某工程大跨箱型地下通道結構設計

安青元

(福建利安建筑設計顧問有限公司 福建福州 350001)

1 工程概況

該工程位于福州市，為普通住宅小區，含兩棟25層高層住宅、一棟29層高層以及一棟三層商業用房。主體結構采用框架以及剪力墻結構，設一層人防地下室。因地鐵規劃從該地塊地下室中部穿過,地鐵影響范圍內不允許打樁。該小區定位為高端住宅，為提升用戶使用體驗，并增加停車數量，故設計時考慮將地下室分為左右兩部分，兩者用3道長約30m～35m，寬12m～12.5m，高4.75m～6.15m的砼箱型通道相連，作為機動車通道兼停車位使用，既保持地下通道的聯通，又避免了對地鐵通道的影響。最深的砼箱型通道板底標高約為室外地面標高以下7.2m，地鐵預留要求的影響范圍是在地面12m以下，故該方案對地鐵施工不會造成任何影響。通道附近結構平面示意圖如圖1所示。

圖1 通道結構平面示意圖

該工程建筑結構安全等級為二級；結構設計基準期為50年，主體結構設計使用年限為50年；建筑抗震設防類別為丙類，建筑抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.10g；設計地震分組為第二組；建筑場地類別為III類;按設防類別及場地調整后用于抗震驗算的烈度7度,用于確定抗震等級的烈度7度；設計特征周期0.55s;結構阻尼比0.05；多遇地震水平地震影響系數最大值0.08；地下通道的抗震等級為三級；室外地面標高為-0.15～-0.8m，地下室抗浮水位為-1.8m。

2 大跨地下通道結構選型及計算分析

2.1 結構選型

設計思路是將大跨地下通道視為一道箱梁，支撐于兩側地下室；故設計時通道兩端剪力墻伸入主體結構內3.8m～6.6m并在兩端設置端柱；且該范圍內通道底板伸入地下室底板，板厚相同，鋼筋拉通，使通道與地下室主體可靠連接，協同變形。箱型通道截面尺寸如圖2所示。從整體比例上來說，箱型通道最大跨高比為35m/4.75m=7.36；從箱型通道橫斷面比例來說，箱型通道最大頂底板跨高比為12.9m/0.55m=23.45；有限元計算的位移結果證明截面尺寸取值是滿足剛度要求的。

圖2 通道截面尺寸示意圖

2.2 計算分析

2.2.1程序選用

佳構STRAT通用建筑結構軟件按超元建模，可將通道結構模擬成板元有限元計算，有限元網格劃分約0.5m～0.6m。本次設計砼通道視為線彈性材料。程序可實現對通道各個面上的水、土荷載、通道頂面活荷載、地震作用的自動組合，并將有限元內力沿厚度積分成截面內力后給出計算配筋，故通道結構采用STRAT程序計算是適用的。

2.2.2計算簡圖及荷載

建模時按實際荷載情況以及模擬邊界條件進行有限元計算，將通道相鄰結構也考慮在內。通道及相鄰地下室的三維模型簡圖如圖3所示。

圖3 通道三維模型計算簡圖局部示意

箱型通道橫斷面計算簡圖如圖4所示，兩端邊界條件簡圖如圖5所示。

圖4 通道橫截面計算簡圖

據《建筑結構荷載規范》(JGB50009-2012)[1]及《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)[2]得荷載取值如下:

q水土:水土分算的側壓力標準值，取60.5～87(底)/7.9～16.1(頂)kN/m2；

q堆載:地面堆載側壓力標準值，取5kN/m2；

q地震:等效水平地震力標準值，取1.1kN/m2；

P地震:頂底板等效水平地震力標準值，取13.2kN/m；

q頂恒載:頂板覆土及板自重標準值，取20.5(覆土)+13.8(板自重)kN/m2；

q頂活載:頂板活值，取4(常規小區地面)～20(消防車經行處)kN/m2；

q底恒載:底板面層及板自重標準值，取2(面層)+13.8(板自重)kN/m2；

q底活載:底板停車或車道活值，取4kN/m2；

q水浮力標準值:取59.5～42.5kN/m2；

q土反力:水浮力不足以承擔通道荷載時土反力與通道自重平衡。

當不考慮水浮力時估算平均q土反力標準值恒載加活載下約為88.2kN/m2，小于未經修正的天然地基承載力特征值。

圖5 通道長向計算簡圖

2.2.3抗剪驗算

擬參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)[3]第5.2.10條規定,對通道按板式受彎構件進行抗剪驗算。以通道二跨中為例如下：

