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昆明市三市街公共人防及金马坊市政节点改造工程 发布时间:2021.09.16

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昆明市三市街公共人防及金马坊市政节点改造工程

徐永浩 倪文兵 桑冲

(中铁四院集团西南勘察设计有限公司, 云南 昆明 650000)

摘要:项目位于昆明市三市街及昆明市金马坊北侧,为纯地下两层建筑工程。北部位于昆明市三市街地下,南部沿金碧路地下局部布设,用地形状为不规则条形,南北方向315m,东西方向139m。建筑四周诸多商业街及建筑物,在四边设置出入口与周边街道、建筑地下室相连,满足人员进出疏散、交通功能。负一层作为过街通道、地铁进出站通道、商业使用,层高5.6m,局部区域顶板降板,层高为4.6m。负二层平时作为商业使用,战时作为人防地下室,层高5.5m,局部底板降板区层高为5.75m。结构形式采用了板柱抗震墙结构体系,钢骨混凝土柱。抗震设防类别乙类,8度0.2g,三类场地。围护结构采用地下连续墙+内支撑方案,采用盖挖逆作法施工,使用阶段楼板兼做基坑支护的内部支撑 ,局部开口处设置临时支撑,并采用“两墙合一”结构,即地下连续墙兼做地下室永久外墙。工程难点为全逆作法设计、结构抗震设计、顶板超大开洞及地面标志性建筑桩基托换。

 

关键词:高烈度区;地下商业综合体;结构设计

 

中图分类号: TU 93+3   文献标志码:A

 

引言

 

地下人防工程(平时作为地下商业,战时为地下人员掩蔽所)的建设在城市建设中的比例逐年加大。这些人防工程往往建设于城市人口密集区或繁华地带,周边为已成形的商业区和人口密集区。复杂的周边环境,造成地下商业工程的基坑设计控制难度加大。繁华密集区土地价格极为昂贵,又要最大限度保证使用空间。基坑的控制和使用空间的最大化形成一个矛盾。

 

在国外[3],日本在1935年首次提出逆作法施工工艺的概念。经历70余年的研究和工程实践,逆作法技术目前已广泛地应用于高层和超高层的多层地下室、大型地下商场、地下车库、地铁、隧道、大型污水处理池等结构。在国内[3],1955年哈尔滨地下人防工程中首次提出应用逆作法施工技术。从1993年至2000年,国内共有50个工程采用了逆作法施工技术。

 

1、依托工程概况

 

三市街公共人防工程位于昆明市的五华区和西山区。占地8500平方米,建筑面积17,000平方米,为地下两层人防工程。工程总长350m,总宽度145m,平面详见图1。

 

本项目周边环境比较复杂,共有7座商业建筑。分别为益珑大厦、昆明药材酒店、昆百大厦、昆明国际商务酒店、柏联大厦、金碧辉煌大厦。其中柏联大厦和昆明药材酒店采用的是筏基,其余的采用的为桩基。这中复杂环境导致本项目结构抗震设计无法按规范要求采用通用方法进行。

 

本工程位于繁华闹市区,受场地的限制,基坑采用盖挖逆作法施工,在主要施工时间内,仅在地面上留存3个出土孔,此工法极大减少了施工期间对周边商业及对周边商业的影响。

 

本工程存在地下室顶板设置长度65m超大开洞的结构设计难题。本工程还有地面存在既有标志性建筑物-忠爱坊,不能拆除还建,必须进行桩基托换的难题。

 

图1 三市街人防工程周边环境图

Fig. 1  Surrounding environment map of Sanshi Street civil air defense project

 

2、设计方案研究

 

2.1 围护结构方案设计

场地内土层自上至下为杂填土、粉质黏土、粉砂、圆砾土、粉砂等土层。基坑深度14m,基坑底主要位于圆砾土层。基于土层的情况,本工程盖挖逆作法基坑的围护结构对单一墙、叠合墙和复合墙三种围护结构形式进行比选。对于基坑的计算,选取具有代表性的孔点三市街-10进行计算,采用同济大学基坑升级软件启明星进行计算,软件的版本为Frws7)。

