考慮圍護結構承載作用的地下結構優化設計

劉 帥

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司,云南 昆明 650200)

考慮圍護結構承載作用的地下結構優化設計

劉 帥

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司,云南 昆明 650200)

結合某市地下商業街結構設計實例，通過比較不考慮圍護結構承載作用、按經驗考慮圍護結構承載作用、建立圍護結構和主體結構共同承載模型進行計算分析，對地下結構外墻設計進行了優化，并研究了考慮圍護結構承載作用對地下結構外墻設計的影響，提出了圍護結構與主體結構共同承載的設計創新方法，既保證設計方法符合實際，同時又為經驗方法提供理論依據。

圍護結構，計算模型，地下結構，設計創新

隨著城市現代化建設加速，地下空間開發越來越多，例如地鐵車站、地下廣場、地下通道等。以往的地下結構設計，由于經驗不足，往往考慮巖土工程復雜的受力特征，從而采取了太多的不合理安全儲備措施，造成各方面資源的浪費。隨著地下結構設計施工經驗的積累和技術的不斷進步[1]，地下結構設計在安全可靠的基礎上，不斷尋求更為經濟合理的設計方案，進行設計創新和突破[2-7]。邢彤等[2]進行單雙向板模型設計比較，對地下室外墻進行優化設計，根據地下室高度合理選取墻厚和配筋；王衛東[3,4]對“樁墻合一”結構體系進行受力分析，應用于地下室外墻設計，并實時監測工程數據，對實測數據進行分析，驗證了理論計算的可靠性；王磊等[5]考慮圍護結構作用，減小外墻上的側壓力，從而可以減小墻厚和配筋。

本文通過比較主體結構設計時是否考慮圍護結構承載作用，對地下結構設計方案進行優化，達到節省空間、節約成本的目的。

1 工程概況

某市在市中心區域建設步行街和地下商業街，地下商業街為地下2層框架結構，全長約1 km，寬度約20 m，頂板覆土約3 m，結構全高為12 m，基坑開挖深度約15 m。

根據地質勘查報告，工程場地地形平坦，上覆土層主要由原路面混凝土、雜填土、粉砂、卵石、淤泥質土和白云巖組成，設計計算地下水位取地面以下1 m。基坑開挖圍護結構采用φ800 mm@950 mm鉆孔灌注樁+φ800 mm高壓旋噴樁止水帷幕+φ609 mm鋼管內支撐，鉆孔樁嵌入基坑底完整巖石深度為3.4 m，高壓旋噴樁止水帷幕深度為地面至完整中風化巖層以下1 m，基坑圍護結構

形式及鉆孔柱狀圖如圖1所示。

2 計算原則及方法

地下商業街主體結構設計使用年限為50年，迎土面混凝土構件的環境類別為二-a，內部混凝土構件的環境作用等級為一類，相應的鋼筋混凝土結構的裂縫允許開展寬度迎土面為0.2 mm，背土面為0.3 mm,進行裂縫計算時，取荷載準永久組合“恒載×1.0+活載×0.6”。主體結構計算尺寸如表1所示，主體結構計算荷載取值如表2所示。

表1 主體結構尺寸表 mm

表2 主體結構計算荷載表

計算軟件采用SAP84-V6.5，分別按不考慮圍護結構承載作用、按經驗考慮圍護結構承載作用、建立圍護結構和主體結構共同承載模型進行計算分析。

3 不考慮圍護結構承載作用

不考慮圍護結構承載作用時，采用平面框架計算，土層對結構的作用采用分布水土壓力及一系列不能受拉的彈簧進行模擬，水土側壓力直接作用在結構外墻上，圍護結構的承載作用作為結構安全儲備，計算時不考慮，將結構視為底板置于彈性地基上的平面框架進行分析，計算模型簡圖如圖2所示，計算荷載取值如表2所示。

按設計使用年限50年，取荷載準永久組合計算不考慮圍護結構承載作用時主體結構彎矩，計算結果如圖3所示。

4 按經驗考慮圍護結構承載作用

按經驗考慮圍護結構承載作用時，計算模型與不考慮圍護結構承載作用時計算模型相同，如圖2所示。按經驗考慮圍護結構承載，根據圍護結構的形式及圍護結構與主體結構外墻剛度比，圍護結構分攤一部分巖土側壓力，分攤后結構外墻按承受100%水壓力+25%巖土側壓力進行計算，外墻承受的巖土側壓力取值如表3所示，其他計算荷載取值如表2所示。

