廈門大學訪客中心結構設計

陳躍輝

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361004)

?

廈門大學訪客中心結構設計

陳躍輝

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361004)

基于廈門大學訪客中心結構設計存在場地淤泥層厚度深、基坑開挖深度大、抗浮設計水位高、結構超長抗裂等諸多難點，設計通過合理確定結構體系和支護方案、采用基坑支護與主體結構連接的防水體系、旋挖樁與抗浮錨桿結合的抗浮方案；對超長結構采用設置后澆帶、計算敞開段樓板溫度應力等抗裂措施；并采用(裝配箱)混凝土空心樓蓋保證地下室凈高，達到綜合效益最大化。

基坑支護；抗浮設計；超長結構；(裝配箱)混凝土空心樓蓋

0 引言

廈門大學坐落于廈門白城海邊，由愛國華僑陳嘉庚于1921年創辦。校園風光旖旎、景色優美，素有“中國最美大學”之稱。經過95年的發展，廈門大學成了越來越重要的訪問對象，年訪客數量接近600萬人，每天進入校園的車輛接近4 000輛。校園內外人滿為患、車輛混雜，嚴重影響了教學生活秩序。本案充分利用原演武運動場地下空間，興建廈門大學訪客中心，建不少于2 000個車位的地下車庫，同時引入臺灣“誠品書店”等相關教育科研配套設施，對目前混亂的人流和車流進行有序的引導和組織，恢復校園往日的寧靜。地下室頂板地面恢復建設標準南北向田徑運動場，解決原演武運動場東西朝向的問題，完善廈門大學師生體育運動設施。新建面朝廈門灣的南大門，形成南大門-嘉庚雕像-群賢樓為中心的校園主軸，恢復校主陳嘉庚“面朝大海”的建校規劃。

1 工程概況

“廈門大學訪客中心”位于廈門大學演武校區，總建筑面積10.6萬m2，地下2層，其中地下1層局部設夾層，地下室總高度13.2m。地面建筑為南大門、司令臺、出入口等，建筑層數一層～二層，建筑高度3.5m～8.4m。

結構設計使用年限50年，建筑結構安全等級為二級，建筑抗震設防類別為乙類，所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，設計地震分組：第二組，場地類別：II類、III類；50年一遇的基本風壓：0.80kN/m2，地面粗糙度：B類。建筑總體鳥瞰圖(圖1)。

2 結構設計難點

項目位于廈門演武校區核心地帶，場地北側為全國重點文化保護單位-廈大群賢樓群，場地東側為“南方之強”石刻和國立廈門大學第一任校長薩本棟墓，場地西側為游泳館、體育館，場地南側為干休所和海洋三所。項目與周邊建筑的關系十分緊密，且在地下室深度范圍內有較厚的淤泥，要求地下室開挖、土體變形、施工噪音等不能對周邊建筑和正常的教學、生活造成影響。同時校方要求地下室頂板要在2016年9月前恢復使用，施工工期僅10個月左右，僅土方開挖量預計多達70萬m3，對設計方案和施工組織設計均提出較高的要求。該項目位于海邊，受海水和海潮直接影響，地下室抗浮設計和防水設計是該項目的重點、難點。本文試圖探討以上結構設計的難點，希望能對城市地下空間開發利用等類似工程的設計提供借鑒。

3 結構體系

該工程地下室底板位于地面以下13.2m，但場地東側為開放式下沉廣場，場地南側為雙向7.7m寬的車道，場地西側頂板沿外墻設采光井和樓梯間等，以上三側地下室外圍無剪力墻或剪力墻與主體結構無法形成完整體系。場地北側地下室外墻為完整的連續剪力墻，剪力墻分布很不均勻。地下一層平面圖(圖2)。

結構體系確認存在如下難點：

(1)該工程定性為地下室或上部結構？是否需要考慮抗震設計？

(2)若需考慮抗震計算，結構體系定性為框架或框剪結構？是否需要控制結構樓層位移比<1.5？為控制結構位移比<1.5需增設較多剪力墻，對原建筑方案的設計影響很大。

(3)場地南北兩側土體壓力不平衡，且場地北側淤泥層厚度達10m左右，不具備做永久性基坑支護的條件，結構設計如何考慮？

針對以上問題，咨詢福建省施工圖審查中心專家，專家認真查閱圖紙后認為：

(1)該工程雖然地下室三面開敞，但均位于地面以下，在地震作用下，主體建筑與土體共同運動，因此仍可定性為地下工程。

(2)結構定性為框架結構，北側地下室外墻帶入結構整體計算，并在南側和東側樓梯間增設少量剪力墻，以控制結構剛度不平衡。為保證結構的安全性，整體計算考慮抗震作用，結構位移比可放松至1.6，其余各項指標應滿足《建筑抗震設計規范》要求。