估算通道側壁頂與上蓋板交界處每米長剪力值V頂=311.4kN/m(設計值)并讀取跨中某處實際有限元計算剪力V=287kN/m(設計值)作為復核，誤差不大于10%。據《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)[4]第6.3.3條，V≤0.7βh×ft×b×h0=515kN，頂板抗剪驗算滿足。同理，估算水浮力作用下側壁底與底板交界處V底=354kN/m(設計值)，底板抗剪驗算滿足。

2.2.4通道構件計算結果及受力變形分析

配筋計算時按C30P6砼設計，保護層厚按規范要求區分部位取用，不考慮構造加腋作用。與土直接接觸面抗裂驗算按0.2 mm最大裂縫寬度的控制。以通道二為例通道彎矩以及變形結果簡圖示意如圖6～圖11所示。

圖6 通道二頂板及側壁Mx彎矩包絡圖

圖7 通道二頂板及側壁My彎矩包絡圖

圖8 通道二 頂板及側壁變形圖

圖9 通道二底板Mx彎矩包絡圖

由此可知，頂底板的彎矩與變形云圖與荷載相符;主要的彎矩和變形位于通道頂板中部使用活荷載較大處，通道跨中橫截面是配筋控制截面；通道與主體結構相連處有應力集中現象，但不起控制作用；側壁雙向壓彎非常明顯；頂底板荷載作用下側壁有向外壓彎變形的趨勢，可抵消部分側壁水土壓力作用下變形趨勢。

2.2.5構造加強措施

在通道側壁頂、底設置550mm寬900mm高的暗梁并加強抗扭箍筋及腰筋，并設置350mm寬×350mm高的三角形加腋區，側壁的外側鋼筋伸入頂底板不少于4100mm。

3 基礎設計

該工程勘察揭示的場地巖土層按其成因及力學強度不同可分為以下工程地質層，各巖土層特征及分布規律自上而下分為8層：①雜填土,②中砂夾淤泥,③淤泥質土,④中砂,⑤粉質粘土,⑥卵石,⑦強風化花崗巖(砂土狀),⑧強風化花崗巖(碎塊狀)。該工程通道兩端采用靜壓PHC先張法預應力高強混凝土管樁PHC500-125-B，樁端持力層為(6)卵石，樁長約40m，單樁豎向承載力特征值為2300kN，單樁抗拔承載力特征值為750kN。箱型通道底落在②中砂夾淤泥上，該層以稍密狀態為主，具有一定的力學強度，厚度10.3m～18.9m不等，未經修正的天然地基承載力特征值為140kPa。

通道兩端剪力墻下布樁時將通道視作4.75m高(通道最小處高度)箱型深梁考慮，兩端墻下布6～8根樁，兼顧抗壓和抗拔作用，地下通道整體豎向承壓及整體抗浮設計滿足。

實際上因為通道底板下中砂夾淤泥層也具有一定的承載力，截取箱型通道橫斷面計算時，箱梁基底地基豎向承載力滿足要求；且因為通道底板下土壓力并未超過未施工通道時的原始土壓力，無附加應力；故通道不會產生較大的沉降變位及不均勻沉降。在設計抗浮水位下扣除通道側壁自重以及頂底板面層、覆土及自重后底板輸入折算向上荷載設計值為0～18.7kN/m2，若不考慮荷載分項系數，最大水浮力荷載標準值僅略大于基底恒載，故大跨箱型通道不會出現底板脫空情況，局部抗浮滿足。

4 結論

(1)該工程受力形態以底板和頂板短跨方向為主。通道側壁實際上是雙向壓彎深梁，起著重要作用，故設計上設置墻頂、墻頂暗梁并構造加腋加強。

(2)既要考慮地下通道的整體豎向承壓和抗浮，也要考慮局部承壓和抗浮。

(3)采用合適的有限元計算分析軟件并正確模擬邊界條件，按有限元計算結果進行精細化設計，可以起到減少截面尺寸，節省配筋的作用。

(4)保證箱型通道兩側土回填密實，這樣可抵消一部分頂底板變形造成的影響，對結構物本身安全是有利的。

該工程為地鐵通道穿越地下室提供了一種可行做法，設計時整體與局部兼顧，采用合適的有限元計算分析軟件建模計算。預驗收時現場未發現裂縫，證明該設計方案切實可行。