人工島島上建筑工程的結構設計分析

梁繼忠

（中交機場勘察設計院有限公司，廣東　廣州　510230）

人工島島上建筑工程的結構設計分析

梁繼忠

（中交機場勘察設計院有限公司，廣東廣州510230）

文章通過分析人工島島上建筑工程的特點，對影響結構設計的相關因素及結構設計要點進行分析研究，使人工島島上建筑工程的結構設計更加安全、耐用、經濟、合理，為人工島島上建筑工程的結構設計提供參考。

人工島；結構設計；預制裝配；耐久性；抗風抗震；地基沉降

近年來，填海人工島正在被油氣開采、交通運輸、建筑和旅游等行業廣泛采用。填海人工島的建設不僅有利于我國海洋灘涂資源的科學、協調利用以及可持續發展，還能為城市有限空間的發展起到重要作用，未來的填海人工島必將由沿岸逐漸向外海發展。目前國內關于在外海人工島上進行島上建筑工程結構設計的研究資料及文獻較少，本文將通過分析人工島島上建筑工程的特點，結合港珠澳大橋島隧工程人工島島上建筑工程實例，對影響結構設計的相關因素及結構設計要點進行研究，使人工島島上建筑工程的結構設計更加安全、耐用、經濟、合理，為今后的人工島島上建筑工程的結構設計提供參考。

1　人工島島上建筑工程特點

1） 島上施工條件有限

由于人工島通常設置在遠海區域，島面陸域面積相對較小，工程所涉及的原材料全部需要水陸轉運和島面臨時儲存，島上建筑工程的施工條件受到極大的限制，直接導致施工效率相對偏低。因此，島上建筑工程的結構設計方案必須考慮人工島島面有限的施工條件等制約因素。

2）海上環境相對惡劣

人工島所處的周邊環境通常具有晝夜溫差大、濕度大、鹽度高等特點，在受到鹽霧、海水、潮汐、浪濺、干濕循環等眾多海洋因素影響下，島上建筑工程容易因氯離子腐蝕和化學介質腐蝕而導致結構構件的材料性能退化，嚴重影響島上建筑工程在設計使用年限內的正常使用。因此，耐久性設計將是人工島島上建筑工程的結構設計要點之一。

3）臺風及地震影響

由于海上氣候復雜多變，直接或間接影響人工島的臺風將會十分頻繁，極端氣候將會對人工島島上建筑工程的安全性造成極大影響。

另一方面，對于我國主要城鎮在抗震設防烈度6度及以上地區的建筑工程，均要按照GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[1]的要求進行房屋抗震設計。然而，位于外海的人工島通常會由于缺少附近海域的地殼構造以及地震活動性等相關資料，導致在進行人工島島上建筑工程抗震設計時無法選取合適、合理的抗震設計參數，這將會對人工島島上建筑工程的抗震設計造成重大的影響。

由于人工島海面頻繁出現的極端氣候以及地殼運動的不確定性，使人工島島上建筑工程的抗風、抗震設計變得相對復雜，這給島上建筑工程的結構設計帶來了相當大的困難。因此，抗風、抗震設計將是人工島島上建筑工程的結構設計要點之一。

4）島上建筑地基條件較差

人工島陸域通常是采用圍海填島的方式形成，而由于海砂具有工程性質良好以及軟基處理相對容易等特點，人工島的陸域形成通常會以海砂作為主要回填料。然而，由于海砂含鹽量較大，建筑地基將會含有大量的氯離子，所以由海砂形成的建筑地基通常都具有較強腐蝕性。

另外，人工島陸域的軟基處理通常會采用井點降水聯合堆載預壓法加固軟土地基（見圖1），并對整個場地進行強夯和碾壓密實處理。人工島陸域在經過軟基處理后，除了在軟基處理期間會發生較大沉降之外，在島上建筑施工期間以及后期使用期間也會發生不同程度的殘余沉降，這必然給島上建筑工程的結構設計增加相當大的風險。

