婁澤方，張達生，袁 強，溫四清，王 海

(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司， 武漢 430014)

1 工程概況

天津中信城市廣場項目位于天津市河東區(qū)海河東路、六緯路、十一經(jīng)路、八經(jīng)路所圍地塊內(nèi)，為天津市重點項目，先期啟動的設(shè)計為首開區(qū)，包括住宅樓、辦公樓及地下停車庫等建筑，其中住宅樓地下3層，地上5層，局部6層，最大結(jié)構(gòu)高度34.7m；辦公樓地下3層，地上5層，結(jié)構(gòu)高度30.9m；地下室涵蓋整個小區(qū)，地下3層，建筑層高均為4.2m，平面尺寸為528m×73m，為超長地下結(jié)構(gòu)。首開區(qū)總建筑面積180 796.42m2，其中地下室面積124 771.76m2，占總建筑面積的69.0%?；娱_挖深度為16.95～18.25m，屬大型甲級深基坑[1]，基坑支護安全等級為一級[2]。為了首開區(qū)建筑提前完成立面形象，首開區(qū)工程采用逆作法施工[3]，先施工地上結(jié)構(gòu)并完成建筑外立面，項目外立面完成后實景圖見圖1。

圖1 項目外立面完成后實景圖

采用傳統(tǒng)的常規(guī)順作法進行基坑施工，需要設(shè)置大量的臨時支撐，同時主體結(jié)構(gòu)需待基坑開挖完成后才能進行施工，施工周期長，難以滿足進度要求。采用逆作法，可以實現(xiàn)地上地下結(jié)構(gòu)同步施工，從而達到加快工程進度的要求。同時，逆作法采用地下結(jié)構(gòu)代替臨時支撐，水平剛度大，可有效控制基坑開挖階段的基坑變形，有利于保護環(huán)境。且避免了大量臨時支撐的設(shè)置和拆除，大大減少了材料和勞動力的消耗，具有節(jié)能、降耗、環(huán)保、綠色施工的優(yōu)點。

2 場地概況

工程周邊環(huán)境較復雜，南側(cè)臨近海河，場區(qū)內(nèi)有地下電纜及管網(wǎng)，東邊有俄羅斯領(lǐng)事館歷史文物保護建筑，周邊還有多幢高層建筑物，環(huán)境保護及施工要求較高，地下室采用逆作法施工有利于周邊建筑物及環(huán)境的保護。

巖土工程勘察報告[4]揭示本工程場地穩(wěn)定，土層主要由黏土、粉土、粉砂和細砂組成，詳細分布見表1。場區(qū)地下水包含潛水和承壓水。潛水埋深2.5m左右；承壓水埋深9.70～10.85m。

土層物理力學指標 表1

3 基礎(chǔ)設(shè)計

較經(jīng)濟且最適宜逆作法施工的結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，并采用“一柱一樁”布置[5]。由于建筑功能要求，住宅采用部分框支-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，由此導致落地剪力墻在逆作施工階段需進行轉(zhuǎn)換。根據(jù)場地地質(zhì)條件及巖土工程勘察報告[4]的建議，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的實際情況和逆作法施工工藝，本工程采用鉆孔灌注樁(后注漿)基礎(chǔ)。首先對布樁方案進行分析比較。

方案一：獨立框架柱采用“一柱一樁”布置，樁徑1 500mm；剪力墻以及與剪力墻相連的框架柱采用群樁獨立承臺布置，樁徑1 000mm，樁內(nèi)插格構(gòu)柱伸至1層，在1層設(shè)施工階段轉(zhuǎn)換承臺，完成上部結(jié)構(gòu)施工。該方案的優(yōu)點為：1)樁基受力均勻，經(jīng)濟性較好；2)施工階段與使用階段主體結(jié)構(gòu)支承條件一致，避免了由于施工階段與使用階段主體結(jié)構(gòu)支承條件不一致需包絡(luò)設(shè)計，而導致上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋增加的情況。缺點為：1)施工階段需設(shè)置較多格構(gòu)柱，需要一定的施工成本；2)由于格構(gòu)柱較多、較密，導致地下室土方開挖較困難。

