某工程大跨箱型地下通道结构设计

安青元

(福建利安建筑设计顾问有限公司 福建福州 350001)

1 工程概况

该工程位于福州市，为普通住宅小区，含两栋25层高层住宅、一栋29层高层以及一栋三层商业用房。主体结构采用框架以及剪力墙结构，设一层人防地下室。因地铁规划从该地块地下室中部穿过,地铁影响范围内不允许打桩。该小区定位为高端住宅，为提升用户使用体验，并增加停车数量，故设计时考虑将地下室分为左右两部分，两者用3道长约30m～35m，宽12m～12.5m，高4.75m～6.15m的砼箱型通道相连，作为机动车通道兼停车位使用，既保持地下通道的联通，又避免了对地铁通道的影响。最深的砼箱型通道板底标高约为室外地面标高以下7.2m，地铁预留要求的影响范围是在地面12m以下，故该方案对地铁施工不会造成任何影响。通道附近结构平面示意图如图1所示。

图1 通道结构平面示意图

该工程建筑结构安全等级为二级；结构设计基准期为50年，主体结构设计使用年限为50年；建筑抗震设防类别为丙类，建筑抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10g；设计地震分组为第二组；建筑场地类别为III类;按设防类别及场地调整后用于抗震验算的烈度7度,用于确定抗震等级的烈度7度；设计特征周期0.55s;结构阻尼比0.05；多遇地震水平地震影响系数最大值0.08；地下通道的抗震等级为三级；室外地面标高为-0.15～-0.8m，地下室抗浮水位为-1.8m。

2 大跨地下通道结构选型及计算分析

2.1 结构选型

设计思路是将大跨地下通道视为一道箱梁，支撑于两侧地下室；故设计时通道两端剪力墙伸入主体结构内3.8m～6.6m并在两端设置端柱；且该范围内通道底板伸入地下室底板，板厚相同，钢筋拉通，使通道与地下室主体可靠连接，协同变形。箱型通道截面尺寸如图2所示。从整体比例上来说，箱型通道最大跨高比为35m/4.75m=7.36；从箱型通道横断面比例来说，箱型通道最大顶底板跨高比为12.9m/0.55m=23.45；有限元计算的位移结果证明截面尺寸取值是满足刚度要求的。

图2 通道截面尺寸示意图

2.2 计算分析

2.2.1程序选用

佳构STRAT通用建筑结构软件按超元建模，可将通道结构模拟成板元有限元计算，有限元网格划分约0.5m～0.6m。本次设计砼通道视为线弹性材料。程序可实现对通道各个面上的水、土荷载、通道顶面活荷载、地震作用的自动组合，并将有限元内力沿厚度积分成截面内力后给出计算配筋，故通道结构采用STRAT程序计算是适用的。

2.2.2计算简图及荷载

建模时按实际荷载情况以及模拟边界条件进行有限元计算，将通道相邻结构也考虑在内。通道及相邻地下室的三维模型简图如图3所示。

图3 通道三维模型计算简图局部示意

箱型通道横断面计算简图如图4所示，两端边界条件简图如图5所示。

图4 通道横截面计算简图

据《建筑结构荷载规范》(JGB50009-2012)[1]及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[2]得荷载取值如下:

q水土:水土分算的侧压力标准值，取60.5～87(底)/7.9～16.1(顶)kN/m2；

q堆载:地面堆载侧压力标准值，取5kN/m2；

q地震:等效水平地震力标准值，取1.1kN/m2；

P地震:顶底板等效水平地震力标准值，取13.2kN/m；

q顶恒载:顶板覆土及板自重标准值，取20.5(覆土)+13.8(板自重)kN/m2；

q顶活载:顶板活值，取4(常规小区地面)～20(消防车经行处)kN/m2；

q底恒载:底板面层及板自重标准值，取2(面层)+13.8(板自重)kN/m2；

q底活载:底板停车或车道活值，取4kN/m2；

q水浮力标准值:取59.5～42.5kN/m2；

q土反力:水浮力不足以承担通道荷载时土反力与通道自重平衡。

当不考虑水浮力时估算平均q土反力标准值恒载加活载下约为88.2kN/m2，小于未经修正的天然地基承载力特征值。

图5 通道长向计算简图

2.2.3抗剪验算

拟参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[3]第5.2.10条规定,对通道按板式受弯构件进行抗剪验算。以通道二跨中为例如下：

