雷海明

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 工程概況

項(xiàng)目位于貴陽市云巖區(qū)貴遵高速公路與三橋北路交叉口南側(cè)地塊內(nèi)，為輕軌2#線三橋站上蓋物業(yè)。2#線一期穿過該地塊在地下設(shè)置地鐵三橋站，車站為地下四層13 m島式站臺(tái)，有效站臺(tái)長120 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.3 m，車站總長142.5 m，總建筑面積13 559 m2。車站共設(shè)2個(gè)出入口，2組風(fēng)亭，2個(gè)出地面消防專用通道。車站1#排風(fēng)亭與商業(yè)合建出地面，新風(fēng)亭位于小區(qū)中間綠化范圍內(nèi)，1#出入口與酒店合建。2#風(fēng)亭組位于車站南端，垂直穿兩層地下車庫設(shè)置為組合風(fēng)亭。上蓋物業(yè)開發(fā)項(xiàng)目擬建2棟26層住宅樓、1棟13層酒店及部分商業(yè)用房。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及重難點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

(1)基礎(chǔ)置于中風(fēng)化白云巖與中風(fēng)化灰質(zhì)巖中，地基承載力特征值0.5 MPa。

(2)主要構(gòu)件(即構(gòu)成主體承重框架且不易維護(hù)的構(gòu)件)的設(shè)計(jì)使用年限為100年。

(3)主體結(jié)構(gòu)及其相連的重要構(gòu)件，其安全等級(jí)為一級(jí)，相應(yīng)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1；其他次要構(gòu)件的安全等級(jí)為二級(jí)，相應(yīng)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。

(4)抗震設(shè)防烈度為6°。主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)均按抗震等級(jí)三級(jí)采取抗震措施(抗震墻抗震等級(jí)按二級(jí))，次梁、構(gòu)造柱、過梁、圈梁等次要構(gòu)件均按四級(jí)采取抗震構(gòu)造措施[1]。

(5)車站結(jié)構(gòu)按甲類人防工程設(shè)計(jì)。防核武器抗力等級(jí)為6級(jí)，防常規(guī)武器抗力等級(jí)為6級(jí)。

(6)車站結(jié)構(gòu)中主要構(gòu)件的耐火等級(jí)為一級(jí)。

(7)鋼筋混凝土構(gòu)件(不含臨時(shí)構(gòu)件)正截面的裂縫控制等級(jí)為三級(jí)，即允許出現(xiàn)裂縫。最大計(jì)算裂縫寬度允許值：防水混凝土為0.3 mm并不得貫通；內(nèi)部構(gòu)件為0.3 mm[2]。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

(1)物業(yè)開發(fā)項(xiàng)目與地鐵車站結(jié)合，一體化計(jì)算和設(shè)計(jì)是該工程的重難點(diǎn)。

(2)物業(yè)開發(fā)地下室可分為車站區(qū)域和非車站區(qū)域，兩者之間的不均勻沉降是該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

(3)物業(yè)開發(fā)建筑與車站建設(shè)時(shí)序是該工程必須考慮的重點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)預(yù)留和抗浮設(shè)計(jì)等。

(4)該工程周邊環(huán)境復(fù)雜，緊鄰高速公路，場地范圍內(nèi)坡度變化較大，圍護(hù)設(shè)計(jì)和物業(yè)開發(fā)地下室的抗滑移驗(yàn)算等是該工程的一個(gè)難點(diǎn)。

(5)該工程結(jié)構(gòu)平面和豎向均不規(guī)則，抗震計(jì)算和構(gòu)造是該工程的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。

(6)該工程塔樓部分混凝土結(jié)構(gòu)超長設(shè)置(不設(shè)縫)為一個(gè)難點(diǎn)。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)采用的混凝土等級(jí)。①高層住宅：地下負(fù)二層～地上六層：墻、柱為C40，梁、板為C30(地下負(fù)二層～地下負(fù)一層為C35)；其余層墻、柱為C35、梁、板均為C30；②酒店：地下負(fù)二層～地上二層：柱為C50，梁、板為C35，其余層柱C40(地上二層～地上四層柱為C45)、梁、板均為C30；③地庫及商鋪：柱為C50，梁、板為C35；④地下室外墻采用C35，筏板基礎(chǔ)采用C35。墊層采用C20。