方案二：獨立框架柱采用“一柱一樁”布置，樁徑1 500mm；剪力墻以及與剪力墻相連的框架柱處采取利用該處框架柱或增設(shè)框架柱的方式在柱下布樁，樁徑1 500mm，在樁內(nèi)插矩形鋼管混凝土柱，利用該柱作為施工階段的框支轉(zhuǎn)換柱，在1層設(shè)施工階段轉(zhuǎn)換梁，并往上順作施工完成上部剪力墻結(jié)構(gòu)。該方案的優(yōu)點為：1)立柱較稀疏，地下室土方開挖方便；2)主要利用框架柱作為施工立柱，其施工成本優(yōu)于方案一。缺點為：1)由于存在樁基受力滯后效應，樁基受力不均勻，樁基及承臺的經(jīng)濟性劣于方案一；2)由于采用轉(zhuǎn)換梁進行施工階段轉(zhuǎn)換，使得施工階段與使用階段主體結(jié)構(gòu)支承條件不一致，需進行包絡(luò)設(shè)計，從而導致上部結(jié)構(gòu)配筋增加5%～30%。

綜合經(jīng)濟指標、施工周期及難易度考慮，本工程最終選擇方案二進行設(shè)計。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

首開區(qū)地下室結(jié)構(gòu)主要為框架結(jié)構(gòu)，主要軸網(wǎng)尺寸為8.4m×8.1m，地下室建筑層高均為4.2m，典型剖面如圖2所示。地下室頂板覆土厚度2.2m，部分區(qū)域為人防地下室。支護采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻，墻厚800mm；水平支撐系統(tǒng)利用地下室各層結(jié)構(gòu)梁板；豎向支撐系統(tǒng)采用鋼柱-鉆孔灌注樁組成的“一柱一樁”。逆作施工工序以標高-2.65m地下室頂板結(jié)構(gòu)層作為逆作面，逆作面完成后進行上部結(jié)構(gòu)順作施工，同時利用地下室頂板結(jié)構(gòu)作為施工平臺開挖下部土方，由上而下地逐層逆作施工地下室各層至底板結(jié)構(gòu)，并預留各層方鋼骨柱外包混凝土和剪力墻(人防墻)插筋；地下室底板施工完成后，對“一柱一樁”的方鋼立柱外包混凝土，施工內(nèi)部剪力墻(人防墻)。設(shè)計考慮地下室逆作施工過程逐層加載的施工模擬，并對加載過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力變化進行分析處理，采用施工模擬過程中構(gòu)件內(nèi)力的包絡(luò)值進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計。

圖2 地下室典型剖面

逆作法施工要求豎向承載系統(tǒng)既要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的承載力，又要滿足施工過程中各階段的承載力要求。針對本工程的特點及逆作法的要求，地下室采用“一柱一樁”。

4.1 一柱一樁

“一柱一樁”的鋼立柱既作為主體結(jié)構(gòu)柱，也可作為逆作法的豎向支撐構(gòu)件，設(shè)計時需考慮施工過程中各工況組合作用和使用階段各工況組合作用的包絡(luò)設(shè)計。本工程根據(jù)前文樁基布置方案比選，最終確定獨立框架柱采用“一柱一樁”布置，樁徑1 500mm；鋼柱根據(jù)包絡(luò)設(shè)計采用φ560×16鋼管(材質(zhì)為Q345)，管內(nèi)灌注C45微膨脹混凝土形成鋼管混凝土柱。剪力墻(人防墻)以及與剪力墻(人防墻)相連的框架柱處采取利用該處框架柱或增設(shè)框架柱的方式在柱下布樁，樁徑1 500mm，在樁內(nèi)插矩形鋼管混凝土柱。根據(jù)包絡(luò)設(shè)計，柱截面為500mm×500mm(Q345)，壁厚為20～25mm，內(nèi)灌注C45微膨脹混凝土；利用該柱作為施工階段的框支轉(zhuǎn)換柱，地下室底板施工完成后，鋼立柱外包C45混凝土形成鋼骨柱，同時施工內(nèi)部剪力墻(人防墻)。鋼立柱作為框架柱的一部分，其垂直度設(shè)計要求達到1/500，插入灌注樁中不小于4.0m，并沿柱全長設(shè)置栓釘，節(jié)點構(gòu)造如圖3所示。為了便于鋼柱插入，柱頭設(shè)計為錐(棱)臺形截面，并采用ANSYS軟件對柱頭節(jié)點進行有限元計算分析，以保證柱頭能穩(wěn)定插入灌注樁。錐臺形柱頭節(jié)點應力分析結(jié)果見圖4，可見，節(jié)點von Mises應力最大值位于柱頭端板，約為104.4N/mm2，遠小于Q345鋼材強度設(shè)計值。