圖1　井點降水聯合堆載預壓加固軟土地基剖面示意圖Fig.1　Schematic profile of soft soil foundation improved with well point dewatering in combination with surcharge preloading method

因此，在含鹽量較大的人工島陸域軟土地基上建造島上建筑工程，建筑基礎的耐久性設計以及對地基沉降的處理將是人工島島上建筑工程的結構設計要點之一。

2　工程實例

港珠澳大橋島隧工程人工島位于廣東省珠江口伶仃洋航道之中，遠離大陸20 km以上，人工島主要是銜接跨海大橋與沉管隧道之間的過渡，人工島島上建筑除了作為沉管隧道通排風的大型設備機房外，還要兼顧大橋養護、消防、監控以及管理辦公等用途。

1）人工島島上建筑工程施工條件非常惡劣，施工效率極低，工程所涉及的原材料全部需要水陸轉運，島上建筑工程的結構設計方案采用“標準化、工廠化、裝配化”的思路，島上建筑內隔墻統一采用標準化的裝配式輕質隔墻系統，鋼結構全部采用工廠加工、預拼裝以及現場安裝方案，混凝土結構考慮整體預制的材料重量較大不宜水陸轉運，參照JGJ 1—2014《裝配式混凝土結構技術規程》[2]以及美國CRSI[3]相關的連接技術，對混凝土結構的鋼筋骨架采取了工廠預制、現場拼裝連接的優化方案，有效提高了施工現場的工作效率，縮短了島上建筑工程的施工工期，提高了施工質量，并降低了島上工程的綜合造價。

2）珠江口是標準的海洋性氣候環境，人工島島上建筑處于高溫、高濕和高鹽霧的環境，而且島上建筑基本處于距離平均海平面上方15 m高度以內的海上大氣區、潮汐區以及浪濺區范圍。因此，為了確保島上建筑工程在設計使用年限內的正常使用，在經過反復論證后，島上建筑工程主要采用了耐久性較好、后期維護費用較低的鋼筋混凝土結構形式，對可更換的部分結構采用普通鋼結構形式，對不可更換的結構則采用耐候鋼結構形式，混凝土結構均按照GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》[4]以及CCES 01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》[5]中關于海洋氯化物環境的要求進行了相應的耐久性設計以滿足島上建筑工程的正常使用。

3）由于人工島所處的海域缺少相應的氣象觀測數據以及地殼構造、地震活動性等資料數據，在設計過程中直接影響了島上建筑工程在抗風、抗震設計時所采用的設計參數是否合適、合理。為此，港珠澳大橋項目在工可、初設等各個階段均對跨海大橋、人工島、沉管隧道等重要部位進行了風氣象、地震動參數等一系列的專題研究報告，島上建筑工程在進行結構設計時同時結合了本項目的專題研究報告以及粵港澳三地的規范標準資料，經過多次專家論證，最終選取適合港珠澳大橋島隧工程人工島島上建筑的抗風、抗震等設計參數，確保了結構設計的安全可靠。

4）由于人工島陸域采用了鋼圓筒圍海填島的方式，陸域回填所用的中粗沙含鹽量較大，回填地基對島上建筑的地下結構及基礎部分均有較強的腐蝕性。因此，島上建筑的地下結構及基礎部分的結構設計均按照規范[4-5]進行了相應的耐久性設計。另一方面，由于人工島陸域在經過軟基處理后，通過對島上地基進行沉降監測以及數據分析，陸域地基在島上建筑施工期間以及后期使用期間將會發生不同程度的殘余沉降，為了有效降低回填地基后期沉降過大以及沉降不均勻等沉降風險，島上建筑工程在結構設計時結合島上地基沉降監測數據的分析結果，在基礎荷載變化較大的部位均采用了設置沉降變形縫以及沉降后澆帶等構造措施，建筑物的基礎形式采用剛度較大的整體式筏板基礎或箱形基礎，確保有效減少軟基處理的殘余沉降對結構設計的不利影響。

