人工岛岛上建筑工程的结构设计分析

梁继忠

（中交机场勘察设计院有限公司，广东　广州　510230）

人工岛岛上建筑工程的结构设计分析

梁继忠

（中交机场勘察设计院有限公司，广东广州510230）

文章通过分析人工岛岛上建筑工程的特点，对影响结构设计的相关因素及结构设计要点进行分析研究，使人工岛岛上建筑工程的结构设计更加安全、耐用、经济、合理，为人工岛岛上建筑工程的结构设计提供参考。

人工岛；结构设计；预制装配；耐久性；抗风抗震；地基沉降

近年来，填海人工岛正在被油气开采、交通运输、建筑和旅游等行业广泛采用。填海人工岛的建设不仅有利于我国海洋滩涂资源的科学、协调利用以及可持续发展，还能为城市有限空间的发展起到重要作用，未来的填海人工岛必将由沿岸逐渐向外海发展。目前国内关于在外海人工岛上进行岛上建筑工程结构设计的研究资料及文献较少，本文将通过分析人工岛岛上建筑工程的特点，结合港珠澳大桥岛隧工程人工岛岛上建筑工程实例，对影响结构设计的相关因素及结构设计要点进行研究，使人工岛岛上建筑工程的结构设计更加安全、耐用、经济、合理，为今后的人工岛岛上建筑工程的结构设计提供参考。

1　人工岛岛上建筑工程特点

1） 岛上施工条件有限

由于人工岛通常设置在远海区域，岛面陆域面积相对较小，工程所涉及的原材料全部需要水陆转运和岛面临时储存，岛上建筑工程的施工条件受到极大的限制，直接导致施工效率相对偏低。因此，岛上建筑工程的结构设计方案必须考虑人工岛岛面有限的施工条件等制约因素。

2）海上环境相对恶劣

人工岛所处的周边环境通常具有昼夜温差大、湿度大、盐度高等特点，在受到盐雾、海水、潮汐、浪溅、干湿循环等众多海洋因素影响下，岛上建筑工程容易因氯离子腐蚀和化学介质腐蚀而导致结构构件的材料性能退化，严重影响岛上建筑工程在设计使用年限内的正常使用。因此，耐久性设计将是人工岛岛上建筑工程的结构设计要点之一。

3）台风及地震影响

由于海上气候复杂多变，直接或间接影响人工岛的台风将会十分频繁，极端气候将会对人工岛岛上建筑工程的安全性造成极大影响。

另一方面，对于我国主要城镇在抗震设防烈度6度及以上地区的建筑工程，均要按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[1]的要求进行房屋抗震设计。然而，位于外海的人工岛通常会由于缺少附近海域的地壳构造以及地震活动性等相关资料，导致在进行人工岛岛上建筑工程抗震设计时无法选取合适、合理的抗震设计参数，这将会对人工岛岛上建筑工程的抗震设计造成重大的影响。

由于人工岛海面频繁出现的极端气候以及地壳运动的不确定性，使人工岛岛上建筑工程的抗风、抗震设计变得相对复杂，这给岛上建筑工程的结构设计带来了相当大的困难。因此，抗风、抗震设计将是人工岛岛上建筑工程的结构设计要点之一。

4）岛上建筑地基条件较差

人工岛陆域通常是采用围海填岛的方式形成，而由于海砂具有工程性质良好以及软基处理相对容易等特点，人工岛的陆域形成通常会以海砂作为主要回填料。然而，由于海砂含盐量较大，建筑地基将会含有大量的氯离子，所以由海砂形成的建筑地基通常都具有较强腐蚀性。

另外，人工岛陆域的软基处理通常会采用井点降水联合堆载预压法加固软土地基（见图1），并对整个场地进行强夯和碾压密实处理。人工岛陆域在经过软基处理后，除了在软基处理期间会发生较大沉降之外，在岛上建筑施工期间以及后期使用期间也会发生不同程度的残余沉降，这必然给岛上建筑工程的结构设计增加相当大的风险。