圖3 “一柱一樁”節(jié)點構(gòu)造

圖4 錐臺形柱頭節(jié)點有限元應力云圖/(N/mm2)

4.2 關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

在逆作法施工中，先施工的地下連續(xù)墻及中間支承柱與自上而下逐層澆筑的地下室梁板結(jié)構(gòu)通過節(jié)點連接構(gòu)成一個整體，共同承擔結(jié)構(gòu)自重和各種施工荷載，因此地下連續(xù)墻與梁板、中間支承柱與梁板的連接關(guān)系到結(jié)構(gòu)體系能否協(xié)調(diào)工作，對于確保結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和地下室功能得以實現(xiàn)起著重要作用。逆作法結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計既要滿足結(jié)構(gòu)永久受荷狀態(tài)下的設(shè)計要求，又要滿足施工狀態(tài)下的受荷要求，同時現(xiàn)有的工藝手段與施工能力要能實現(xiàn)節(jié)點形式和構(gòu)造在工藝上的要求。

(1)地下連續(xù)墻與環(huán)梁和扶壁柱的連接

由于結(jié)構(gòu)梁、板與地下連續(xù)墻直接通過預埋連接，對定位要求相對較高、施工難度大，本項目地下室梁板通過邊環(huán)梁與地下連續(xù)墻連接，樓板鋼筋進入邊環(huán)梁，邊環(huán)梁通過地下連續(xù)墻內(nèi)預埋鋼筋的彎出進行連接。在地下室周邊主梁與環(huán)梁相交處緊貼地下連續(xù)墻設(shè)置扶壁柱，扶壁柱與地下連續(xù)墻通過在墻內(nèi)預埋的鋼筋連接，節(jié)點構(gòu)造見圖5。

圖5 地下連續(xù)墻與環(huán)梁、扶壁柱連接節(jié)點

(2)中間支承柱與梁節(jié)點的連接

中間支承柱是逆作法施工中的重要構(gòu)件，在逆作法施工期間，地下室底板未澆筑前與地下連續(xù)墻共同承擔地下和地上各層的結(jié)構(gòu)自重和施工荷載；在地下室底板澆筑后，與底板連接成整體，作為地下室結(jié)構(gòu)的一部分，將上部結(jié)構(gòu)及承受的荷載傳遞給地基。所以中間支承柱的穩(wěn)定性和完整性相當重要，在施工過程中不能對其有任何損傷。中間支承柱與結(jié)構(gòu)梁連接的可靠性直接影響到整個地下結(jié)構(gòu)的傳力體系。

中間支承柱與混凝土梁節(jié)點的設(shè)計，主要是解決梁鋼筋如何穿過中間支承柱或與中間支承柱連接的問題。本工程支承柱截面有圓鋼管混凝土柱和矩形鋼骨混凝土柱兩種形式，節(jié)點形式分別如下。

圓鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接采用外露式鋼環(huán)板牛腿(抗剪環(huán)筋)-鋼筋混凝土環(huán)梁的組合結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)造見圖6。此節(jié)點連接利用鋼環(huán)板牛腿或抗剪環(huán)筋承受剪力，利用鋼筋混凝土環(huán)梁承受彎矩，受力明確，節(jié)點整體性好，傳力性能可靠。其中抗剪環(huán)筋-鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點用于非人防地下室各層樓面梁柱等剪力較小處節(jié)點；外露式鋼環(huán)板牛腿-鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點用于非人防區(qū)地下室頂板及人防區(qū)頂板和各層地下室樓面梁柱等剪力較大處節(jié)點。圖7為逆作現(xiàn)場節(jié)點照片。

圖6 鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁連接節(jié)點

圖7 圓鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁連接節(jié)點逆作現(xiàn)場照片

矩形鋼骨混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接采用鋼牛腿方案，同時鋼筋混凝土梁加腋便于鋼筋貫通。此節(jié)點節(jié)省空間，傳力明確，施工方便，構(gòu)造如圖8所示，逆作現(xiàn)場節(jié)點照片見圖9。

