厦门大学访客中心结构设计

陈跃辉

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361004)



厦门大学访客中心结构设计

陈跃辉

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361004)

基于厦门大学访客中心结构设计存在场地淤泥层厚度深、基坑开挖深度大、抗浮设计水位高、结构超长抗裂等诸多难点，设计通过合理确定结构体系和支护方案、采用基坑支护与主体结构连接的防水体系、旋挖桩与抗浮锚杆结合的抗浮方案；对超长结构采用设置后浇带、计算敞开段楼板温度应力等抗裂措施；并采用(装配箱)混凝土空心楼盖保证地下室净高，达到综合效益最大化。

基坑支护；抗浮设计；超长结构；(装配箱)混凝土空心楼盖

0 引言

厦门大学坐落于厦门白城海边，由爱国华侨陈嘉庚于1921年创办。校园风光旖旎、景色优美，素有“中国最美大学”之称。经过95年的发展，厦门大学成了越来越重要的访问对象，年访客数量接近600万人，每天进入校园的车辆接近4 000辆。校园内外人满为患、车辆混杂，严重影响了教学生活秩序。本案充分利用原演武运动场地下空间，兴建厦门大学访客中心，建不少于2 000个车位的地下车库，同时引入台湾“诚品书店”等相关教育科研配套设施，对目前混乱的人流和车流进行有序的引导和组织，恢复校园往日的宁静。地下室顶板地面恢复建设标准南北向田径运动场，解决原演武运动场东西朝向的问题，完善厦门大学师生体育运动设施。新建面朝厦门湾的南大门，形成南大门-嘉庚雕像-群贤楼为中心的校园主轴，恢复校主陈嘉庚“面朝大海”的建校规划。

1 工程概况

“厦门大学访客中心”位于厦门大学演武校区，总建筑面积10.6万m2，地下2层，其中地下1层局部设夹层，地下室总高度13.2m。地面建筑为南大门、司令台、出入口等，建筑层数一层～二层，建筑高度3.5m～8.4m。

结构设计使用年限50年，建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为乙类，所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组：第二组，场地类别：II类、III类；50年一遇的基本风压：0.80kN/m2，地面粗糙度：B类。建筑总体鸟瞰图(图1)。

2 结构设计难点

项目位于厦门演武校区核心地带，场地北侧为全国重点文化保护单位-厦大群贤楼群，场地东侧为“南方之强”石刻和国立厦门大学第一任校长萨本栋墓，场地西侧为游泳馆、体育馆，场地南侧为干休所和海洋三所。项目与周边建筑的关系十分紧密，且在地下室深度范围内有较厚的淤泥，要求地下室开挖、土体变形、施工噪音等不能对周边建筑和正常的教学、生活造成影响。同时校方要求地下室顶板要在2016年9月前恢复使用，施工工期仅10个月左右，仅土方开挖量预计多达70万m3，对设计方案和施工组织设计均提出较高的要求。该项目位于海边，受海水和海潮直接影响，地下室抗浮设计和防水设计是该项目的重点、难点。本文试图探讨以上结构设计的难点，希望能对城市地下空间开发利用等类似工程的设计提供借鉴。

3 结构体系

该工程地下室底板位于地面以下13.2m，但场地东侧为开放式下沉广场，场地南侧为双向7.7m宽的车道，场地西侧顶板沿外墙设采光井和楼梯间等，以上三侧地下室外围无剪力墙或剪力墙与主体结构无法形成完整体系。场地北侧地下室外墙为完整的连续剪力墙，剪力墙分布很不均匀。地下一层平面图(图2)。

