珠海拱北口岸扩建工程结构设计

李巨民 张坦贤

(1．珠海市建筑设计院，珠海519000;2．上海同华特种土木工程有限公司，上海200092)

1 工程概况

珠海拱北口岸出入境联检大楼地处珠海市香洲区拱北繁华地段，与澳门关闸紧密衔接，是我国对外交往的主要门户之一，座落于珠海市迎宾南路的南端。大楼北临口岸广场，南接澳门关闸，东邻情侣南路与海相望，西通昌盛路。随着经济的发展及时代的变迁，出入境人流逐渐增多，原有联检大楼规模已远远不能满足使用要求，政府决定在原联检大楼的两侧各扩建一座三层联检楼，与原有大楼共同组成全长约313 m的三段式联检大楼。

扩建工程总建筑面积约为4．3万m2，地上三层，地下一层，地下室面积约1．0万m2。扩建工程分为入境楼和出境楼两栋几乎对称的独立单体，地上三层，层高分别为6 m、6 m、4．5 m。地下室层高为4．9 m，顶板局部覆土0．6 m。地下室局部为平战结合的六级人防地下室，其他部分均为停车库。工程建筑结构的安全等级为一级，在设计考虑的环境类别中的结构设计使用年限为50年，抗震设防类别为重点设防类(乙类)，设防烈度为7度，设计基本加速度值为0．10 g，设计地震分组为第一组，场地土的类型属于软弱场地土土，建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期为0．45 s。地基基础的设计等级为甲级。

本工程主体高度20．10 m，根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)，取50年一遇的基本风压W0=0．85 kN/m2，结构地面粗糙度为B类，重要性系数取1．1，风荷载体型系数为1．3。

图1 拱北口岸扩建工程效果图Fig．1 Gongbei phase II project rendering

图2 工程结构构件三维透视图Fig．2 Structural 3D perspective

2 基础设计

2．1 场地工程地质及地下水概况

场地范围内地层结构自上而下分述如下:

(1)人工填土层:①素填土1:成分为花岗岩残积土，褐黄色，不均匀，含较多建筑垃圾，局部有填石，稍湿，欠压实。该层分布不连续，多分布于入境联检楼处，层厚 3．0 ～7．50 m，平均 4．88m，层顶标高4．51～6．21m。②素填土 2:成分为粉砂，褐黄色，稍密，饱和，不均匀，组分为石英为主，较纯净。该层分布基本连续，多分布于出境联检楼处，层厚3．6 ～11．50 m，平均 6．85m，埋深 0 ～4．50 m。

(2)海陆交互相沉积层:①淤泥:灰黑色，很湿—饱和，流塑。②粉质黏土:褐黄色，浅红色，可塑，饱和，不均匀。③粗砂:灰色，褐黄色，稍密，饱和，不均匀，成分以石英为主。④砾砂:褐黄、砖红色，中密，饱和，不均匀，砾石多呈棱角状，成分以石英为主。该层分布于整个场地，层厚1．30～10．80 m，平均 4．86 m，层顶标高 -30．82～ -19．16 m。

(3)残积土层:花岗岩残积土，褐黄色，砖红色，组分为黏土和石英砾砂，不均匀，岩芯呈长柱状。很湿—饱和，可塑。该层分布于整个场地，厚度2．00 ～8．90 m，平均5．68 m，层顶标高 -33．62～ -24．04 m。

④燕山三期花岗岩:①全风化花岗岩:褐黄色、肉红色、砖红色，原岩结构可辨，岩芯呈土柱状，很湿—饱和，硬塑。该层整个场地均有分布，厚度 4．50 ～11．40 m，平均 6．64 m，层顶标高-38．05～-29．43 m。②强风化花岗岩:褐黄色、浅肉红色、砖红色，具花岗岩原岩结构，岩芯半岩半土状，局部呈砂状。该层在整个场地均有分布，未揭穿，揭露厚度 7．50 m ～16．40 m，平均11．0 m，层顶标高 -44．32 ～ -35．35 m。