(3)考慮該工程南北方向長度207m，結構整體剛度較大，且場地北側基坑支護采用灌注樁+大直徑旋噴錨索支護+止水帷幕，可卸掉部分土體壓力，主體結構可以抵抗南北兩個方向土體壓力差。北側外墻土壓力計算中可以考慮基坑支護與外墻的共同作用，按靜止土壓力乘以0.66計算[1]。

4 基坑支護

該項目基坑呈規則四邊形，面積約48 110m2，主體區域開挖深度14.10m～17.50m，基坑支護結構安全等級為一級。場地東側局部剖面圖如圖3所示。基坑支護結構設計面臨著周邊環境對變形要求嚴格、地下水與海水連通、場地淤泥深厚、支護結構可用空間狹小、開挖深度大等一系列問題。

該工程設計充分考慮基坑周邊建筑物及道路的超載以及水壓力對基坑圍護結構的影響，在保證圍護結構自身的安全穩定性的同時，還著重考慮老舊建筑及管網抗變形能力差的特性，加強了控制變形的考量，計算過程中對控制變形提出了更高的要求，支護結構水平位移控制在25mm之內。

北側基坑支護屬臨時性支護結構，采用灌注樁+高壓旋噴擴大頭預應力錨索支護；南側基坑外緊鄰大學路，采用內雙排樁+外單排灌注樁+預應力錨索組合支護型式，待內雙排樁達到設計強度并對外單排樁形成有效支撐后，拆除預應力錨索，雙排樁頂后期將鋪設成連通下沉廣場內外的車道。

東側采用灌注樁+預應力錨索支護，結合樁頂自然放坡，自然放坡的范圍后期將由景觀設計改造為人工草坡；西側基坑外為體育館及游泳館，場地淤泥深厚，地質情況變化劇烈，垂直支護高度為15.3m。受體育館、游泳館樁基的影響，灌注樁+錨索支護型式不能采用，而下沉廣場在西側設置一系列采光天井又決定了灌注樁+鋼筋砼內支撐型式不能采用，因此考慮采用雙排樁懸臂支護。經試算，在現有地質條件下，雙排樁懸臂支護型式在高度大于8.5m以上就出現配筋率過高、支護結構變形過大等問題。綜合考慮，西側雙排樁懸臂支護8.4m，樁頂6.9m高度在開挖期間為卸土高度，雙排樁內部及墻背采用水泥土攪拌樁地基改良，坑內被動區土體采用水泥土攪拌樁加固。后期在雙排樁頂澆筑5.65m高與樁同寬的鋼筋砼空箱結構，以減少回填土壓力。最后形成永久性支護結構剖面圖，如圖5所示。

目前基坑已經開挖至設計標高，基坑頂最大水平位移12mm，群賢路路面最大豎向沉降20mm，基坑變形值較小且趨于穩定，基坑支護效果良好。

5 抗浮與防水設計

該工程南側局部離海邊最近的距離不到200m，根據地勘和施工開挖發現，地下水與海水有直接的水力聯系。擬建場地所處位置及近年來當臺風遇天文大潮時，廈門大學校園內出現海水倒灌，海水淹沒校園較多區域，特別是2015年9月份受臺風“杜鵑”的影響，本場地所處區域大部分地區浸水50mm左右。而該工程主體大部分位于地面以下，且場地東、西、南三側頂板均為開口段，場地東側剖面，如圖3所示。地下室頂板中部分布較多樓梯和采光井、通風口，處理不慎極易造成海水倒灌涌入地下室。同時該工程主體工程為2層地下室，基本無上部結構壓重，抗浮設計水頭高度14.5m，因此抗浮與防水設計是該工程的重點和難點。

根據地勘報告：“考慮本工程地下室抗浮設防水位建議按歷年最高潮位4.50m(1985國家高程基準)考慮”。結合廈門輪渡碼頭地下室和廈大周邊地下室防水設計經驗，為確保該工程在天文大潮下不被海水倒灌，該工程抗浮設計水位確定為4.80m(1985國家高程基準)，所有地下室頂板開口段，出入口處地面標高均不低于4.80m。