鋼筋強(qiáng)度等級(jí)。該工程鋼筋均采用HRB400級(jí)鋼筋。

3 基礎(chǔ)形式對(duì)比

按照地勘報(bào)告，地下二層底基礎(chǔ)置于中風(fēng)化白云巖與中風(fēng)化灰質(zhì)巖中，地基承載力特征值500 kPa。基礎(chǔ)可以采用筏板基礎(chǔ)或者樁基礎(chǔ)。

3.1 筏板基礎(chǔ)

初步設(shè)計(jì)時(shí)，地庫基礎(chǔ)擬采用柱下500 mm厚筏板基礎(chǔ)+下柱墩+抗拔錨桿，建筑外墻下設(shè)基礎(chǔ)梁；高層住宅擬采用1 500 mm厚(南側(cè))、1 300 mm厚(北側(cè))筏板基礎(chǔ)。

經(jīng)計(jì)算，地庫筏板基底壓力最大為434 kPa，高層住宅筏板基底壓力最大為486 kPa，均可以滿足地基承載力要求。

3.2 樁基礎(chǔ)

地庫擬采用樁基礎(chǔ)[3]+單樁承臺(tái)+防水板的基礎(chǔ)形式，住宅擬采用1300 mm大直徑樁基礎(chǔ)+筏板的基礎(chǔ)形式，樁基均嵌入持力層泥質(zhì)白云巖。

經(jīng)計(jì)算，地庫單樁豎向承載力特征值為4 300 kN，住宅單樁豎向承載力特征值為5 700 kN，均滿足工程要求。

3.3 兩種基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比

不考慮上部結(jié)構(gòu)僅對(duì)比基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)與筏板基礎(chǔ)對(duì)比，兩者均有筏板且厚度相差不大，兩種基礎(chǔ)筏板的差別僅為配筋率，所以筏板的造價(jià)對(duì)比相差不大。差別主要為樁基礎(chǔ)，對(duì)比來看，樁基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性較差。

3.4 兩種基礎(chǔ)形式對(duì)地鐵基坑及車站側(cè)墻的影響

由于考慮施工時(shí)序的問題，存在地鐵車站主體或附屬的基坑較物業(yè)部分晚的可能性，需對(duì)比兩種基礎(chǔ)形式對(duì)基坑的穩(wěn)定性影響。根據(jù)巖質(zhì)部分剖面邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，筏板基礎(chǔ)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.64，樁基礎(chǔ)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)則為1.02，雖然兩者都小于1.35，但筏板基礎(chǔ)的下滑力明顯要大于樁基礎(chǔ)。下滑力水平分量施加于地鐵主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻，并將滑體等效為側(cè)壓力對(duì)側(cè)墻進(jìn)行受力驗(yàn)算，筏板基礎(chǔ)時(shí)主體側(cè)墻根部的裂縫為0.45 mm，樁基礎(chǔ)時(shí)的裂縫則為0.21 mm，從安全性考慮，筏板基礎(chǔ)對(duì)車站主體基坑及主體側(cè)墻的影響要較樁基礎(chǔ)大。

3.5 基礎(chǔ)方案確定

由于項(xiàng)目位于位于貴陽向斜盆地西側(cè)抬升地段，巖體完整性較差，有存在溶洞的可能性，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，考慮到盡可能減小上部物業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵車站的影響，經(jīng)過專家評(píng)審一致認(rèn)定該工程采用樁基礎(chǔ)較為合適。

4 地庫、裙房結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

4.1 無梁樓蓋(板柱剪力墻)

項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段，由于此處場地受限原因以及結(jié)構(gòu)嵌固深度的緣故，地下室層高受限，故考慮地下結(jié)構(gòu)采用板柱剪力墻形式，水平受力體系采用厚板+暗梁的結(jié)構(gòu)形式，豎向受力體系采用柱帽+框架柱+部分剪力墻。