 

对于单一墙,进行施工阶段的基坑安全计算,得到墙厚为800mm。对于主体结构进行正常使用阶段的验算,外墙厚度800mm满足主体结构正常使用阶段的强度和裂缝的计算要求。

 

对于叠合墙,进行施工阶段的基坑安全计算,得到墙厚为600mm,需在地下连续墙的内部附加内衬墙,内衬墙墙厚为300mm。

 

对于复合墙,进行施工阶段的基坑安全计算,得到墙厚为600mm。对于主体结构进行正常使用阶段的验算,防水层内部需附加400厚的内衬墙。

 

单一墙、叠合墙和复合墙的计算结果结果见表1。由表中的计算结果可知,单一墙从配筋经济性和空间的利用率上均要优于叠合墙和复合墙。但是单一墙对连续墙施工的要求较高,需满足较高的垂直度要求并且满足在基坑土体开挖后背土面墙体表面较平整。叠合墙和复合墙在内衬墙施工完毕后可以获得比较平整的内表面。

 

表1

Table1

墙体类型

墙厚(mm)

基坑施工阶段

最大弯矩

基本组合(kN*m)

基坑阶段

配筋(kN*m)

使用阶段

最大弯矩

准永久组合

(kN*m)

使用阶段,裂缝控制配筋

配筋(kN*m)

最大裂缝(mm)

单一墙

800

迎土面:-348

背土面:861

C22@150

C25@250

迎土面:-343

背土面:117

同基坑阶段配筋

迎土面:0.158

背土面:0.025

叠合墙

600(围护墙)+300(叠合墙)

迎土面:-398

背土面:717

C22@150

C28@250

迎土面:-344

背土面:123

背土面叠合层配筋C18@150

迎土面:0.111

背土面:0.035

复合墙

600(围护墙)+400(叠合墙)

迎土面:-398

背土面:717

C22@150

C28@150

迎土面:-236

背土面:100

C28@150

C18@250

迎土面:0.196

背土面:0.102

 

2.2 主体结构方案设计

2.2.1 主体结构设计方案

 

 

 

 

图2 主体结构计算模型

Fig. 2  Calculation model of main structure

本项目为地下结构2层,地面覆土厚2m,最大埋深为13.6m。

 

本工程分为地下一层和夹层,全地下板柱抗震墙结构体系,边界及局部洞口边用框架梁进行封边。在施工方面无梁楼盖结构体系的建筑物具有施工支模简单、楼面钢筋绑扎方便,设备安装方便等优点,大大提高了施工速度。

 

结构柱采用方钢管型钢混凝土柱,增强结构抗震性能,按照“永临结合”的设计思路采用逆作法进行结构施工,方钢管型钢混凝土柱在施工阶段以钢管混凝土柱的形式兼作基坑开挖阶段的竖向支撑立柱,楼板则兼作水平支撑构件,可以大量节约工程量,缩短工期。

 

2.2.3 主体结构抗震设计及抗震措施

 

1.使用钢管混凝土柱加强结构抗震性能;

2.对大开洞部位进行简化计算分析并加强构件设计,大开洞周边框架抗震等级提高一级设计;

3.地下连续墙兼做外墙,嵌入土体的地下连续墙部分为结构提供一定的抗震能力;

4.在柱帽部位钢骨上设置牛腿,以提高柱的抗剪能力,提高结构抗竖向地震作用能力;在柱顶部位,顶部钢筋采用上部弯起的方法来提高柱的抗冲切性能;

5.顶板板厚400mm,下沉广场周边平面宽度变化部位、端部楼面板厚加至500mm;

6.在柱上板带上设置暗梁,按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JG 3-2010)第8.2.4条增设箍筋;

7.考虑行波效应对超长结构的影响,将小震地震作用放大15%,且将结构两端,及中部宽度突变处顶板厚增加到500mm,结构配筋增大15%;