圖8 矩形鋼骨混凝土柱-鋼筋混凝土梁連接節(jié)點構(gòu)造

圖9 矩形鋼骨混凝土柱-鋼筋混凝土梁連接節(jié)點逆作現(xiàn)場照片

4.3 超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應計算及結(jié)構(gòu)措施

本項目地下室長528m，寬73m，為超長混凝土結(jié)構(gòu)。其中主樓部分地下室結(jié)構(gòu)形式與其上部相同為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，其余部分為框架結(jié)構(gòu)，人防區(qū)有人防墻。地下室在逆作階段均為框架結(jié)構(gòu)。為保證地下結(jié)構(gòu)的防水效果，均未設(shè)置伸縮縫，其長度遠超過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[6]要求的設(shè)縫間距，需要在設(shè)計中考慮溫度效應的作用，并采取有效的措施。

(1)溫度效應計算

對超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來講，混凝土收縮和環(huán)境溫差是引起溫度效應變形裂縫的主要原因。在工程界，為了便于計算，把混凝土收縮等效成收縮當量溫差，并與最大季節(jié)溫差疊加，作為最不利溫差作用于結(jié)構(gòu)，同時考慮混凝土徐變引起的應力松弛和裂縫引起的剛度折減。文獻[7]建議根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[8]附錄C考慮樁基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)的彈性有限約束剛度作用。

參照文獻[9]，取C35混凝土完成收縮60%時混凝土當量收縮溫差為-12.0℃。對于地下室頂板，其作為逆施面，施工階段暴露時間相對較長，會經(jīng)歷多個季節(jié)的變化，因此，考慮季節(jié)溫差為月平均最低溫度與結(jié)構(gòu)合攏最高溫度的差值，即(-8.2-10)℃=-18.2℃。則頂板計算溫差為(-12.0-18.2)℃=-30.2℃。其余地下室各層埋入土中，且由頂板往下各層依次逆作施工，所受外界溫度變化的影響相對較小，在使用階段溫度變化也不大，因此考慮地下室各層受溫度變化的溫差為-5℃[10]，則計算溫差為(-12.0-5.0)℃=-17.0℃?？紤]混凝土帶裂縫工作的剛度折減系數(shù)為0.85，徐變應力松弛系數(shù)取0.3。樁基平動剛度KHH=8.93×104kN/m，轉(zhuǎn)動剛度KMM=1.22×106kN/m。

圖10為地下2層～頂板的溫度應力云圖?？梢钥闯?，樓板最大拉應力值均小于C35混凝土的抗拉強度標準值；在樓板洞口以及凹角處有應力集中現(xiàn)象，設(shè)計時針對該區(qū)域樓板進行了加強配筋構(gòu)造，見圖11。

圖10 樓板溫度應力云圖/(N/mm2)

圖11 樓板凹角加強配筋構(gòu)造示意

(2)結(jié)構(gòu)措施

為減輕溫度效應對結(jié)構(gòu)的影響，除進行正確的計算分析外，設(shè)計還采取以下措施：1)采用補償收縮混凝土，以減少混凝土收縮裂縫；2)混凝土內(nèi)摻聚苯烯纖維，以提高混凝土的抗裂能力；3)每隔40m設(shè)置一條后澆帶，以減小混凝土水化熱溫差及早期收縮的影響，后澆帶在60d以后閉合，閉合時的環(huán)境溫度控制在5～10℃，后澆帶在逆作施工階段需要設(shè)置傳力構(gòu)件；4)主體結(jié)構(gòu)施工時，嚴格控制砂、石骨料的含泥量，混凝土澆筑完畢后采用覆蓋塑料薄膜進行保水養(yǎng)護；5)加強梁、板構(gòu)件構(gòu)造配筋，如：梁腰筋直徑加大為14mm，間距不大于150mm；板面、板底鋼筋雙向通長配置，配筋率按不小于0.2%控制；樓板洞口及凹角處加強配筋構(gòu)造如圖11所示。

5 結(jié)論

天津中信城市廣場首開區(qū)地下室平面尺寸為528m×73m，為超長地下結(jié)構(gòu)，采用逆作法施工。設(shè)計時利用地下室各層結(jié)構(gòu)梁板替代臨時水平支撐，結(jié)構(gòu)框架柱與臨時立柱相結(jié)合的“一柱一樁”豎向支承，以及“兩墻合一”地下連續(xù)墻圍護的逆作法結(jié)構(gòu)形式。該工程現(xiàn)已竣工，施工期間監(jiān)測顯示結(jié)構(gòu)沉降均勻穩(wěn)定；針對結(jié)構(gòu)超長設(shè)計時考慮了溫度效應并采取了措施，未發(fā)現(xiàn)地下室樓板面有明顯的溫度裂縫。結(jié)果表明，該工程逆作法實施達到了設(shè)計預期。