地下道路結構配筋設計探討

顧志超

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市200030）

0 引 言

隨著國民經濟和社會的發展，城市人口日趨集中，城市路面交通系統日趨緊張，開發地下空間資源、修建地下道路成為各大城市改善交通環境的一個發展趨勢[1]。

城市地下道路結構，根據施工工藝可以分為明挖地道和暗挖地道。其中，明挖地道一般為閉合框架結構形式，根據車道規模又可以分為單孔框架、雙孔框架等。

由于荷載、土體性質等因素變化較大，且缺乏統一的三維計算軟件，設計人員對地下結構設計較民用建筑保守。對于相似的地下結構，不同設計人員的設計含鋼量相差較大[2]。

在已有研究的基礎上，針對明挖地下道路結構，從剛域、削峰、腋角、軸力、結構空腔等方面進行結構配筋設計探討，以期為實際工程設計提供參考。

1 計算理論及模型建立

1.1 計算理論

（1）地道主體框架結構的受力分析一般可簡化為平面問題，采用荷載結構法進行分析。

（2）地道底板厚跨比一般均小于1/6，宜按彈性地基理論計算內力[3]。

（3）荷載主要有永久荷載、可變荷載和偶然荷載。永久荷載分為結構自重、土層壓力、水壓力等；可變荷載分為地面超載、車輛荷載等；偶然荷載分為地震荷載、人防荷載等。

（4）地道結構配筋按裂縫控制。

1.2 模型建立

西安地區某地下道路工程雙向六車道標準斷面如圖1所示，結構單孔凈寬12.9 m，凈高5.6 m，結構頂底板厚度1 m，側壁厚度0.9 m，中隔墻厚度0.7 m，結構覆土厚度5 m，不考慮地下水位影響，地基基床系數為30 000 kN/m3，地面超載取20 kPa，混凝土強度等級為C35。

圖1 地下道路結構橫斷面圖（單位：mm）

采用Midas Gen結構有限元計算軟件建立基本模型，按中軸線簡化橫斷面計算，準永久組合彎矩圖如圖2所示。若采用此結果按裂縫配筋，支座計算鋼筋需18 498 mm2，配筋率過大，易發生脆性破壞，且支座鋼筋過密，難以施工。為此，需加大板厚，從而增加造價。

圖2 基本模型準永久組合彎矩圖（單位：kN·m）

2 內力取值及配筋優化

地道一般為寬扁型結構，頂底板跨度大于側壁高度，最大彎矩值一般位于頂底板支座或跨中。同時，由于彈性地基變形協調作用，地道底板彎矩一般比頂板小。因此，現主要從頂板內力方面，研究剛域、削峰、腋角、軸力、結構空腔等對結構配筋的影響。

2.1 剛域

《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）（2015年版）5.2.2條規定：梁、柱等桿件間連接部分的剛度遠大于桿件中間截面的剛度時，在計算模型中可作為剛域處理[4]。

《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）5.3.4條規定：在結構整體計算中，宜考慮框架或壁式框架梁、柱節點區的剛域影響。梁端截面彎矩可取剛域端截面的彎矩設計值。剛域的長度可按下列公式計算：

當計算的剛域長度為負值時，應取為零[5]。圖3為剛域示意圖。

圖3 剛域示意圖

根據高層建筑混凝土結構技術規程取剛域長度，重新計算模型可得彎矩圖如圖4所示。考慮剛域后，頂板支座及跨中彎矩均減小約4%，可小幅減少配筋，但影響有限。

圖4 考慮剛域模型準永久組合彎矩圖（單位：kN·m）

2.2 削峰

無論是基本模型，還是考慮剛域模型，頂板支座彎矩取值位置均處于壁板范圍內。但是，其并不是最不利截面。其最不利截面應是壁板邊。根據上海市地方標準《城市軌道交通設計規范》（DG/TJ 08-109—2017）11.6.5條規定：縱梁截面配筋時，梁支座處的負彎矩可取柱邊彎矩,按下列公式計算：

式中：M0為支座中軸線彎矩；Q0為支座中軸線剪力；b為支座寬度。

計算可得，頂板在中壁板邊彎矩為2 438 kN·m，相比支座中軸線彎矩減少約9%，可減少支座配筋。

2.3 腋角

閉合框架結構增加腋角可有效改善角部應力集中現象，腋角最佳坡度比例為1∶3[6]。腋角的存在使得地道頂板在支座邊緣的計算截面變大，對于配筋是有利的。但是腋角也增加了頂板支座處剛度，在矩形地道常用斷面的加腋比的情況下,負彎矩可增加20 %以上[7]。

