馬龍祥
(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)
隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展,地下通道的建設(shè)規(guī)模越來越大,地下通道結(jié)構(gòu)斷面越來越大,特別是在匝道與主線相接位置、道路空間受限無法增加中隔墻等情況下,單孔大斷面的地道結(jié)構(gòu)不可避免。由于地下通道一般為框架結(jié)構(gòu),單孔跨徑增加使得頂板跨中及支點位置彎矩增大,導(dǎo)致地下通道的頂?shù)装搴穸群艽蟆R愿餐?m為例,當?shù)氐绬慰卓鐝竭_到20m左右時,在合理的配筋率下,地道頂板的厚度至少要達到1.5m才能滿足要求。
地下通道的厚板設(shè)計帶來一系列問題。由于厚板屬于大體積混凝土,水化熱問題非常突出,如不采用特殊施工工藝解決水化熱問題,地道厚板的溫度裂縫難以控制,不利于地道結(jié)構(gòu)的耐久和防水。且地道厚板自重大,結(jié)構(gòu)荷載的相當一部分來自自身重力,材料浪費嚴重。
針對上述問題,對于大跨徑地道厚板,可采用帶肋箱形頂板構(gòu)造,帶肋箱形頂板可以減小結(jié)構(gòu)自身重量,充分利用材料的受力性能,減小混凝土水化熱,是適用于大跨徑地道結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)造。下面將結(jié)合具體工程討論這種結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題。
漳州市芝山南路跨江橋梁及連接線工程項目起點在規(guī)劃姜園亭路與規(guī)劃琥珀路交叉口,終點在現(xiàn)狀瑞京路與芝山南路交叉口,線路全長約1 951.211m。為配合漳州市南山公園建設(shè)需要,在芝山南路與南山交界處需要建設(shè)一段地道,保證芝山南路兩側(cè)南山公園山體及慢行系統(tǒng)的連通,共長100m。
地道暗埋段采用單箱雙室箱形結(jié)構(gòu),單室凈跨19.55m,頂板覆土約2m。由于跨徑較大,頂板采用帶肋板結(jié)構(gòu)形式(見圖1)。
圖1 地道總體布置示意圖(單位:m)
頂板的設(shè)計首先應(yīng)滿足頂板抗彎(正截面)和抗剪(斜截面)的受力要求,且頂板所有的剪力均由肋板承擔(dān),這就要求肋板的厚度不能太小,需要經(jīng)過計算確定,這一點較容易解決。但如何確定翼緣厚度及肋板間距,下面將詳細介紹。
頂板內(nèi)設(shè)置肋板,做成空心箱形結(jié)構(gòu)的主要目的是減小自重和減小水化熱,故其頂板的上下翼緣板應(yīng)做得盡量薄。根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》(GB 50108—2008)[1]的要求,防水混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)厚度不應(yīng)小于25 cm??紤]一部分安全余量,頂板的上下翼緣板可取30 cm(見圖2)。
圖2 地道頂板橫剖面(單位:mm)
肋板間距及肋寬的確定應(yīng)綜合考慮以下幾個因素:
(1)合理的肋距和肋寬應(yīng)能使翼緣板充分參與頂板整體受力,即應(yīng)能使翼緣板都在肋板作用的有效分布寬度范圍內(nèi)。
根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(2015年版)》(GB 50010—2010)[2]翼緣的有效計算寬度可取b+12h'f,則肋板間的凈距為12h'f。當翼緣厚度取30 cm時,肋板間凈距取3.6m,可充分發(fā)揮翼緣板的作用。
(2)頂板上翼緣作為支承在肋板上的單向板,太大的肋間凈距會使上翼緣與肋板垂直方向的彎矩過大,故肋間凈距應(yīng)能滿足頂板上翼緣的受力要求。