场地地下水位埋深为0．95～3．60m，随季节性变化较显著。地下水对混凝土结构具弱腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀。设计对混凝土结构采取一级防护措施，对钢筋混凝土结构中的钢筋通过控制混凝土的裂缝等级和提高混凝土防渗等级等措施进行防护;对水下钢结构的表面采取涂料层及腐蚀介质隔离的方法进行防护。

岩土勘察报告中未提供明确的抗浮设计水位，根据勘察期间地下水位高度及结合水位变化随季节变化显著的特点，并参照广东省地基基础设计规范相关条款，设计时设防水位按室外地坪标高取值。

2．2 工程基础设计及施工疑难问题的处理

拱北口岸一期工程基础采用灌注桩，但当时预制高强预应力管桩在珠海地区的使用尚未普及。根据在类似地质条件的工程经验，考虑经济性能和施工进度，拱北口岸扩建工程初始设计采用高强预应力管桩，以强风化岩作为桩端持力层。桩径D550×125(主楼柱位)和D400×95(地下室柱位)，抗压承载力特征值分别为2 600 kN、1 400 kN，抗拔承载力特征值分别为600 kN、350 kN。考虑到地质资料显示个别钻孔粗砂层和砾砂层的复合层厚较大，采用静压预制管桩施工有可能不能穿过砂层到达持力层，故要求选择厚砂层位置设非工程桩进行试桩，当静压桩不能穿过而到达持力层时，考虑引孔等措施，以取得沉桩参数，指导工程桩的施工。

实际施工时由于工地条件的限制和工期压力，施工单位直接进行入境楼工程桩的施工。施工不到入境楼三分之一桩数的时候，已发现多个桩在改为锥型桩尖和加大配重和压力后仍不能穿透砂层。处理措施曾考虑采用长螺旋桩引孔后再进行桩施工。由于工期要求及引孔费用较高，而场地距离民居和办公楼较远，经批准后改用锤击沉桩。经锤击试桩比较，采用D500×125桩型效果最为理想。根据试桩结果，主楼及地下室基础均改为D500×125桩型，单桩抗压承载力特征值为2 300 kN，单桩抗拔承载力特征值为550 kN。最后施工情况表明修改后的工程桩均达到持力层。

针对已施工未能达到强风化岩持力层的桩位，对主楼框架柱位置，主要采取补桩措施处理;而对轴力较小位置及地下室柱位，在对桩端持力层为砂层的桩经复核计算后采取降低承载力取值和结合补桩措施进行处理。

经桩基静载验收检测，对应于承载力特征值时的桩基沉降在5～10 mm之间，效果良好。

3 主体结构设计

3．1 主体结构选型的概念设计

扩建工程的出境楼和入境楼的平面尺寸均约为60 m×100 m。由于建筑空间使用功能要求，地面以上大部分区域跨度较大，柱网稀少，柱网尺寸为19．2 m ×18 m，层高也较高分别为6．0 m、6．0 m和4．5 m，且建筑专业要求长向不设缝。如采用纯框架结构，初步结构分析计算结果表明，结构刚度较柔，抗震能力储备较小。考虑到结构的重要性及抗震设防类别为乙类，主体结构改为框架-剪力墙结构体系。但剪力墙受建筑功能的限制只能布置于楼梯间处，剪力墙距离较大，剪力墙的数量偏少。由于柱网跨度较大，且为多层结构，考虑经济及方便施工，框架梁采用有粘结预应力体系，以减小梁高度并增加框架的抗裂性能。框架柱原拟采用钢骨混凝土柱，后考虑施工工期和当地施工单位的技术条件，采用普通钢筋混凝土柱。

地下室结构柱网加密为9．6 m×9．0 m，为增加停车库的净空，预留可作为双层机械车库的功能，地下室顶板采用现浇空心楼盖平板结构。地下室底板采用普通梁板的防水板体系，控制工况为水浮力。