估算通道侧壁顶与上盖板交界处每米长剪力值V顶=311.4kN/m(设计值)并读取跨中某处实际有限元计算剪力V=287kN/m(设计值)作为复核，误差不大于10%。据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[4]第6.3.3条，V≤0.7βh×ft×b×h0=515kN，顶板抗剪验算满足。同理，估算水浮力作用下侧壁底与底板交界处V底=354kN/m(设计值)，底板抗剪验算满足。

2.2.4通道构件计算结果及受力变形分析

配筋计算时按C30P6砼设计，保护层厚按规范要求区分部位取用，不考虑构造加腋作用。与土直接接触面抗裂验算按0.2 mm最大裂缝宽度的控制。以通道二为例通道弯矩以及变形结果简图示意如图6～图11所示。

图6 通道二顶板及侧壁Mx弯矩包络图

图7 通道二顶板及侧壁My弯矩包络图

图8 通道二 顶板及侧壁变形图

图9 通道二底板Mx弯矩包络图

由此可知，顶底板的弯矩与变形云图与荷载相符;主要的弯矩和变形位于通道顶板中部使用活荷载较大处，通道跨中横截面是配筋控制截面；通道与主体结构相连处有应力集中现象，但不起控制作用；侧壁双向压弯非常明显；顶底板荷载作用下侧壁有向外压弯变形的趋势，可抵消部分侧壁水土压力作用下变形趋势。

2.2.5构造加强措施

在通道侧壁顶、底设置550mm宽900mm高的暗梁并加强抗扭箍筋及腰筋，并设置350mm宽×350mm高的三角形加腋区，侧壁的外侧钢筋伸入顶底板不少于4100mm。

3 基础设计

该工程勘察揭示的场地岩土层按其成因及力学强度不同可分为以下工程地质层，各岩土层特征及分布规律自上而下分为8层：①杂填土,②中砂夹淤泥,③淤泥质土,④中砂,⑤粉质粘土,⑥卵石,⑦强风化花岗岩(砂土状),⑧强风化花岗岩(碎块状)。该工程通道两端采用静压PHC先张法预应力高强混凝土管桩PHC500-125-B，桩端持力层为(6)卵石，桩长约40m，单桩竖向承载力特征值为2300kN，单桩抗拔承载力特征值为750kN。箱型通道底落在②中砂夹淤泥上，该层以稍密状态为主，具有一定的力学强度，厚度10.3m～18.9m不等，未经修正的天然地基承载力特征值为140kPa。

通道两端剪力墙下布桩时将通道视作4.75m高(通道最小处高度)箱型深梁考虑，两端墙下布6～8根桩，兼顾抗压和抗拔作用，地下通道整体竖向承压及整体抗浮设计满足。

实际上因为通道底板下中砂夹淤泥层也具有一定的承载力，截取箱型通道横断面计算时，箱梁基底地基竖向承载力满足要求；且因为通道底板下土压力并未超过未施工通道时的原始土压力，无附加应力；故通道不会产生较大的沉降变位及不均匀沉降。在设计抗浮水位下扣除通道侧壁自重以及顶底板面层、覆土及自重后底板输入折算向上荷载设计值为0～18.7kN/m2，若不考虑荷载分项系数，最大水浮力荷载标准值仅略大于基底恒载，故大跨箱型通道不会出现底板脱空情况，局部抗浮满足。

4 结论

(1)该工程受力形态以底板和顶板短跨方向为主。通道侧壁实际上是双向压弯深梁，起着重要作用，故设计上设置墙顶、墙顶暗梁并构造加腋加强。

(2)既要考虑地下通道的整体竖向承压和抗浮，也要考虑局部承压和抗浮。

(3)采用合适的有限元计算分析软件并正确模拟边界条件，按有限元计算结果进行精细化设计，可以起到减少截面尺寸，节省配筋的作用。

(4)保证箱型通道两侧土回填密实，这样可抵消一部分顶底板变形造成的影响，对结构物本身安全是有利的。

该工程为地铁通道穿越地下室提供了一种可行做法，设计时整体与局部兼顾，采用合适的有限元计算分析软件建模计算。预验收时现场未发现裂缝，证明该设计方案切实可行。