大型地下商业结构设计分析

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1工程概况及周边环境

项目位于西咸新区，西侧自北向南分别为未开发地块，B地块、D地块和F地块。东侧为规划地铁16号线。建筑面积约为4.8万m2，自北向南长度约为760m，根据使用功能分为ABC三个区。主要功能为地下商业、车库和设备用房，局部兼顾人防工程。主体结构主要柱网尺寸9.0m×9.0m，采用钢筋混凝土主梁大板结构，顶板厚400mm，局部采用钢结构屋面。主体结构和地下管廊、环隧统筹建设，为上下共构，与地铁车站、区间脱开，总平面图及周边环境见图1。工程抗震设防烈度为8度，基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第二组，抗震设防类别为重点设防类（乙类），场地类别为Ⅲ类。设计使用年限为50年（与管廊、环隧共构段100年），拟建场地的特征周期Tg为0.35s。结构的安全等级为二级（和管廊、环隧共构部位为一级），地下室防水等级为一级，地基基础设计等级为甲级。

2围护结构设计

本工程周边紧邻地块与地铁车站和区间，结合周边情况，基坑采用不同的围护结构方案。基坑深度约10~17m，基坑侧壁土层主要由人工填土层、黄土状土、细砂层及中砂层组成。A区基坑深度15~17m，西侧现状为空地，采用桩锚支护方案，东侧G地块的支护形式为桩锚支护，基坑已开挖，且距离本项目较近，同期施工将两基坑中间挖通，统一按一个大基坑合并考虑进行支护。B区基坑深度10~16m，西侧B地块基坑深度约13m，D地块基坑深度约14m，均为桩锚支护，基坑均已开挖，与本工程基坑相邻，不具备分别围护的场地条件。D地块的基坑深度和本工程基坑深度接近，B地块基坑深度比本工程深，将B、D地块基坑靠近本侧的土层及支护结构分层分段挖除至本工程基底，基坑合并一起考虑进行支护。C区基坑深度约15m，西侧F地块基坑深度约16m，该范围支护形式采用对拉锚索。地下空间东侧为规划地铁16号线的车站和区间，基坑深度约17.1~21.3m。该范围地铁采用明挖方案。地下空间与地铁车站共基坑方案。

3地下室抗浮设计

基础采用筏板基础，持力层主要位于细砂层和中砂层。地下空间东侧为地下一层结构，局部地下二层，位于地铁区间上方。根据地质勘察结果，抗浮水位取地面以下7.9m。经抗浮计算，位于地铁区间上方的结构，水浮力较小，通过顶板覆土配重和结构自重解决抗浮问题。埋深较大的地下二层结构仅靠自重以及顶板覆土配重不能满足抗浮要求。因此考虑附加抗浮措施，与配重联合使用，抗拔锚杆施工简单，但容易受地下水侵蚀，而且土层抗拔锚杆，在长期荷载作用下存在应力松弛问题。相较于抗拔锚杆，抗拔桩的性能更稳定，本工程水头大，对抗浮要求较高，弱腐蚀性环境，拟采用抗拔桩参与抗浮。关于抗拔桩的布置，要综合考虑基础受压和抗浮两个问题。桩布置在柱下，既要满足抗浮水位工况下桩的抗拔，也要满足低水工况下桩的受压。抗拔桩均匀布置在底板跨中，柱下一定范围底板水浮力由主体结构恒载抵消，该范围以外水浮力由抗拔桩承担。本工程基底位于中砂层，地基承载力300kPa，采用抗拔桩均匀布置在底板跨中的方案。该方案抗拔桩直接平衡水浮力，减少传力路径，经济性更好。抗拔桩采用桩径600mm、桩长13m的钻孔灌注桩，以4.2m等间距布置在底板中心。设计等级为甲级的建筑桩基，承载力应通过静载试验确定，设计提供依据的试验桩，根据现场试桩报告，各试验点均在终止荷载1340kN作用下变形稳定，满足相关规范要求，单桩竖向抗拔承载力特征值为670kN。对抗拔桩的检测，由桩身抗裂条件控制，抗拔加载取桩的承载力设计值。

4主体结构设计

根据《建筑工程抗震设防分类标准》[1]，结合本工程的建筑功能，地下车库为标准设防，地下商业为重点设防。根据专家评审意见，本工程全部按照重点设防确定抗震等级。本工程为单建式地下结构，针对屋面局部开洞，采取相应措施。仍然按照地下结构设计，根据《建筑抗震设计规范》[2]（简称《抗规》）第14章确定抗震等级。第14章确定抗震等级提到的烈度是本地区的设防烈度，不再按《抗规》6.1.3条乙类建筑提高一度确定抗震等级。本工程抗震等级为二级。对于局部大跨度相关的水平及竖向构件等重要构件，构件的抗震等级提高为一级。结构重要性系数是与结构安全等级与设计使用年限有关的系数，是对荷载效应设计值的调整。设防分类是对设防标准的调整，主要针对抗震措施及其中的抗震构造措施的调整。本工程抗震设防类别为重点设防类（乙类），安全等级根据破坏后果确定，本工程安全等级为二级，结构重要性系数γ0=1.0。B区西侧平面开洞较大，洞口沿纵向狭长，形成通透的光廊的建筑效果，西侧邻近地块建筑，受用地场地限制，无法设置扶壁墙。通高的悬臂式挡土墙无法承担土压力作用，设计中控制楼板开洞尺寸，开洞处在楼层位置设置横梁，横梁按受弯构件进行设计，作为挡土墙的侧向支撑。开洞范围以外的地下室外墙，土压力传递至洞口以外的楼板。本工程与地块外墙之间采用混凝土实心砖填筑，剖面图见图2。A区地下一层楼板中庭开洞较大，有效楼板宽度约为典型楼板宽度的40%，混凝土顶板局部开洞，南北向洞口尺寸71.5m，为改善为西侧挡土墙提供侧向支撑的楼板开洞的不利影响，在西侧一跨内楼梯间两侧沿横向设置一定数量的混凝土墙，混凝土墙按深受弯构件设计。顶板钢屋盖支撑在其下混凝土梁上，局部支撑在悬挑梁上，悬挑梁挑出长度5.3~8.1m，顶板有大面积种植土，钢屋盖周围覆土厚度1.4m，荷载较大，为控制结构变形，梁中设置一定数量缓粘结预应力筋，设计时考虑竖向地震作用。