港珠澳大橋島隧工程人工島島上建筑工程在結構設計過程中充分考慮了島上有限的施工條件因素、海上惡劣的環境因素、臺風及地震的不確定因素以及島上陸域地基沉降等多重復雜因素，使島上建筑工程的結構設計更加安全、耐用、經濟、合理。

3　人工島島上建筑工程的結構設計要點

結合人工島島上建筑工程特點，有效確保島上建筑工程的安全性、耐久性以及經濟合理性是結構設計的關鍵。應注意以下幾個方面。

3.1結構設計方案的施工便利性

人工島島上建筑工程施工條件非常惡劣，施工效率極低，建筑工程所涉及的原材料全部需要水陸轉運，在島上建筑工程的結構設計方案中應充分考慮“標準化、工廠化、裝配化”的預制裝配設計，盡可能地縮短島上建筑工程的施工工期，提高現場的施工質量，降低島上建筑工程的綜合成本。

3.2耐久性設計

人工島島上建筑工程應根據建筑物的設計使用年限和所處的環境類別進行耐久性設計，參考鋼筋混凝土及鋼結構相關規范標準[4-7]的要求，耐久性設計主要包括以下幾點：

1）按表1[4]確定結構所處的環境類別及作用等級。

表1　環境分類和環境作用等級劃分Table 1　Classification of environment and grading of environmental actions

2）確定不同類型構件的耐久性控制指標，如：鋼筋混凝土的最低強度等級、最小混凝土保護層厚度、表面裂縫寬度限值等指標；鋼構件的腐蝕裕量、防腐涂層要求等指標。

3）根據結構使用要求提出構件的維護周期和檢測方法。

為了確保島上建筑工程的結構設計使用壽命，對鋼筋混凝土結構可通過提高自身材料的性能以及采取相應的構造措施，而對鋼結構可結合防腐涂層以及腐蝕裕量等綜合措施以便解決建筑工程的設計使用壽命問題，對重要的結構部位還應根據規范[6，8]采取適當的外加防腐措施作為保障結構耐久性的輔助措施。

3.3抗風及抗震設計

對于外海的人工島，常常會由于缺少該區域的海上風環境和風特性設計參數、地震構造及地震活動性等相關資料，使得人工島島上建筑工程的抗風、抗震分析無法按現行規范[1，10]進行設計。為此，島上建筑工程的抗風、抗震設計必須根據人工島項目的開展情況逐步展開一系列的觀測、調研以及試驗，經過系統的分析論證，選取合適的設計參數進行島上建筑工程的結構設計。

其中，在人工島項目開展初期就需要委托當地的氣候主管部門對工程區域的風環境和風特性參數進行現場持續觀測以及研究，以便獲取更全面、更具有代表性的實地觀測數據，為島上建筑工程在抗風設計、施工及營運各階段所需的關鍵設計參數提供更詳細、可靠的基礎依據。結構設計時需要對風參數實測數據以及沿岸城鎮的基本風壓等資料進行對比分析，對局部的重要部位還需要考慮抗臺風等性能化設計，以使島上建筑工程的抗風設計符合安全、經濟的要求。

另一方面，對應不同的設計階段，還需要委托有資質的地震安全性評價機構對人工島區域的場地地震安全性進行評價。地震安全性評價工作的主要內容包括以下幾個方面：工程場地和場地周圍區域的地震活動環境評價、地震地質環境評價、斷裂活動性鑒定、地震危險性分析、設計地震動參數確定、地震地質災害評價等。結構設計時須結合GB 18306—2001《中國地震動參數區劃圖》[9]、具體項目的“工程場地地震安全性評價報告”以及相關的國外文獻，如《Global Seismic Hazard Map 1999》等資料對擬建人工島區域進行綜合分析，合理選用適合人工島島上建筑工程的抗震設計參數，使島上建筑工程的抗震設計符合安全、經濟的要求。