针对大跨度柱网部分的楼盖结构，考虑楼盖结构跨度较大及结构超长未设缝为增强结构的抗裂性能，采用无粘结预应力井字梁体系。

3．2 主体结构设计简介

3．2．1 主要构件尺寸及混凝土强度等级

如上所述，本工程采用有粘结预应力稀柱框架—剪力墙结构，主要柱网尺寸为19．2 m×18 m，边跨为9．6 m×9 m，屋盖在边跨外为下斜悬挑约5 m和三层上斜悬挑结构形成三角形飞檐结构。结构三维轴测图如图2所示。设计柱断面大跨度处为1 100 mm×1 100 mm，一般柱断面为800mm×800 mm、D800(建筑立面要求)。框架梁跨度19．2 m，截面为800mm ×1 300 mm;次梁采用无粘结预应力井字梁，截面为300 mm×900 mm。剪力墙布置于几个疏散楼梯和电梯间处，墙厚400 mm。

柱、剪力墙混凝土等级为C45，梁板混凝土强度等级为 C40。框架梁、柱均采用三级钢HRB400，有粘结和无粘结预应力钢筋均采用7¢5—1 860级低松弛钢绞线。楼板采用二级钢HRB360。

框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级。

地下室顶板结构:采用现浇空心楼盖结构;非人防区板厚400 mm，内模D250间距350，暗梁为1 000 mm×400 mm，空心率约为35%;人防区板厚600 mm，内模D400 mm间距500 mm，暗梁为1 000 mm×600 mm，空心率约为41%。

3．2．2 结构分析主要结果

结构分析采用 SETWE程序进行，采用PMSAP和GSSAP程序作为校核对比。考虑到地下室顶板采用空心楼盖体系，以及地下室高度范围内的土层较为松散、软弱，结构计算模型的嵌固端取地下室底板面。SETWE主要计算结果如表1所示。PMSAP和 GSSAP的计算结果与SATWE均很接近，反映出计算模型合理。PMSAP和GSSAP的计算结果不再列出。

3．3 结构设计采取的加强措施

3．3．1 抗震措施的加强

本工程地面以上柱网疏稀，跨度较大，剪力墙数量也较少，针对此特点在结构抗震构造方面采取了以下几项加强措施:

首先，高校教务管理人员要做好自我情绪管理[4].高校教务管理人员的工作时间长且繁琐量大，所以自身的情绪管理也是特别应该注意的一个问题.很多毕业生忙于参加招考和就业，时常不在学校，高校教务管理人员难以及时与其进行面对面的沟通，有时甚至根本找不到人，但是有些重要的事情又必须通知到毕业生本人；这个时候高校教务管理人员容易有一些负面情绪出现，甚至影响工作的开展.因此，高校教务管理人员一定要做好自我情绪管理，应具备自知、自控、自励、通情达理与和谐相处等方面的能力.

(1)框架柱。本工程为多层建筑，采用纯框架结构时计算结果表明尚能满足抗震(小震计算)、抗风要求。考虑到结构的重要性和结构体系的特点，结构按框架-剪力墙结构设计计算后，在框架柱设计时参照了纯框架模型的计算结果，采用适当提高柱纵向配筋率、柱全高加密箍筋，并针对主框架的大截面柱(1 100 mm×1 100 mm)设400 mm×400 mm芯柱，以提高框架柱的延性和抗震安全储备。

(2)剪力墙。本工程剪力墙数量较少，距离较大，因此加强剪力墙构件的抗剪能力和延性十分重要。设计中加厚了剪力墙厚度、加强了暗柱配筋，对较长的剪力墙开洞设计为联肢墙，加强了连梁的箍筋等。

(3)维护结构。由于层高较高(6 m)，维护结构的抗震必须重视。设计中在半层高度处设了圈梁与构造柱形成了很好的约束构架，以增强维护结构的抗震性能，同时在结构长向也增强了平常使用时的抗裂性能。

表1 结构计算分析主要结果Table 1 Results of structural analysis

3．3．2 结构超长的处理措施

由于结构框架梁和次梁均采用了预应力结构，对超长结构在使用阶段非常有利。设计中采用了SAP2000程序对结构进行了温度应力分析(常年温差下)，经比较，楼盖结构温差下温度应力拉应力值小于预应力结构的平均压应力。