5超长结构应对措施

本工程沿南北向总长度约580m，沿东西向50m~135m，远远超过《混凝土结构设计规范》[3]对现浇结构不设伸缩缝最大间距的规定。为了解决温度变化对结构的影响，针对超长结构无缝设计需采取多种措施。在平面轮廓变化处及荷载变化处，设置两道变形缝，将结构划分成3个区段。每个区段之间合理设置后浇带，由于后浇带封闭前，后浇带处梁板的模板支撑不得拆除，为了不影响施工材料的运输，后浇带的位置应结合设计要求及施工方案合理确定，后浇带间距大于55m时，后浇带与后浇带之间设置膨胀加强带。变形缝、后浇带与膨胀加强带的布置见图3。对于A区顶板局部设置钢结构屋面，为非全埋的地下结构，温度变化影响较大，尚应进行温度应力分析，混凝土收缩是一个长期过程，设置施工后浇带，能有效释放施工阶段早期混凝土收缩应力，使用阶段的混凝土收缩在结构内部仍会产生拉应力，与降温类似，故可把后浇带封闭后的收缩变形等效为结构的整体温差，混凝土收缩扣除后浇带合拢前的收缩量。取最高气温与后浇带封闭时的温度之差作为升温温差，季节性温差与混凝土收缩当量温差之和为降温温差。经YJK软件计算，按1.5MPa的温度应力进行预应力配筋，由于柱网较为复杂，仅在板中布置无粘结预应力筋，梁板截面折合板厚约270mm。预应力筋为直径D=15.2mm，抗拉强度标准值fptk=1860MPa，张拉控制应力系数为0.75，面积Ap=140mm2，预应力损失为30%，单根有效拉力Np=136.7kN，经计算，每米配置3根预应力筋，实配2根集束间距650mm。在地下室外墙的设计中，将水平筋设置在竖向筋外侧，结构主体均使用补偿收缩混凝土，采用间隔跳段施工，同时顶板采取建筑保温减小温度变化对主体结构的影响。

6钢屋盖设计

A区大跨度屋盖采用空间钢结构方案，屋盖平面尺寸沿南北向长71.5m，屋盖采用门形框架和人字形组合的轻钢框架结构，最大跨度约15m，最大高度约7.75m，建筑特点为整个钢结构沿纵向为曲面渐变且各榀跨度均在变化，受建筑外观影响，不宜设置交叉支撑，各榀系杆不在一条直线上。钢柱支撑于下部混凝土结构的梁柱上，采用铰接柱脚，构件主要采用H型钢或方钢。点支玻璃幕墙和屋面，节点以刚接为主。中间钢平台采用玻璃屋面，跨度21m，沿东西向设置5根变截面实腹钢梁，铰接于两侧混凝土牛腿上。主要构件尺寸见表1。钢屋盖采用MidasGEN软件计算，三维模型见图4。地下混凝土结构与其上部的钢结构刚度相差较大，同时地下室周围土体的约束限制了结构的侧移，减小了对屋盖受力的影响，根据YJK计算结果，地下室顶层柱顶最大侧向位移为2.8mm，因此在计算钢屋盖时仅考虑上部屋盖模型进行分析。经计算分析可知，构件的最大应力比约为0.8，在恒载加活载工况下的最大竖向位移为27mm，最大位移处对应的位移跨度比值为1/785<1/400，满足要求。在恒载加风作用工况下的最大水平位移为38mm，主要计算结果见图5~图7。

7结语

地下空间的基坑工程应结合地质条件与周边环境，综合考虑施工场地、工期、交通导改、管线保护等统筹安排，合理进行设计与施工。抗浮设计时抗拔桩要综合考虑基础受压和抗浮两个问题，从抗浮角度考虑，抗拔桩设置在底板跨中经济性更好。地下结构楼板开洞较多时，通过设置横梁或横向混凝土墙作为挡土墙的侧向支撑，能够有效解决挡土墙的受力问题。通过合理设置变形缝、后浇带，进行温度应力分析，采用预应力钢筋和补偿收缩混凝土，间隔跳段施工以及建筑保温等综合措施，应对超长结构温度应力的影响。

参考文献：

[1]GB50223-2008，建筑工程抗震设防分类标准[S].中国建筑工业出版社，2008.

[2]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社，2016.

[3]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

作者：刘鑫 单位：北京城建设计发展集团股份有限公司