8.考虑竖向地震作用,并进行板柱体系的冲切验算。

 

2.2.4 主体结构抗震计算方法

 

根据抗规第14章的要求,本工程本应采用土层结构时程分析法计算,但是由于本工程位于市中心周边存在密集的高层地面建筑,这些地面建筑大多设置有地下室,使得本工程结构周边并不存在大片连续土层包围,采用规范规定方法不符合实际情况,也不便实施。经反复考虑,本着结构可具有足够抗震安全度,又简单易行的原则,本工程按以下方法进行地震作用计算:

a.振型分解反应谱法:不考虑周边土体的约束作用及其他周边建筑物的影响,把地下室基础底板作为嵌固端,把结构当做地上结构进行计算;

b.反应位移法:通过在YJK软件中设置相关计算参数进行计算分析;

c.地震动土压力法:根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)6.2对计算模型施加地震动主动土压力进行计算分析。

以上三种计算方法均考虑了竖向地震作用。

 

在按上述方法进行地震作用分析之后,进行包络设计,各地震作用分析方法的具体参数设置为:

 

经全面计算分析可知,地震动土压力法起主要控制作用,但为安全起见,设计时仍将三种计算结果汇总后采用YJK的包络设计方法,自动给出各构件最不利工况(方法)下的效应值并给出包络设计结果。

 

方法1:振型分解反应谱法,不考虑周边土体的约束作用及其他周边建筑物的影响,把地下室基础底板作为嵌固端,把结构当做地上结构进行计算。

 

方法2:采用反应位移法计算地震作用;

 

方法3:根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)6.2对计算模型施加地震动土压力进行计算;

 

方法1、方法2和方法3计算结果分别如表2,两者计算的结构总重量、振动模态和周期基本一致,结构扭转效应较小。初步判断模型的分析结果准确、可信。

表2

Table 2

 

如上述所示,水平地震作用下的基底总剪力是方法3最大,方法2最小;水平地震作用下基底弯矩是方法3最大,方法1最小;地震作用下最大层间位移是方法3最大,方法1最小。

 

经上述计算分析结果对比可知, ,地震动土压力法起主要控制作用,但为安全起见,设计时仍将三种计算结果汇总后采用YJK的包络设计方法,自动给出各构件最不利工况(方法)下的效应值并给出包络设计结果。

 

2.2.5 超长结构的应对措施

1.温度作用

在盈建科计算模型中考虑了±10°的温度荷载。

 

2.施工阶段砼收缩

采用分段施工的施工方法,全楼墙板采用补偿收缩混凝土添加抗裂剂。

 

3.行波效应

本结构总长315.6m,属超长结构,为避免因地震作用出现点不同而引起结构的破坏,需考虑行波效应。

①整体计算,均放大15%地震力;

②两端及变截面处考虑加厚顶板至500mm,且所有端部构件配筋较计算配筋增大15%,

 

2.3 顶板超大开洞的结构设计

金碧路道路恢复提升工程金碧路金马坊市政节点改造工程夹层下沉广场附近存在大开洞为结构薄弱部位,如图3所示:

图3 工程顶板开洞图

Fig. 3  Opening drawing of Engineering roof

 

洞口长度方向尺寸65m,宽度尺寸40m。结构设计时,按洞口四周挡土墙+板带+地下连续墙冠梁共同形成环状复合框梁,抵抗建筑外侧土压力的力学概念进行结构设计,框梁典型截面如图4所示:

图4 框梁典型截面图

Fig. 4  Typical section of frame beam

 

根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)6.2计算得大梁外侧所受水平主动土压力荷载为q=179.06kN/m,并按洞口最大长边尺寸以两端固支梁力学模型进行内力计算,求取梁最大内力,并进行梁截面配筋设计。简图如图5所示:

图5 框梁典型截面图

Fig. 5  Computing model of frame beam

 

2.3 忠爱坊桩基托换设计

 

2.3.1 总体方案设计

 

为满足忠爱坊原址保护的目标,本工程位于忠爱坊下方的结构区段需采用逆作法施工。

 