3．3．3 斜屋面大跨度悬挑梁的计算和设计

本工程三楼和屋面均有约5 m的外挑结构，且上下层相连接形成了屋面和挑檐。由于SATWE程序不能完全真实地模拟结构特点，故计算时采用了PMSAP、平面框架计算程序PK(形成单榀框架)进行了补充计算。在构件构造设计中将内连的预应力框架梁的少量预应力束伸出在挑梁中部布置施加预压应力，以加强屋面结构在超长及保温性能较弱条件下的抗裂性能。

3．4 与原有建筑及构筑物关系的处理

3．4．1 新旧地下室的衔接

本工程地下车库设出入通道拟与口岸广场地下坡道相连，同时地下室要考虑与将来西侧轻轨站综合楼地下停车场的连接。设计时在原地下室确定预留洞口的地方在洞口周边做加强构造措施，洞口竖向两侧设置端柱，水平方向加设边框梁。新建通道与预留洞口及加强结构设结构缝，确保成为两个独立受力单元，减小新建结构对原有结构可能产生的不利影响。

3．4．2 地下管沟

拱北口岸北面与口岸广场间存在一条贯穿东西的管沟，该地下管沟截面尺寸约2．5 m×2．5 m，为混凝土地下管沟，该管沟布置了给排水、空调、强弱电等各种管线，是联系拱北口岸各功能楼的主动脉。针对车道上方贯穿管沟的问题，首先查验清楚原管沟的基础形式，确认为天然基础，故在施工车道时必须确保车道上方支撑的稳定性，和确保车道上方与管沟基础之间的合理距离，对车道上方的管道侧壁与基础作适当的加强措施，减少管道基础的附近应力，避免管沟产生不均匀沉降而拉裂。设计车道顶板的时候考虑基础附加应力的影响，避免破坏原管沟结构。

4 结构抗震性能设计

4．1 结构的抗震性能设计目标

为进一步了解结构在大震下的反应，检验结构的抗震能力储备，保证本工程结构抗震设计超过规范中三水准设防的要求，设计中参照《高层建筑混凝土结构技术规程》(注:《高层建筑混凝土结构技术规程》相对《建筑抗震设计规范》更易控制和明确)进行了结构的抗震性能设计。根据本工程结构的特点，拟定抗震性能目标为不低于D级，即可描述为“小震弹性无损坏、中震轻微损坏、大震较重损坏”。结构构件在各水准下震后性能状况和层间位移角控制指标见表2。

表2 结构抗震性能目标Table 2 Structural seismic performance objects

4．2 大震Push-Over分析结果

采用PUSH程序对结构进行了静力弹塑性推覆分析。主要结果简述如下:

(1)最大弹塑性层间位移角。大震作用下性能点处的最大弹塑性层间位移角为X向1/392、Y向1/426，均小于1/120。符合性能目标的要求，且距离倒塌仍有很大的安全富余度。

(2)结构的破坏形态。大震作用下的弹塑性分析表明，框架巨柱始终处于弹性状态，普通框架柱个别轻微进入塑性，表明第二道抗震防线安全可靠，以确保结构不倒塌;剪力墙破坏较为严重，属于弯曲型和剪切型复合破坏模式，表明有必要加强剪力墙的延性。在施工图设计时采取了相应的加强措施。

5 结语

综上所述，珠海拱北口岸扩建工程采用有粘结预应力稀柱框架-剪力墙结构体系、无粘结预应力井字梁大跨楼盖、地下室顶板采用现浇空心楼盖的结构设计;通过较合理的基础选型以及在基础施工过程中的疑难问题处理;针对结构超长以及新旧建筑物衔接处的处理;以及采用性能设计的方法和相应的抗震加强措施;在较好地满足了建筑空间功能需要的同时，具备了较好的经济性、施工技术适宜性和施工效率，得到了建设单位和施工单位等方的认可。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．Ministry of housing and urban-rural development of the people’s pepublic of China．GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2010．(in Chinese)

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．Ministry of housing and Urban-rural Development of the people’s republic of China．JGJ 3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2010．(in Chinese)

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2008．Ministry of housing and urban-rural development of the people’s republic of China．JGJ 94—2008 Technical code for building pile foundations［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2008．(in Chinese)