图1　井点降水联合堆载预压加固软土地基剖面示意图Fig.1　Schematic profile of soft soil foundation improved with well point dewatering in combination with surcharge preloading method

因此，在含盐量较大的人工岛陆域软土地基上建造岛上建筑工程，建筑基础的耐久性设计以及对地基沉降的处理将是人工岛岛上建筑工程的结构设计要点之一。

2　工程实例

港珠澳大桥岛隧工程人工岛位于广东省珠江口伶仃洋航道之中，远离大陆20 km以上，人工岛主要是衔接跨海大桥与沉管隧道之间的过渡，人工岛岛上建筑除了作为沉管隧道通排风的大型设备机房外，还要兼顾大桥养护、消防、监控以及管理办公等用途。

1）人工岛岛上建筑工程施工条件非常恶劣，施工效率极低，工程所涉及的原材料全部需要水陆转运，岛上建筑工程的结构设计方案采用“标准化、工厂化、装配化”的思路，岛上建筑内隔墙统一采用标准化的装配式轻质隔墙系统，钢结构全部采用工厂加工、预拼装以及现场安装方案，混凝土结构考虑整体预制的材料重量较大不宜水陆转运，参照JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》[2]以及美国CRSI[3]相关的连接技术，对混凝土结构的钢筋骨架采取了工厂预制、现场拼装连接的优化方案，有效提高了施工现场的工作效率，缩短了岛上建筑工程的施工工期，提高了施工质量，并降低了岛上工程的综合造价。

2）珠江口是标准的海洋性气候环境，人工岛岛上建筑处于高温、高湿和高盐雾的环境，而且岛上建筑基本处于距离平均海平面上方15 m高度以内的海上大气区、潮汐区以及浪溅区范围。因此，为了确保岛上建筑工程在设计使用年限内的正常使用，在经过反复论证后，岛上建筑工程主要采用了耐久性较好、后期维护费用较低的钢筋混凝土结构形式，对可更换的部分结构采用普通钢结构形式，对不可更换的结构则采用耐候钢结构形式，混凝土结构均按照GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》[4]以及CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[5]中关于海洋氯化物环境的要求进行了相应的耐久性设计以满足岛上建筑工程的正常使用。

3）由于人工岛所处的海域缺少相应的气象观测数据以及地壳构造、地震活动性等资料数据，在设计过程中直接影响了岛上建筑工程在抗风、抗震设计时所采用的设计参数是否合适、合理。为此，港珠澳大桥项目在工可、初设等各个阶段均对跨海大桥、人工岛、沉管隧道等重要部位进行了风气象、地震动参数等一系列的专题研究报告，岛上建筑工程在进行结构设计时同时结合了本项目的专题研究报告以及粤港澳三地的规范标准资料，经过多次专家论证，最终选取适合港珠澳大桥岛隧工程人工岛岛上建筑的抗风、抗震等设计参数，确保了结构设计的安全可靠。

4）由于人工岛陆域采用了钢圆筒围海填岛的方式，陆域回填所用的中粗沙含盐量较大，回填地基对岛上建筑的地下结构及基础部分均有较强的腐蚀性。因此，岛上建筑的地下结构及基础部分的结构设计均按照规范[4-5]进行了相应的耐久性设计。另一方面，由于人工岛陆域在经过软基处理后，通过对岛上地基进行沉降监测以及数据分析，陆域地基在岛上建筑施工期间以及后期使用期间将会发生不同程度的残余沉降，为了有效降低回填地基后期沉降过大以及沉降不均匀等沉降风险，岛上建筑工程在结构设计时结合岛上地基沉降监测数据的分析结果，在基础荷载变化较大的部位均采用了设置沉降变形缝以及沉降后浇带等构造措施，建筑物的基础形式采用刚度较大的整体式筏板基础或箱形基础，确保有效减少软基处理的残余沉降对结构设计的不利影响。