结构体系确认存在如下难点：

(1)该工程定性为地下室或上部结构？是否需要考虑抗震设计？

(2)若需考虑抗震计算，结构体系定性为框架或框剪结构？是否需要控制结构楼层位移比<1.5？为控制结构位移比<1.5需增设较多剪力墙，对原建筑方案的设计影响很大。

(3)场地南北两侧土体压力不平衡，且场地北侧淤泥层厚度达10m左右，不具备做永久性基坑支护的条件，结构设计如何考虑？

针对以上问题，咨询福建省施工图审查中心专家，专家认真查阅图纸后认为：

(1)该工程虽然地下室三面开敞，但均位于地面以下，在地震作用下，主体建筑与土体共同运动，因此仍可定性为地下工程。

(2)结构定性为框架结构，北侧地下室外墙带入结构整体计算，并在南侧和东侧楼梯间增设少量剪力墙，以控制结构刚度不平衡。为保证结构的安全性，整体计算考虑抗震作用，结构位移比可放松至1.6，其余各项指标应满足《建筑抗震设计规范》要求。

(3)考虑该工程南北方向长度207m，结构整体刚度较大，且场地北侧基坑支护采用灌注桩+大直径旋喷锚索支护+止水帷幕，可卸掉部分土体压力，主体结构可以抵抗南北两个方向土体压力差。北侧外墙土压力计算中可以考虑基坑支护与外墙的共同作用，按静止土压力乘以0.66计算[1]。

4 基坑支护

该项目基坑呈规则四边形，面积约48 110m2，主体区域开挖深度14.10m～17.50m，基坑支护结构安全等级为一级。场地东侧局部剖面图如图3所示。基坑支护结构设计面临着周边环境对变形要求严格、地下水与海水连通、场地淤泥深厚、支护结构可用空间狭小、开挖深度大等一系列问题。

该工程设计充分考虑基坑周边建筑物及道路的超载以及水压力对基坑围护结构的影响，在保证围护结构自身的安全稳定性的同时，还着重考虑老旧建筑及管网抗变形能力差的特性，加强了控制变形的考量，计算过程中对控制变形提出了更高的要求，支护结构水平位移控制在25mm之内。

北侧基坑支护属临时性支护结构，采用灌注桩+高压旋喷扩大头预应力锚索支护；南侧基坑外紧邻大学路，采用内双排桩+外单排灌注桩+预应力锚索组合支护型式，待内双排桩达到设计强度并对外单排桩形成有效支撑后，拆除预应力锚索，双排桩顶后期将铺设成连通下沉广场内外的车道。

东侧采用灌注桩+预应力锚索支护，结合桩顶自然放坡，自然放坡的范围后期将由景观设计改造为人工草坡；西侧基坑外为体育馆及游泳馆，场地淤泥深厚，地质情况变化剧烈，垂直支护高度为15.3m。受体育馆、游泳馆桩基的影响，灌注桩+锚索支护型式不能采用，而下沉广场在西侧设置一系列采光天井又决定了灌注桩+钢筋砼内支撑型式不能采用，因此考虑采用双排桩悬臂支护。经试算，在现有地质条件下，双排桩悬臂支护型式在高度大于8.5m以上就出现配筋率过高、支护结构变形过大等问题。综合考虑，西侧双排桩悬臂支护8.4m，桩顶6.9m高度在开挖期间为卸土高度，双排桩内部及墙背采用水泥土搅拌桩地基改良，坑内被动区土体采用水泥土搅拌桩加固。后期在双排桩顶浇筑5.65m高与桩同宽的钢筋砼空箱结构，以减少回填土压力。最后形成永久性支护结构剖面图，如图5所示。

目前基坑已经开挖至设计标高，基坑顶最大水平位移12mm，群贤路路面最大竖向沉降20mm，基坑变形值较小且趋于稳定，基坑支护效果良好。

5 抗浮与防水设计

该工程南侧局部离海边最近的距离不到200m，根据地勘和施工开挖发现，地下水与海水有直接的水力联系。拟建场地所处位置及近年来当台风遇天文大潮时，厦门大学校园内出现海水倒灌，海水淹没校园较多区域，特别是2015年9月份受台风“杜鹃”的影响，本场地所处区域大部分地区浸水50mm左右。而该工程主体大部分位于地面以下，且场地东、西、南三侧顶板均为开口段，场地东侧剖面，如图3所示。地下室顶板中部分布较多楼梯和采光井、通风口，处理不慎极易造成海水倒灌涌入地下室。同时该工程主体工程为2层地下室，基本无上部结构压重，抗浮设计水头高度14.5m，因此抗浮与防水设计是该工程的重点和难点。

