些負面情緒出現，甚至影響工作的開展.因此，高校教務管理人員一定要做好自我情緒管理，應具備自知、自控、自勵、通情達理與和諧相處等方面的能力.

(1)框架柱。本工程為多層建筑，采用純框架結構時計算結果表明尚能滿足抗震(小震計算)、抗風要求。考慮到結構的重要性和結構體系的特點，結構按框架-剪力墻結構設計計算后，在框架柱設計時參照了純框架模型的計算結果，采用適當提高柱縱向配筋率、柱全高加密箍筋，并針對主框架的大截面柱(1 100 mm×1 100 mm)設400 mm×400 mm芯柱，以提高框架柱的延性和抗震安全儲備。

(2)剪力墻。本工程剪力墻數量較少，距離較大，因此加強剪力墻構件的抗剪能力和延性十分重要。設計中加厚了剪力墻厚度、加強了暗柱配筋，對較長的剪力墻開洞設計為聯肢墻，加強了連梁的箍筋等。

(3)維護結構。由于層高較高(6 m)，維護結構的抗震必須重視。設計中在半層高度處設了圈梁與構造柱形成了很好的約束構架，以增強維護結構的抗震性能，同時在結構長向也增強了平常使用時的抗裂性能。

表1 結構計算分析主要結果Table 1 Results of structural analysis

3．3．2 結構超長的處理措施

由于結構框架梁和次梁均采用了預應力結構，對超長結構在使用階段非常有利。設計中采用了SAP2000程序對結構進行了溫度應力分析(常年溫差下)，經比較，樓蓋結構溫差下溫度應力拉應力值小于預應力結構的平均壓應力。

3．3．3 斜屋面大跨度懸挑梁的計算和設計

本工程三樓和屋面均有約5 m的外挑結構，且上下層相連接形成了屋面和挑檐。由于SATWE程序不能完全真實地模擬結構特點，故計算時采用了PMSAP、平面框架計算程序PK(形成單榀框架)進行了補充計算。在構件構造設計中將內連的預應力框架梁的少量預應力束伸出在挑梁中部布置施加預壓應力，以加強屋面結構在超長及保溫性能較弱條件下的抗裂性能。

3．4 與原有建筑及構筑物關系的處理

3．4．1 新舊地下室的銜接

本工程地下車庫設出入通道擬與口岸廣場地下坡道相連，同時地下室要考慮與將來西側輕軌站綜合樓地下停車場的連接。設計時在原地下室確定預留洞口的地方在洞口周邊做加強構造措施，洞口豎向兩側設置端柱，水平方向加設邊框梁。新建通道與預留洞口及加強結構設結構縫，確保成為兩個獨立受力單元，減小新建結構對原有結構可能產生的不利影響。

3．4．2 地下管溝

拱北口岸北面與口岸廣場間存在一條貫穿東西的管溝，該地下管溝截面尺寸約2．5 m×2．5 m，為混凝土地下管溝，該管溝布置了給排水、空調、強弱電等各種管線，是聯系拱北口岸各功能樓的主動脈。針對車道上方貫穿管溝的問題，首先查驗清楚原管溝的基礎形式，確認為天然基礎，故在施工車道時必須確保車道上方支撐的穩定性，和確保車道上方與管溝基礎之間的合理距離，對車道上方的管道側壁與基礎作適當的加強措施，減少管道基礎的附近應力，避免管溝產生不均勻沉降而拉裂。設計車道頂板的時候考慮基礎附加應力的影響，避免破壞原管溝結構。

4 結構抗震性能設計

4．1 結構的抗震性能設計目標

為進一步了解結構在大震下的反應，檢驗結構的抗震能力儲備，保證本工程結構抗震設計超過規范中三水準設防的要求，設計中參照《高層建筑混凝土結構技術規程》(注:《高層建筑混凝土結構技術規程》相對《建筑抗震設計規范》更易控制和明確)進行了結構的抗震性能設計。根據本工程結構的特點，擬定抗震性能目標為不低于D級，即可描述為“小震彈性無損壞、中震輕微損壞、大震較重損壞”。結構構件在各水準下震后性能狀況和層間位移角控制指標見表2。

表2 結構抗震性能目標Table 2 Structural seismic performance objects

4．2 大震Push-Over分析結果

采用PUSH程序對結構進行了靜力彈塑性推覆分析。主要結果簡述如下:

(1)最大彈塑性層間位移角。大震作用下性能點處的最大彈塑性層間位移角為X向1/392、Y向1/426，均小于1/120。符合性能目標的要求，且距離倒塌仍有很大的安全富余度。

(2)結構的破壞形態。大震作用下的彈塑性分析表明，框架巨柱始終處于彈性狀態，普通框架柱個別輕微進入塑性，表明第二道抗震防線安全可靠，以確保結構不倒塌;剪力墻破壞較為嚴重，屬于彎曲型和剪切型復合破壞模式，表明有必要加強剪力墻的延性。在施工圖設計時采取了相應的加強措施。

5 結語

綜上所述，珠海拱北口岸擴建工程采用有粘結預應力稀柱框架-剪力墻結構體系、無粘結預應力井字梁大跨樓蓋、地下室頂板采用現澆空心樓蓋的結構設計;通過較合理的基礎選型以及在基礎施工過程中的疑難問題處理;針對結構超長以及新舊建筑物銜接處的處理;以及采用性能設計的方法和相應的抗震加強措施;在較好地滿足了建筑空間功能需要的同時，具備了較好的經濟性、施工技術適宜性和施工效率，得到了建設單位和施工單位等方的認可。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB 50011—2010建筑抗震設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010．Ministry of housing and urban-rural development of the people’s pepublic of China．GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2010．(in Chinese)

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010．Ministry of housing and Urban-rural Development of the people’s republic of China．JGJ 3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2010．(in Chinese)

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．JGJ 94—2008建筑樁基技術規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2008．Ministry of housing and urban-rural development of the people’s republic of China．JGJ 94—2008 Technical code for building pile foundations［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2008．(in Chinese)