3.4島上建筑地基沉降問題的處理方法

人工島陸域除了在軟基處理期間會發生較大沉降外，在后續的島上建筑工程施工及后期使用期間也會發生不同程度的殘余沉降。在陸域地基產生差異沉降的情況下，島上建筑必然會受到較大的影響，嚴重的甚至會導致建筑物的傾斜坍塌。

面對不可避免的地基沉降問題，結構設計中常用的處理方法有以下幾種：

1）加強建筑物的整體性，對建筑物內的局部重要節點采取必要的加強措施，防止建筑物在發生差異沉降時產生較大的附加應力而導致建筑物出現局部破壞。

2）建筑基礎建議采用整體剛度較大的筏板或箱形基礎，對海底基巖較淺的情況亦可考慮采用樁基礎，并嚴格控制建筑物在荷載作用下的差異沉降量，防止建筑物發生嚴重傾斜。

3）在建筑物基底壓力相差較大的部位設置沉降變形縫以及沉降后澆帶，可有效減少差異沉降對建筑物的不利影響。通過對建筑物的沉降監測分析，可及時處理建筑地基發生沉降異常等情況。

地基的不均勻沉降變形對結構設計的影響是相當大的，其直接影響到建筑物的安全使用，應確保島上建筑工程的各項功能要求符合設計預期的目標。

4　結語

填海人工島的建設不僅有利于我國海洋灘涂資源的科學、協調以及可持續發展，還能為城市有限空間的發展起到重要作用，未來的填海人工島必將由沿岸逐漸向外海發展。本文通過分析人工島島上建筑工程的特點，結合港珠澳大橋島隧工程人工島島上建筑工程項目情況，對影響結構設計的相關因素及結構設計要點進行研究，以便于人工島島上建筑工程的結構設計更加安全、耐用、經濟、合理，并為今后的人工島島上建筑工程的結構設計提供有價值的參考。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S]. GB 50011—2010,Code for seismic design of buildings[S].

[2]JGJ 1—2014，裝配式混凝土結構技術規程[S]. JGJ 1—2014,Technical specification for precast concrete structures[S].

[3]CRSI.Reinforcing bars:Anchorages and splices[S].5th ed.2008.

[4]GB/T 50476—2008，混凝土結構耐久性設計規范[S]. GB/T 50476—2008,Code for durability design of concrete structures[S].

[5]CCES 01—2004，混凝土結構耐久性設計與施工指南[S]. CCES 01—2004,Guide to durability design and construction of concrete structures[S].

[6]JTS 153-3—2007，海港工程鋼結構防腐蝕技術規范[S]. JTS 153-3—2007,Technical specification for corrosion protection of steel structures for sea port construction[S].

[7]GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S]. GB 50010—2010,Code for design of concrete structures[S].

[8]JTJ 275—2000，海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范[S]. JTJ 275—2000,Corrosion prevention technical specifications for concrete structures of marine harbour engineering[S].

[9]GB 18306—2001，中國地震動參數區劃圖[S]. GB 18306—2001,Seismic ground motion parameters zonation map of China[S].

[10]GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S]. GB 50009—2012,Code of the design of building structure[S].

Analysis of structural designs of buildings on artificial islands

LIANG Ji-zhong
（CCCC Airport Investigation and Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

In order to make the structural designs of buildings on artificial islands become more secure,durable,economical, and reasonable,we made studies on the related factors affecting the structural designs and the main points in the structural designs based on an analysis of the features of the buildings and structures on artificial islands.The study can provide reference for structural design of buildings on artificial islands.

artificial island;structural design;prefabrication and assembly;durability;wind and seismic design;foundation settlement

U656；TU201

B

2095-7874（2016）09-0022-04

10.7640/zggwjs201609005

2016-06-13

梁繼忠（1981—），男，廣東廣州市人，高級工程師，土木工程專業。E-mail：15872561@qq.com