根据地勘报告：“考虑本工程地下室抗浮设防水位建议按历年最高潮位4.50m(1985国家高程基准)考虑”。结合厦门轮渡码头地下室和厦大周边地下室防水设计经验，为确保该工程在天文大潮下不被海水倒灌，该工程抗浮设计水位确定为4.80m(1985国家高程基准)，所有地下室顶板开口段，出入口处地面标高均不低于4.80m。

场地北侧基坑支护为临时支护，地下室外墙墙厚取500mm；场地东、西、南三侧为永久性基坑支护，围护桩外侧4.5m宽范围内做止水帷幕，结合300mm厚地下室外墙防水，节点做法详见图6。

根据地勘报告，场地西北角和中部中风化花岗岩层埋深较大，该区域采用旋挖桩基础，桩径1 200mm，有效桩长12m～20m，单桩抗拔承载力特征值取2 000kN；其他区域中风化岩面埋深较浅，在底板标高处，地基土为全风化花岗岩或砂砾状强风化岩，基础采用筏板基础加抗浮锚杆，锚杆孔径180mm,锚杆长度6m～12m，锚杆抗拔承载力特征值为250kN。

采用旋挖桩与抗浮锚杆结合的基础，旋挖桩可与围护桩同步施工，工程桩与围护桩在3个月内完工。后期可根据后浇带位置，分块开挖土方施工抗浮锚杆，两种工序穿插进行，加快施工进度。

6 (装配箱)现浇混凝土空心楼盖设计

该工程地下一层夹层、地下一层、地下二层层高分别为4.10m、3.40m、5.05m。扣除设备高度，地下室顶板预留给结构构件的高度仅350mm，地下一层夹层、地下一层预留给结构构件的高度仅450mm。地下室顶板采用大板+主梁楼盖体系，顶板板厚350mm，主梁梁高650mm～750mm，主梁上反至板底平；地下一层夹层和地下一层楼板拟采用现浇空心楼板体系。

目前，空心楼板主要有装配箱空心楼盖和薄壁方箱空心楼盖两种体系。装配箱混凝土空心楼盖是由预制箱体与现浇混凝土肋梁结合形成梁板合一的整体；预制箱体由预制的钢筋混凝土顶板、底板及由硬质材料制作的侧壁筒3个部件组装而成[3]。装配箱空心楼盖结构剖面如图7所示：

薄壁方箱空心楼盖是在现浇混凝土楼板内置薄壁箱体组成的楼盖体系，薄壁箱体是由聚苯与玻璃纤维网布制成或塑料制成。薄壁方箱空心楼盖结构剖面如图8所示。

装配箱空心楼盖和薄壁方箱空心楼盖两种体系对比，如表1所示。

表1 装配箱空心楼盖和薄壁方箱空心楼盖对比表

综上所示，该工程地下一层夹层、地下一层楼板采用装配箱空心楼盖。箱体底板厚度≥40mm,箱体顶板厚度≥20mm，箱体底板四周设剪力齿，剪力齿间距100mm。顶部现浇层楼板厚度80mm，肋梁截面尺寸150mm×450mm。结构断面如图9所示 。

计算采用上海佳构STRAT6.0建筑结构软件，采用有限元直接设计法进行竖向荷载作用下的内力计算，在竖向均布荷载作用下柱支承楼盖按弹性分析得到的楼盖内力，在每个方向上正负弯矩之间调幅均不超10%。箱体的顶板或底板可作为肋梁的受压翼缘参与工作，结构内力分析时，将肋梁视为工字形截面，上、下翼缘的宽度为肋梁宽度与12倍翼缘厚度之和。楼盖区与框架柱的节点 采用实心现浇柱帽，尺寸2.5m×2.5m。楼盖节点受冲切承载力计算和构造要求应符合《混凝土结构设计规范》GB50010相关规定，节点核芯区受剪承载力的计算和相关设计要求应符合《建筑抗震设计规范GB50011》的规定，并应验算楼盖的挠度和肋梁、框架梁的裂缝宽度。