此方案可滿足較低層高的地下車庫，但由于地勢原因，地下室的側(cè)向受力不均勻，因此對(duì)于無梁樓蓋來說水平受力構(gòu)件較少，計(jì)算時(shí)側(cè)向剛度相比典型的有梁體系明顯偏小，且由于車站附屬結(jié)構(gòu)的存在及施工時(shí)序的問題，無梁樓蓋系統(tǒng)不能很好的與既有的附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效連接。另一個(gè)原因則是地庫屬于超長結(jié)構(gòu)，無梁樓蓋體系如預(yù)留貫通式后澆帶，會(huì)極大地減弱其整體受力性能。

4.2 框架結(jié)構(gòu)

由于無梁樓蓋體系在該工程中存在的一些缺點(diǎn)，后續(xù)工作中地庫結(jié)構(gòu)形式仍采用典型的框架結(jié)構(gòu)體系。地下結(jié)構(gòu)層高最終定為3.900 m和4.100 m，梁高則根據(jù)荷載、相關(guān)規(guī)范及計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，雖然其層高較高，但由于工程特點(diǎn)，有梁體系可以靈活處理施工時(shí)序問題及與車站附屬結(jié)構(gòu)的連接問題。例如，車站需要提前開通，其上部的物業(yè)開發(fā)還未施工，車站的附屬結(jié)構(gòu)需要先于物業(yè)提早完成，此時(shí)附屬結(jié)構(gòu)預(yù)留鋼筋待后期施工接駁即可，對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體受力影響不大，而無梁樓梯在接駁處的抗剪問題較大。

4.3 兩種結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

從降低層高來說，無梁樓蓋有較大的優(yōu)勢，但其結(jié)構(gòu)板的厚度及配筋率明顯要增大，再有需要設(shè)置暗梁，與典型框架結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)性上差距不大。

5 地上結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

5.1 帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

項(xiàng)目初期由于方案需求及業(yè)主的相關(guān)要求，地上結(jié)構(gòu)考慮采用帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)換層設(shè)置于地下室頂板，采用厚板轉(zhuǎn)換，其上部采用剪力墻結(jié)構(gòu)，地下部分采用部分剪力墻+部分框架柱的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在所有參數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范的前提下，轉(zhuǎn)換處板厚需要取至1 600 mm，地下框支柱跨取8.1 m，并在對(duì)應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)四角設(shè)置350 mm厚的剪力墻，上部結(jié)構(gòu)采用200 mm厚的剪力墻。經(jīng)建模計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算的相關(guān)指標(biāo)均能滿足相關(guān)規(guī)范要求，但此方案涉及到超限審查問題，且工程造價(jià)相對(duì)較高。

5.2 剪力墻結(jié)構(gòu)形式

初步設(shè)計(jì)階段及施工圖階段，隨著項(xiàng)目的不斷深入，后期由于工程造價(jià)及工期因素，建筑方案作出相應(yīng)調(diào)整，地上結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)。-1層、-2層剪力墻厚度為250 mm，以上采用200 mm厚剪力墻，地下與車庫連接部分設(shè)置框架柱，經(jīng)建模計(jì)算其各項(xiàng)計(jì)算結(jié)構(gòu)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5.3 地上結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

如選擇剪力墻結(jié)構(gòu)形式，工程總量42 232.840 m2，估算總額22 365.34萬元，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)0.53萬元/m2。如選擇厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，工程總量43 850.2 m2，估算總額27 157.17萬元，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)0.62萬元/m2。

對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)形式的造價(jià)估算，采用帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，綜合造價(jià)每平米比普通剪力墻結(jié)構(gòu)形式超出900元/m2，經(jīng)濟(jì)性顯而易見。

6 變形縫的討論

6.1 伸縮縫

地庫南北方向長約110 m，東西方向長約90 m，所以兩個(gè)方向均超相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，均需設(shè)置變形縫或采取其他有效措施。但由于施工工籌考慮先施工地鐵附屬結(jié)構(gòu)，且部分附屬結(jié)構(gòu)在地庫內(nèi)頂出，間接充當(dāng)了變形縫的效果，并考慮采取設(shè)置溫度后澆帶，再采取低收縮混凝土添加劑、增配構(gòu)造鋼筋、劃分先后施工區(qū)段等有效措施，設(shè)計(jì)單位認(rèn)為能有效解決結(jié)構(gòu)超長問題，可不設(shè)伸縮縫。畢竟大面積的伸縮縫都是防水的薄弱點(diǎn)。