場地北側基坑支護為臨時支護，地下室外墻墻厚取500mm；場地東、西、南三側為永久性基坑支護，圍護樁外側4.5m寬范圍內做止水帷幕，結合300mm厚地下室外墻防水，節點做法詳見圖6。

根據地勘報告，場地西北角和中部中風化花崗巖層埋深較大，該區域采用旋挖樁基礎，樁徑1 200mm，有效樁長12m～20m，單樁抗拔承載力特征值取2 000kN；其他區域中風化巖面埋深較淺，在底板標高處，地基土為全風化花崗巖或砂礫狀強風化巖，基礎采用筏板基礎加抗浮錨桿，錨桿孔徑180mm,錨桿長度6m～12m，錨桿抗拔承載力特征值為250kN。

采用旋挖樁與抗浮錨桿結合的基礎，旋挖樁可與圍護樁同步施工，工程樁與圍護樁在3個月內完工。后期可根據后澆帶位置，分塊開挖土方施工抗浮錨桿，兩種工序穿插進行，加快施工進度。

6 (裝配箱)現澆混凝土空心樓蓋設計

該工程地下一層夾層、地下一層、地下二層層高分別為4.10m、3.40m、5.05m。扣除設備高度，地下室頂板預留給結構構件的高度僅350mm，地下一層夾層、地下一層預留給結構構件的高度僅450mm。地下室頂板采用大板+主梁樓蓋體系，頂板板厚350mm，主梁梁高650mm～750mm，主梁上反至板底平；地下一層夾層和地下一層樓板擬采用現澆空心樓板體系。

目前，空心樓板主要有裝配箱空心樓蓋和薄壁方箱空心樓蓋兩種體系。裝配箱混凝土空心樓蓋是由預制箱體與現澆混凝土肋梁結合形成梁板合一的整體；預制箱體由預制的鋼筋混凝土頂板、底板及由硬質材料制作的側壁筒3個部件組裝而成[3]。裝配箱空心樓蓋結構剖面如圖7所示：

薄壁方箱空心樓蓋是在現澆混凝土樓板內置薄壁箱體組成的樓蓋體系，薄壁箱體是由聚苯與玻璃纖維網布制成或塑料制成。薄壁方箱空心樓蓋結構剖面如圖8所示。

裝配箱空心樓蓋和薄壁方箱空心樓蓋兩種體系對比，如表1所示。

表1 裝配箱空心樓蓋和薄壁方箱空心樓蓋對比表

綜上所示，該工程地下一層夾層、地下一層樓板采用裝配箱空心樓蓋。箱體底板厚度≥40mm,箱體頂板厚度≥20mm，箱體底板四周設剪力齒，剪力齒間距100mm。頂部現澆層樓板厚度80mm，肋梁截面尺寸150mm×450mm。結構斷面如圖9所示 。

計算采用上海佳構STRAT6.0建筑結構軟件，采用有限元直接設計法進行豎向荷載作用下的內力計算，在豎向均布荷載作用下柱支承樓蓋按彈性分析得到的樓蓋內力，在每個方向上正負彎矩之間調幅均不超10%。箱體的頂板或底板可作為肋梁的受壓翼緣參與工作，結構內力分析時，將肋梁視為工字形截面，上、下翼緣的寬度為肋梁寬度與12倍翼緣厚度之和。樓蓋區與框架柱的節點 采用實心現澆柱帽，尺寸2.5m×2.5m。樓蓋節點受沖切承載力計算和構造要求應符合《混凝土結構設計規范》GB50010相關規定，節點核芯區受剪承載力的計算和相關設計要求應符合《建筑抗震設計規范GB50011》的規定，并應驗算樓蓋的撓度和肋梁、框架梁的裂縫寬度。

7 超長結構設計

該工程地下室平面尺寸為238mx203m，長度遠超《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)[2]第8.1.1條的要求，屬超長結構地下室。底板厚度800mm～1 000mm，屬大體積混凝土。為防止混凝土溫差變化和混凝土收縮效應造成的開裂，該工程采取如下措施：