表3 經驗方法時外墻承受巖土側壓力表

kN/m

按照設計使用年限50年，取荷載準永久組合計算按照經驗考慮圍護結構承載作用時主體結構彎矩，計算結果如圖4所示。

5 圍護結構與主體結構共同承載

圍護結構與主體結構共同承載時，根據圍護結構形式，把圍護結構模型加入到原計算模型中，建立圍護結構與主體結構共同承載的計算模型。計算模型中，圍護結構計算剛度按50%折減，圍護結構與主體結構共同承載，巖土側壓力作用于圍護結構之上，而不是直接作用于主體結構外墻，計算模型簡圖如圖5所示，計算荷載取值如表2所示。

按設計使用年限50年，取荷載準永久組合計算圍護結構與主體結構共同承載時主體結構彎矩，計算結果如圖6所示。

6 對比分析

對比不考慮圍護結構承載作用、按經驗考慮圍護結構承載作用、建立圍護結構和主體結構共同承載模型進行計算時，荷載準永久組合下結構外墻各控制點彎矩值如表4所示。

將三種計算方法計算出的結構外墻各控制點彎矩值繪制成折線圖進行比較，如圖7所示。

表4 三種計算方法外墻彎矩對比表

彎矩/kN·m頂板交點一層跨中中板交點二層跨中底板交點不考慮-283．470．4-360．7256．4-592．0經驗考慮-229．555．4-244．6160．9-461．6理論計算-228．034．4-205．8136．0-494．8

根據圖7所示，不考慮圍護結構承載作用時，結構外墻各控制點彎矩絕對值較大，而按經驗考慮圍護結構承載和建立共同承載計算模型時結構外墻各控制點彎矩絕對值明顯減小，減小幅度約為20%，且后兩種方法計算出的彎矩折線圖具有很高的相符度。

按圍護結構和主體結構共同承載計算結果，進行結構外墻配筋計算，當配置鋼筋為直徑28 mm間距150 mm時，結構外墻最大裂縫為0.177 mm，滿足要求。如按不考慮圍護結構承載作用計算結果進行結構外墻配筋計算時，當配置鋼筋為直徑28 mm間距150 mm時，結構外墻最大裂縫為0.218 mm，不滿足要求，需增加結構外墻厚度或加大配筋。

不考慮圍護結構承載作用時，采取了太多的不合理安全儲備措施，造成各方面資源的浪費，不符合時代發展的要求；按經驗考慮圍護結構承載作用時，雖然節省了空間和成本，但是無理論依據，結構安全性和可靠性得不到保證；建立圍護結構與主體結構共同承載模型進行計算，是在保證結構安全的前提下，合理減小外墻厚度和配筋，既經濟又保證了結構的安全。

7 結語

1)建立圍護結構和主體結構共同承載模型進行計算的設計方法符合實際，與經驗方法相符合，為經驗方法提供了理論依據。

2)地下結構設計時考慮圍護結構的承載作用是設計創新、技術進步的體現，符合時代的發展，在保證結構安全的前提下，合理減小外墻厚度和配筋，能夠節省空間、節約成本，具有良好的社會經濟效益。

[1] 夏勝先，王云飛，夏樹威.深基坑支護技術現狀及展望[J].山西建筑，2008,34(26)：115-117.

[2] 邢 彤，陸海燕，鮑文博.地下室外墻優化設計研究[J].低溫建筑技術，2014(9)：40-43.

[3] 王衛東，沈 健.基坑圍護排樁與地下室外墻相結合的“樁墻合一”的設計與分析[J].巖土工程學報，2012，34(sup)：303-308.

[4] 胡 耘，王衛東，沈 健.“樁墻合一”結構體系的受力實測與分析[J].巖土工程學報，2015，37(S2)：197-201.

[5] 王 磊，楊孟鋒，蘇小卒.考慮圍護結構作用的地下室外墻設計[J].江西科學，2010，28(2)：229-230.

Optimal design of underground structures with consideration of the role of retaining structure

Liu Shuai

(SouthwestSurveyandDesignCo.,Ltd,ChinaRailwaySiyuanGroup,Kunming650200,China)

Combined with underground mall structure design of a city， by comparing regardless of the role of retaining structure， consideration of the role of retaining structure according to the experience， building the main structure calculation model together with retaining structure to analysis， optimize the exterior design of underground structure. Study the retaining structure supporting role on the influence of the exterior design of underground structure， puts forward design innovative solution that the main structure bearing together with retaining structure， not only ensure the design method is practical， but also provide theoretical basis for empirical method.

retaining structure， calculation model， underground structure， design innovation

1009-6825(2015)30-0050-03

2015-08-19

劉 帥(1987- )，男，助理工程師

TU318

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