為分析腋角對于支座配筋的影響，在Midas Gen中建立地道1 m長斷面的實體模型，頂板腋角高500 mm、寬1 500 mm，底板腋角高700 mm、寬300 mm。計算結果如圖5、圖6所示。頂板在中壁板邊彎矩為2 595 kN·m，比平面框架模型彎矩大6.5%，但是截面高度可取1.5 m，計算配筋僅12 315 mm2，相比基本模型節約鋼筋約33%。頂板跨中彎矩為1 114 kN·m，相比基本模型減少約17.5%。由此可見，考慮腋角作用可大幅優化頂板支座及跨中縱向受力鋼筋。

圖5 實體模型準永久組合應力云圖

圖6 實體模型頂板支座處準永久組合彎矩值云圖（單位：kN·m）

增加腋角對于截面抗剪也是有利的，地道結構跨度一般較大，在深覆土情況下，頂底板剪力對結構截面高度起控制作用。以上文基本模型為例，基本組合下頂板在中壁板邊剪力為1 324 kN，按1 m板厚驗算抗剪是不滿足的。由于頂底板、側壁不能像梁一樣采用箍筋或彎起鋼筋抗剪，拉結筋抗剪計算也缺乏規范支持，只能增加板厚。若考慮腋角作用，截面計算高度可取1.5 m，截面本身抗剪即可滿足要求。考慮腋角作用其實也是削峰的一種方式，值得注意的是，腋角、削峰都不能和剛域同時使用。

2.4 軸力

地道平面閉合框架頂底板和側壁均為壓彎構件，軸力對結構受力是有利的。以上文基本模型為例，頂板軸力來源為側壁承受的側向水土壓力，側壁高度相對較小，且地道暗埋段側向水土壓力一般為靜止土壓力，使得傳至頂板的軸力較小，準永久組合工況下頂板軸力為263 kN，按壓彎構件計算，配筋為17 693 mm2，配筋僅減小約4%。作為對比，取側壁內力進行分析。基本模型側壁支座彎矩為1 056 kN·m，軸力為955 kN，考慮軸力比不考慮軸力的配筋減小約25%，側壁考慮軸力后可大幅減小配筋。

在實際情況中，地下水位不是一個定值，基坑圍護樁對結構側向土壓力也有削減作用。結構分析計算時，側向水壓力一般按最高水位取值，頂底板的計算軸力一般是偏大的，應予以適當折減。側壁承受的最大彎矩和軸力均由頂底板所受荷載確定，彎矩和軸力來源一致，規律一致，可按計算軸力考慮有利影響[2]。

2.5 結構空腔

地道結構內力主要由荷載及結構跨度決定，地道跨度受限于車道規模，難以減小。要減小結構內力，可從荷載方面入手。

地道頂板主要荷載為自重、覆土荷載、地面超載。對于深覆土地道而言，可通過在頂板上部增設結構空腔來減小覆土厚度，從而達到減小頂板荷載的目的。在地道方案設計時，應根據沿線城市規劃，結合可共同實施的綜合管廊、軌道交通、地下空間等市政基礎設施，設置結構空腔。它既利用空腔空間、節約土地資源，又可減小工程造價。

以本文雙向六車道地道為例，在頂板上增設凈高2.5m的結構空腔，如圖7所示。采用Midas Gen建立平面框架模型計算，準永久組合彎矩圖如圖8所示。

圖7 地道增設結構空腔橫斷面圖（單位：mm）

圖8 增設結構空腔模型準永久組合彎矩圖（單位：kN·m）

由圖8可以看出，增設空腔后結構內力均大幅減小，頂板最大彎矩減小約70%，底板最大彎矩減小約55%。不考慮前文彎矩取值方式及軸力作用，僅以截面中軸線位置彎矩值計算頂底板及側壁配筋，分別為6 158 mm2、6 283 mm2、5 686 mm2，配筋率分別僅為0.68%、0.63%、0.63%，結構壁厚還可適當優化。

2.6 結果總結

以地道頂板支座彎矩為例，將考慮剛域、削峰、腋角、軸力、結構空腔等模型計算結果與基本模型計算結果進行比較，結果見表1所列。

表1 計算結果對比表

3 結 論

本文在已有研究的基礎上，針對明挖地下道路結構，從剛域、削峰、腋角、軸力、結構空腔等方面進行結構配筋設計探討，得出以下主要結論：

（1）考慮剛域后，頂板支座及跨中彎矩均有所減小，但幅度不大，對配筋影響有限。

（2）考慮削峰后，頂板支座彎矩有所減小，可優化支座鋼筋。

（3）考慮腋角后，頂板支座彎矩小幅增大，但配筋可大幅減少，跨中彎矩有所減小，配筋有所減少。

（4）考慮軸力后，頂板配筋減少有限，但側壁鋼筋可大幅減少。

（5）考慮結構空腔后，結構內力及配筋均大幅減小，結構壁厚也可適當優化。

根據上述結論，地下道路結構設計時，宜考慮腋角對結構內力及配筋的有利作用，大幅減少鋼筋用量及造價。當地道覆土較厚時，應結合周邊市政基礎設施增設結構空腔，節約地下空間資源，大幅減少工程造價。