圖1 沉降云圖

6.2 沉降縫

地庫中間三跨位于地鐵車站主體結(jié)構(gòu)上方，此部分地庫柱傳力于車站的框架柱，與車站結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，由于車站的卸荷作用，此部分沉降可忽略不計(jì)。其他區(qū)域采用樁基礎(chǔ)，其沉降計(jì)算見圖1。云圖中的沉降最大值為2.1 mm，最小沉降值為-0.2 mm，對(duì)于橫、縱向均較長的地庫結(jié)構(gòu)，不均勻沉降可忽略不計(jì)。從沉降驗(yàn)算結(jié)果看，整體結(jié)構(gòu)(地庫+主樓+裙樓)的沉降均較小，并且在可控范圍內(nèi)，也不存在不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)，因此可不設(shè)置沉降縫。

6.3 “塔樓偏置”

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，當(dāng)單塔或多塔與大底盤的質(zhì)心偏心距大于底盤相應(yīng)邊長20%時(shí)，即為“塔樓偏置”，屬于超限高層結(jié)構(gòu)，若要消除超限情況，則需要在裙房設(shè)置變形縫。

該工程偏心距計(jì)算方法根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范，采用裙房屋面以上層多塔的合質(zhì)心與裙房屋面層的剛心(考慮上部豎向構(gòu)件傳下來后的軸力)在相應(yīng)方向上的距離作為偏心距判別標(biāo)準(zhǔn)。

大底盤的剛心為：“Xm=29.34 m，Ym=708.78 m，相鄰層的上部多塔綜合質(zhì)心：Xm=38.72 m，Ym=717.72 m。Xm為剛度中心在X軸坐標(biāo)，Ym為剛度中心在Y軸坐標(biāo)，質(zhì)心(重心)同理。

計(jì)算偏置情況：X向：(38.72-29.34)/97.9=9.58%<20%；Y向：(717.72-708.78)/118=7.78%<20%。

從“塔樓偏置”一項(xiàng)來看，該工程裙房無需設(shè)置變形縫。

7 優(yōu)缺點(diǎn)分析與總結(jié)

7.1 基礎(chǔ)

從經(jīng)濟(jì)性方面來看筏板基礎(chǔ)的方案要明顯優(yōu)于樁基礎(chǔ)，但由于該工程巖層特性導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)對(duì)于地鐵車站側(cè)壓力偏大，處于安全考慮該工程選擇樁基礎(chǔ)方案，后續(xù)地鐵上蓋物業(yè)開發(fā)應(yīng)在方案初期就考慮到上部物業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵車站的影響，對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)做相應(yīng)加強(qiáng)處理后，本文認(rèn)為在相同地質(zhì)條件下，上部物業(yè)結(jié)構(gòu)可優(yōu)先采用筏板基礎(chǔ)形式。

7.2 地庫及裙樓

板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)(無梁樓蓋)工程應(yīng)用上也非常成熟，對(duì)于降低樓層高度、設(shè)備安裝均有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但近幾年無梁樓蓋的事故率相對(duì)較高，對(duì)于其工程安全性信心不足，亦考驗(yàn)施工單位的技術(shù)水平，所以該工程地庫及裙樓最終采用了典型的梁柱框架體系。

7.3 上部結(jié)構(gòu)

帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在低烈度地區(qū)應(yīng)用成熟，其對(duì)轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)空間的利用為最優(yōu)方案，但其經(jīng)濟(jì)性明顯比典型的剪力墻或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)差，再由于該工程為地鐵車站上蓋結(jié)構(gòu)，其重要性等級(jí)與地鐵車站相同，所以在對(duì)比了經(jīng)濟(jì)性、安全性和可實(shí)施性等方面條件后，該工程采用了地上剪力墻結(jié)構(gòu)形式，地下部分框剪結(jié)構(gòu)形式。

8 結(jié)束語

以實(shí)際工程設(shè)計(jì)為例，簡要對(duì)比了設(shè)計(jì)工程中應(yīng)用到的各個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并討論了變形縫的設(shè)置問題，并給出相應(yīng)的理由與結(jié)論，而地鐵上蓋物業(yè)開發(fā)結(jié)構(gòu)的選型還應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、周邊環(huán)境、施工條件、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等因素與地鐵車站結(jié)合起來綜合分析確定。