(1)設置后澆帶，后澆帶間距<55m。共計X方向設置3條后澆帶，Y方向設置4條后澆帶，整個平面劃分為22個區塊。

(2)大體積砼澆筑宜采用分段、分層施工，每層厚度約500mm～700mm。砼要求全部振搗到位，避免漏振、欠振、過振，控制振搗時間，使砼開始返漿和冒氣泡為準；插點間距為300mm～400mm，插入到下層尚未初凝的混凝土中約50mm～100mm，保證接合面的砼密實。砼表面處理應進行二次收漿壓實，排除砼收水裂縫。

(3)采用低水化熱水泥，并在保證強度前提下，適度摻加粉煤灰(粉煤灰應符合二級品的要求)，以增加和易性及減少水泥用量。地下室底板梁板混凝土強度等級采用60天強度指標。

(4)地下室頂板因長時間暴露在外,受天氣等環境因素影響大，常出現開裂現象。地下室頂板后澆帶封閉后，應及時覆土回填，覆土層厚度1.5m～1.8m。

(5)提高樓板配筋率，頂板、底板采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不小于0.25%，鋼筋選用細而密，有利于控制裂縫。

(6)場地東側為地下室開口段，該部分地下室頂板梁、板為露天結構，受溫度變化影響較大，對該部分樓板計算溫度應力作用。采用PMSAP計算溫度作用,根據《建筑結構荷載規范GB5009-2012》廈門市基本氣溫最高35℃，最低5℃，溫度計算作用時，結構初始平均溫度取值為：TO,min=10℃，TO，max=20℃。施工時要控制后澆帶澆筑合攏時的溫度，盡量減小合攏溫度與低溫時的溫差，溫度控制在10℃～20℃之間。

依據圖10、圖11，計算所得樓板最大壓應力480kPa,即0.48MPa，遠小于樓板的混凝土抗壓強度設計值fc=19.1 MPa。樓板最大拉應力600kPa,即0.60MPa，需設置溫度應力筋抵抗溫度變化產生的拉應力，板筋為正常使用下的板筋面積和溫度作用下的附加板筋面積疊加后配置。考慮降溫作用下的最大拉應力為600kN/m2,全部由板筋承擔，每米寬度內折算為板筋為292mm2,即跨中板面配置的通長鋼筋不小于292mm2,；支座及板底跨中處，考慮溫度作用的組合系數0.6后為175mm2，正常使用下的板筋面積與溫度作用下的附加板筋面積(175mm2)疊加配置，支座處實際配置為通長鋼筋+附加筋。

8 結論

(1)該工程體量大、施工工期短、場地條件復雜、與周邊建筑關系緊密，設計與施工組織設計應綜合考慮建筑功能、施工速度、結構安全等，達到綜合效益最大化。

(2)基坑支護應緊密結合場地地質條件，分區塊采用永久性支護和臨時性支護，確保基坑支護的安全。

(3)該工程毗鄰海邊，設計應充分考慮海水倒灌措施，并對工程的防水設計和抗浮設計細致考慮。

(4)裝配箱混凝土空心樓蓋具有節約層高、減少結構自重、施工速度快、施工質量可靠等優點，在非防水部位的地下室樓蓋中應用有較明顯的優勢。

(5)超長結構地下室設計應充分考慮抗裂措施，并對溫差較大的區域計算溫度應力。

[1] 全國民用建筑工程設計技術措施，結構(地基與基礎)[S].中國建筑標準設計研究院.2009.

[2] GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3] JGJ/T 207-2010 裝配箱混凝土空心結構樓蓋技術規程[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

Structural Design of Visitor Center in Xiamen University

CHENYuehui

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co, Ltd. Xiamen 361004)

The visitor center locates in Xiamen University, a lot of difficulties exist in the its structural design, such as thick silt layer, deep excavation, high anti-float water level, super-long crack resistance. A series of measures have been adopted to resolve these difficulties, the measures include rational determination of structural system and supporting scheme, foundation pit supporting and main body structure connected water proof system, rotary pile and anti floating anchor combined anti-float scheme. For the super -long structural member, in order to resist the crack, the post pouring belts have been set, the open section floor section’s temperature stress has been calculated. What’s more, the assembly box concrete hollow floor has been designed to assure the floor’s net height for the basement,to maximize the comprehensive benefits.

Retaining and protection for excavations; Anti-float design; Super-long structure；Assembly box concrete hollow floor

陳躍輝(1977.10- )，男，高級工程師。

E-mail:45010214@qq.com

2016-08-08

TU318

A

1004-6135(2016)11-0039-06