某地下工程结构设计关键点总结

徐珂,2010年8月14日

一. 工程简介
    本工程建筑面积约53000M2,建设方为改善场地景观，利用原有地势进行重新规划，本工程为其配套地下商业建筑，由A.B.C区三部分组成,其中A、C区为地下一层，B区为地下两层，地下一层层高6.0米，地下二层层高3.9米，柱网双向均为8.40米，建筑平、立剖面见图-1、图-2，该工程有如下几个特点：
    1. 地下室顶板覆土厚度变化较大，深度变化范围在0.5~6.0米，结构设计需满足消防车行驶和局部特殊绿化覆土要求；
    2. 根据使用要求在A区中部设置16.80米大跨度地下商业步行街；
    3. 在B区设置月亮造型，将B区地下室顶板开孔，作为地下广场与地上主要连接通道；图-3为其局部剖面图。
 
                               图－1
 
                               图－2
二. 月亮造型对整体结构的影响
    从建筑平面看除局部出入口和各区交接处外，柱网总体规则，较为特殊的地方是B区月亮造型，该造型沿B区横向开口达九个柱网，占全部长度126米的60%，这与普通的地下室结构有一定区别，普通地下室结构顶板一般开口较少，如楼梯间、设备管井等，所占长度和面积很小，设计时通过加强措施减少对顶板影响较小，可以有效传递侧向土压力，使地下室设计成为一个封闭体系。这个月亮造型开口面积较大，不可能通过加强手段来传递荷载，因此该部分是本工程重点设计部位，其局部剖面见图-3。
 
 
                                图－3
    建筑专业希望地下全部采用框架结构体系，便于业主后期灵活使用要求。从剖面可知，月亮背后结构既承担6米覆土竖向荷载，又承担16米高度覆土产生的侧向土压力，由于开孔造成地下一层顶板中断，不能有效传递顶板水平荷载，使月亮背后的结构成为类悬臂抗侧力体系，在框架设计时需要考虑侧压推覆影响，其中地下二层顶板是连续性楼板，竖向楼梯与月亮造型纵向相隔在一个柱网以上，在纵向分析上可以不考虑楼梯间的影响。
在进行分析前，笔者考虑了上部覆土对结构的影响，即竖向荷载在产生了侧移的框架结构中引起的附加内力，也就是P-△效应[1]，因为工程场地自然地坪与地下一层顶板接近，顶板以上的覆土都会在结构封顶后实施，覆土回填后多半为欠固结土,随着地上不断施加活荷载和土体固结压力的增大,使得结构侧向推力和位移因时间的积累而越来越大，为此建立空间模型来考察侧力影响。
     从剖面图可以看出，减少覆土的厚度就直接减少竖向荷载q0值，在考虑其他专业要求后，这部分覆土深度保留最小3.0米即可，结构专业可以将原层高6.0米最大提高到9.0米，但这样做并不会减少侧向土压力的影响，相反会因为侧向承压面积增加，加剧水平位移值，因此模型分析中还要考察地下一层顶板抬高量与水平位移的合适值。
在建立第一个层高6.0米的模型中，框架方案就被否定了，仅水平位移就达到110mm，位移层高比接近1/55，已经接近弹塑性层间位移限值，结构属于倒塌范围。该计算值是按弹性构件分析的，与实际有区别，另外月亮端柱是立于框支柱梁上，还存在竖向位移影响，大变形后会引起侧向土压力增大，因此采用框架体系不能保证结构安全。
采用剪力墙抗侧力体系，若直接在柱间增加剪力墙影响了建筑使用功能，经协商后增加一列横向柱网，将原南北库房面积移至此处，即平面图中左侧7跨柱网，新加剪力墙长度不大于4.8米，以保证建筑通道宽度。调整计算模型后，墙厚350，经过对比地下室顶板抬高1.0米较为合适，月亮一侧梁端水平位移在2.7~4.3mm范围，相对7.05米层高层间位移比在 1/2611~1/1640之间，框支梁在柱节点处竖向位移在3.9~6.4mm范围，变形挠度值在1/2150~1/1310之间；考虑抗侧力混凝土墙及框支梁开裂刚度折减至60%，月亮一侧梁端水平位移在5.1~8.7mm范围，相对7.05米层高层间位移比在 1/1380~1/810之间，框支梁在柱节点处竖向位移在7.8~12.5mm范围，变形挠度值在1/1080~1/672之间。为保证抗侧性能，这部分墙体限制其它专业在墙上开洞尺寸。
月亮造型在横向上也存在上述问题，因月亮尖角对着竖向楼梯通道，在设计之初就采用剪力墙体系，墙体对其它专业影响很小，同时在不妨碍专业使用和地下停车的位置，平行楼梯间各设置了一道8.4米柱网间剪力墙，以应对横向土压力对月亮造型影响。在C区端部出地面建筑中，景观造山形成侧推因素，设计上根据竖向通道的布置设计成剪力墙结构。
月亮造型采用钢结构，考虑侧向土压力影响以及热胀冷缩效应，钢结构连接节点均采用铰接方式，使其本身适应侧向位移及温度变化。钢结构设计主要配合外部幕墙要求，满足幕墙对变形要求。
三. 框支结构设计
    本工程抗震设防烈度为七度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组第三组，建筑场地类别为Ⅱ类，持力层为细砂岩，工程抗震抗震等级为四级。按照这个标准依据高规[2]第10.2.6条进行月亮下框支结构设计，是不需要进行相应地震作用内力放大调整的。笔者在设计时考虑月亮背后5米覆土是在场地地坪以上人工填筑突出地面的，永久荷载值约为100kN/m2，按照常规结构相当于5~8层建筑物荷载，只是地震荷载水平作用位置较低而已，有必要考虑地震作用对框支结构的附加影响，因此在设计时根据这个情况建立一个模型，将覆土荷载作用位置提高至距离顶板2.5米处，考察框支结构和相关框架结构的内力情况，参照高规[2]要求按建筑高度在30米以下框支结构设计，抗震等级按二级标准设计，水平地震作用计算内力放大1.25倍。

                          月亮造型钢结构施工

                         地下工程施工中

                            太阳造型钢结构施工中

                     月亮造型建成效果

                         太阳造型建成效果

                 太阳造型内部，采用单层网壳结构