港珠澳大桥岛隧工程人工岛岛上建筑工程在结构设计过程中充分考虑了岛上有限的施工条件因素、海上恶劣的环境因素、台风及地震的不确定因素以及岛上陆域地基沉降等多重复杂因素，使岛上建筑工程的结构设计更加安全、耐用、经济、合理。

3　人工岛岛上建筑工程的结构设计要点

结合人工岛岛上建筑工程特点，有效确保岛上建筑工程的安全性、耐久性以及经济合理性是结构设计的关键。应注意以下几个方面。

3.1结构设计方案的施工便利性

人工岛岛上建筑工程施工条件非常恶劣，施工效率极低，建筑工程所涉及的原材料全部需要水陆转运，在岛上建筑工程的结构设计方案中应充分考虑“标准化、工厂化、装配化”的预制装配设计，尽可能地缩短岛上建筑工程的施工工期，提高现场的施工质量，降低岛上建筑工程的综合成本。

3.2耐久性设计

人工岛岛上建筑工程应根据建筑物的设计使用年限和所处的环境类别进行耐久性设计，参考钢筋混凝土及钢结构相关规范标准[4-7]的要求，耐久性设计主要包括以下几点：

1）按表1[4]确定结构所处的环境类别及作用等级。

表1　环境分类和环境作用等级划分Table 1　Classification of environment and grading of environmental actions

2）确定不同类型构件的耐久性控制指标，如：钢筋混凝土的最低强度等级、最小混凝土保护层厚度、表面裂缝宽度限值等指标；钢构件的腐蚀裕量、防腐涂层要求等指标。

3）根据结构使用要求提出构件的维护周期和检测方法。

为了确保岛上建筑工程的结构设计使用寿命，对钢筋混凝土结构可通过提高自身材料的性能以及采取相应的构造措施，而对钢结构可结合防腐涂层以及腐蚀裕量等综合措施以便解决建筑工程的设计使用寿命问题，对重要的结构部位还应根据规范[6，8]采取适当的外加防腐措施作为保障结构耐久性的辅助措施。

3.3抗风及抗震设计

对于外海的人工岛，常常会由于缺少该区域的海上风环境和风特性设计参数、地震构造及地震活动性等相关资料，使得人工岛岛上建筑工程的抗风、抗震分析无法按现行规范[1，10]进行设计。为此，岛上建筑工程的抗风、抗震设计必须根据人工岛项目的开展情况逐步展开一系列的观测、调研以及试验，经过系统的分析论证，选取合适的设计参数进行岛上建筑工程的结构设计。

其中，在人工岛项目开展初期就需要委托当地的气候主管部门对工程区域的风环境和风特性参数进行现场持续观测以及研究，以便获取更全面、更具有代表性的实地观测数据，为岛上建筑工程在抗风设计、施工及营运各阶段所需的关键设计参数提供更详细、可靠的基础依据。结构设计时需要对风参数实测数据以及沿岸城镇的基本风压等资料进行对比分析，对局部的重要部位还需要考虑抗台风等性能化设计，以使岛上建筑工程的抗风设计符合安全、经济的要求。

另一方面，对应不同的设计阶段，还需要委托有资质的地震安全性评价机构对人工岛区域的场地地震安全性进行评价。地震安全性评价工作的主要内容包括以下几个方面：工程场地和场地周围区域的地震活动环境评价、地震地质环境评价、断裂活动性鉴定、地震危险性分析、设计地震动参数确定、地震地质灾害评价等。结构设计时须结合GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》[9]、具体项目的“工程场地地震安全性评价报告”以及相关的国外文献，如《Global Seismic Hazard Map 1999》等资料对拟建人工岛区域进行综合分析，合理选用适合人工岛岛上建筑工程的抗震设计参数，使岛上建筑工程的抗震设计符合安全、经济的要求。