由于肋板的剛度相對于上翼緣大得多,且考慮翼緣相對于肋板左右對稱,故上翼緣的計算模型可以簡化為固結(jié)在肋板上的單向板。取單位板寬計算,兩端固結(jié)板的固端彎矩為ql2/12,跨中彎矩為ql2/24。取相對不利的固端彎矩考慮,若采用合理配筋,裂縫寬度控制在0.2 mm以內(nèi),則彎矩值不能大于45 kN·m。帶入公式M=ql2/12中,覆土厚度取2m,由于人群活載占比較小,暫不考慮,得到凈寬l=3.51m。
在該工程中,考慮一部分安全余量,肋板的凈距可取3 m。單向板彎矩如圖3所示(準永久組合),可以滿足頂板承載力要求和裂縫寬度限制。
圖3 地道頂板上翼緣彎矩圖(單位:kN·m)
由于底板不但要承受地道自身重力荷載,地道頂板及其上覆荷載也會傳給底板,故一般情況下,地道底板的內(nèi)力比地道頂板更大。但如果將底板也做成帶肋結(jié)構(gòu),無疑會增加基坑開挖深度,增加地道的施工難度。針對這個問題,可以從兩個方面解決:一是較大的基床系數(shù)(針對較硬的土層)可以改變地道底板的彎矩分布,使得底板彎矩較?。欢强梢岳脴痘A(chǔ)減小地道底板的跨徑(針對較軟的土層)。
圖4 基床系數(shù)為10 000 kN/m3的地道底板彎矩圖(單位:kN·m)
圖4 和圖5分別為基床系數(shù)為10 000 kN/m3(對應(yīng)軟黏性土)和100 000 kN/m3(對應(yīng)強風(fēng)化花崗巖)時的底板彎矩圖。從圖中可以看出,當?shù)鼗蚕禂?shù)較小時,地道底板跨中的彎矩為2 290 kN·m;端部彎矩在邊墻處為1 717 kN·m,中隔墻處未考慮削峰效應(yīng)時為3 610 kN·m。當?shù)鼗蚕禂?shù)增加10倍,則地道跨中的彎矩減小至953 kN·m,減小58%,且跨中彎矩分布更加平均;端部彎矩在邊墻處為828 kN·m,中隔墻處未考慮削峰效應(yīng)時為2 377 kN·m,也有顯著的減小。
圖5 基床系數(shù)為100 000 kN/m3的地道底板彎矩圖(單位:kN·m)
其主要原因是當?shù)鼗粱蚕禂?shù)較大時,側(cè)墻及中隔墻下地基的變形較小,頂板及頂板上覆荷載通過側(cè)墻及中隔墻傳至底板時,側(cè)墻及中隔墻對應(yīng)位置底板下的土體承擔(dān)大部分荷載;而基床系數(shù)較小時,地基反力分布較均勻,底板跨中位置下土體承受更大的荷載,導(dǎo)致底板中部彎矩較大。
如圖6所示,考慮在地道底板下布置樁基礎(chǔ)以減小底板的計算跨徑,可以改善地道底板的受力。
圖6 地道底板樁基布置示意圖(單位:mm)
如圖4、圖7所示,當不設(shè)樁基時,地道底板跨中的彎矩為2 290 kN·m;中隔墻處未考慮削峰效應(yīng)時為3 610 kN·m。當設(shè)置樁基時,則地道跨中的彎矩減小至689 kN·m,減小70%;中隔墻處未考慮削峰效應(yīng)時為795 kN·m,也有顯著的減小。
圖7 地道底板彎矩圖(設(shè)樁基礎(chǔ))(單位:kN·m)
帶肋箱形頂板可以減小結(jié)構(gòu)自身重量,充分利用材料的受力性能,減小混凝土水化熱,是適用于大跨徑地道結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)造。合理的肋距和肋寬應(yīng)能使翼緣板充分參與頂板整體受力,即應(yīng)能使翼緣板都在肋板作用的有效分布寬度范圍內(nèi)。頂板上翼緣作為支承在肋板上的單向板,太大的肋間凈距會使上翼緣與肋板垂直方向的彎矩過大,故肋間凈距應(yīng)能滿足頂板上翼緣的受力要求。當?shù)氐赖装鍙澗剌^大時,可以從兩個方面減小底板彎矩:一是提高地基基床系數(shù);二是考慮設(shè)計樁基礎(chǔ)。該工程采用上述方式,較好地完成了地道結(jié)構(gòu)設(shè)計,希望能為同類工程起到參考作用。