对牌坊下每一个承台设置包裹纵向梁一根,横向托梁两根,采用被动托换法将忠爱坊承台(被托换承台)托换到逆作结构体系(托换结构)上,如图6所示。

图6 平面布置图

Fig. 6  Layout plan

2.3.2 托换设计

 

本工程基坑深度约14.0m,围护结构采用“两墙合一”的形式,地下连续墙兼做地下室外墙。主体结构采用无梁楼盖,忠爱坊托换部分采用梁板结构。

 

综合工程结构形式、场地地质条件及周围环境特征,托换段地下连续墙及6根立柱和立柱桩作为托换结构的竖向承载构件,经计算分析本段围护墙插入深度11m,插入比约0.80H。围护结构形式采用800厚地下连续墙+内支撑(逆作的主体梁板结构)。

 

1.托换墙和桩

本结构利用结构围护墙及逆作的永久立柱作为竖向承重构件,其中围护墙基底以上13.8米、基底以下嵌入深度为11米;托换永久立柱桩桩长29m,桩径1.2m。

 

2.托换梁

托换结构由6根托换梁+2根墙顶的压顶梁组成。其中结构纵向(忠爱坊承台长度方向)分别布设2根截面bxh=2800mmx1500mm托换梁L1和2根截面bxh=2000mmx1500mm托换梁L2,L1和L2将忠爱坊原承台完全包裹住,将忠爱坊上部结构荷载受力传递到梁L1和L2上。另外,在结构的横向(忠爱坊承台宽度方向)布设2根截面bxh=2000mmx1700mm的托换大梁KL1将梁L1和L2传递到钢管柱和基础桩上,详细位置关系详见图6。

 

3.托换计算

结构托换的计算采用盈建科三维软件进行建模,被托换单桩承载力为478kN,在计算模型相应位置施加荷载,即可模拟托换后的结构计算受力情况,计算模型如图7所示。

 

图7 托换结构计算模型

Fig. 7  Calculation model of underpinning structure

 

2.3.3 托换部位节点设计

 

承台和托换梁L1和L2的连接采取凿毛和植筋的方式保证两构件混凝土之间的有效连接,详细的处理如图8和图9所示。

图8 托换连接节点做法

Fig. 8  Practice of underpinning connection node

 

为充分利用承台下,新建地下室顶板之间的高度空间,忠爱坊桩基托换大梁与原承台间形成包裹关系,托换大梁按简支梁设计。为充分利用梁宽,底部纵筋与被托换基桩间设计了如图10的节点传力详图。

 

图10 托换节点传力详图

Fig. 10  Detail drawing of force transmission of underpinning joint

 

4、结论与建议

 

1)单一墙在地下工程逆作施工中有一定的优势和应用价值,尤其是在地下空间及施工场地比较局促的地方,可较大程度增加使用空间。

2)相比于叠合墙和复合墙,单一墙有一定的经济优势。

3)对于地下综合体结构,地震计算可采用振型分解反应谱法、反应位移法和地震动土压力法取包络设计。

4)对于超长地下结构,应考虑行波效应,相应对地震力做整体放大15%,并将结构构造加强处理。

5)对于位于大型商业体上方既有建构筑物,可采用桩基托换技术,实现对原结构的保护,避免施工临时迁改等对既有结构的破坏。

 

参考文献(References):

[1] 上海市建设和管理委员会.基坑工程设计规程.

[2] 刘建航,侯学渊. 基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[3] 徐至钧,赵锡宏. 逆作法设计与施工[M].北京:机械工业出版社,2002.

[4] 徐至钧. 深基坑逆作法施工[J].住宅科技.2002(12).

[5] 刘建国. 百汇广场深基坑地下盖挖逆作法施工技术[J].施工技术.1997(7).

[6] 康忠. 逆作法施工中一柱一桩的施工方法及技术保证措施[J].建筑施工.1998(4).

[7] 王允恭,应惠清. 逆作法设计施工与实例[J].中国建筑工业出版社.2011(12).

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