3.4岛上建筑地基沉降问题的处理方法

人工岛陆域除了在软基处理期间会发生较大沉降外，在后续的岛上建筑工程施工及后期使用期间也会发生不同程度的残余沉降。在陆域地基产生差异沉降的情况下，岛上建筑必然会受到较大的影响，严重的甚至会导致建筑物的倾斜坍塌。

面对不可避免的地基沉降问题，结构设计中常用的处理方法有以下几种：

1）加强建筑物的整体性，对建筑物内的局部重要节点采取必要的加强措施，防止建筑物在发生差异沉降时产生较大的附加应力而导致建筑物出现局部破坏。

2）建筑基础建议采用整体刚度较大的筏板或箱形基础，对海底基岩较浅的情况亦可考虑采用桩基础，并严格控制建筑物在荷载作用下的差异沉降量，防止建筑物发生严重倾斜。

3）在建筑物基底压力相差较大的部位设置沉降变形缝以及沉降后浇带，可有效减少差异沉降对建筑物的不利影响。通过对建筑物的沉降监测分析，可及时处理建筑地基发生沉降异常等情况。

地基的不均匀沉降变形对结构设计的影响是相当大的，其直接影响到建筑物的安全使用，应确保岛上建筑工程的各项功能要求符合设计预期的目标。

4　结语

填海人工岛的建设不仅有利于我国海洋滩涂资源的科学、协调以及可持续发展，还能为城市有限空间的发展起到重要作用，未来的填海人工岛必将由沿岸逐渐向外海发展。本文通过分析人工岛岛上建筑工程的特点，结合港珠澳大桥岛隧工程人工岛岛上建筑工程项目情况，对影响结构设计的相关因素及结构设计要点进行研究，以便于人工岛岛上建筑工程的结构设计更加安全、耐用、经济、合理，并为今后的人工岛岛上建筑工程的结构设计提供有价值的参考。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S]. GB 50011—2010,Code for seismic design of buildings[S].

[2]JGJ 1—2014，装配式混凝土结构技术规程[S]. JGJ 1—2014,Technical specification for precast concrete structures[S].

[3]CRSI.Reinforcing bars:Anchorages and splices[S].5th ed.2008.

[4]GB/T 50476—2008，混凝土结构耐久性设计规范[S]. GB/T 50476—2008,Code for durability design of concrete structures[S].

[5]CCES 01—2004，混凝土结构耐久性设计与施工指南[S]. CCES 01—2004,Guide to durability design and construction of concrete structures[S].

[6]JTS 153-3—2007，海港工程钢结构防腐蚀技术规范[S]. JTS 153-3—2007,Technical specification for corrosion protection of steel structures for sea port construction[S].

[7]GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S]. GB 50010—2010,Code for design of concrete structures[S].

[8]JTJ 275—2000，海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S]. JTJ 275—2000,Corrosion prevention technical specifications for concrete structures of marine harbour engineering[S].

[9]GB 18306—2001，中国地震动参数区划图[S]. GB 18306—2001,Seismic ground motion parameters zonation map of China[S].

[10]GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S]. GB 50009—2012,Code of the design of building structure[S].

Analysis of structural designs of buildings on artificial islands

LIANG Ji-zhong
（CCCC Airport Investigation and Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

In order to make the structural designs of buildings on artificial islands become more secure,durable,economical, and reasonable,we made studies on the related factors affecting the structural designs and the main points in the structural designs based on an analysis of the features of the buildings and structures on artificial islands.The study can provide reference for structural design of buildings on artificial islands.

artificial island;structural design;prefabrication and assembly;durability;wind and seismic design;foundation settlement

U656；TU201

B

2095-7874（2016）09-0022-04

10.7640/zggwjs201609005

2016-06-13

梁继忠（1981—），男，广东广州市人，高级工程师，土木工程专业。E-mail：15872561@qq.com