7 超长结构设计

该工程地下室平面尺寸为238mx203m，长度远超《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[2]第8.1.1条的要求，属超长结构地下室。底板厚度800mm～1 000mm，属大体积混凝土。为防止混凝土温差变化和混凝土收缩效应造成的开裂，该工程采取如下措施：

(1)设置后浇带，后浇带间距<55m。共计X方向设置3条后浇带，Y方向设置4条后浇带，整个平面划分为22个区块。

(2)大体积砼浇筑宜采用分段、分层施工，每层厚度约500mm～700mm。砼要求全部振捣到位，避免漏振、欠振、过振，控制振捣时间，使砼开始返浆和冒气泡为准；插点间距为300mm～400mm，插入到下层尚未初凝的混凝土中约50mm～100mm，保证接合面的砼密实。砼表面处理应进行二次收浆压实，排除砼收水裂缝。

(3)采用低水化热水泥，并在保证强度前提下，适度掺加粉煤灰(粉煤灰应符合二级品的要求)，以增加和易性及减少水泥用量。地下室底板梁板混凝土强度等级采用60天强度指标。

(4)地下室顶板因长时间暴露在外,受天气等环境因素影响大，常出现开裂现象。地下室顶板后浇带封闭后，应及时覆土回填，覆土层厚度1.5m～1.8m。

(5)提高楼板配筋率，顶板、底板采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不小于0.25%，钢筋选用细而密，有利于控制裂缝。

(6)场地东侧为地下室开口段，该部分地下室顶板梁、板为露天结构，受温度变化影响较大，对该部分楼板计算温度应力作用。采用PMSAP计算温度作用,根据《建筑结构荷载规范GB5009-2012》厦门市基本气温最高35℃，最低5℃，温度计算作用时，结构初始平均温度取值为：TO,min=10℃，TO，max=20℃。施工时要控制后浇带浇筑合拢时的温度，尽量减小合拢温度与低温时的温差，温度控制在10℃～20℃之间。

依据图10、图11，计算所得楼板最大压应力480kPa,即0.48MPa，远小于楼板的混凝土抗压强度设计值fc=19.1 MPa。楼板最大拉应力600kPa,即0.60MPa，需设置温度应力筋抵抗温度变化产生的拉应力，板筋为正常使用下的板筋面积和温度作用下的附加板筋面积叠加后配置。考虑降温作用下的最大拉应力为600kN/m2,全部由板筋承担，每米宽度内折算为板筋为292mm2,即跨中板面配置的通长钢筋不小于292mm2,；支座及板底跨中处，考虑温度作用的组合系数0.6后为175mm2，正常使用下的板筋面积与温度作用下的附加板筋面积(175mm2)叠加配置，支座处实际配置为通长钢筋+附加筋。

8 结论

(1)该工程体量大、施工工期短、场地条件复杂、与周边建筑关系紧密，设计与施工组织设计应综合考虑建筑功能、施工速度、结构安全等，达到综合效益最大化。

(2)基坑支护应紧密结合场地地质条件，分区块采用永久性支护和临时性支护，确保基坑支护的安全。

(3)该工程毗邻海边，设计应充分考虑海水倒灌措施，并对工程的防水设计和抗浮设计细致考虑。

(4)装配箱混凝土空心楼盖具有节约层高、减少结构自重、施工速度快、施工质量可靠等优点，在非防水部位的地下室楼盖中应用有较明显的优势。

(5)超长结构地下室设计应充分考虑抗裂措施，并对温差较大的区域计算温度应力。

[1] 全国民用建筑工程设计技术措施，结构(地基与基础)[S].中国建筑标准设计研究院.2009.

[2] GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] JGJ/T 207-2010 装配箱混凝土空心结构楼盖技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

Structural Design of Visitor Center in Xiamen University

CHENYuehui

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co, Ltd. Xiamen 361004)

The visitor center locates in Xiamen University, a lot of difficulties exist in the its structural design, such as thick silt layer, deep excavation, high anti-float water level, super-long crack resistance. A series of measures have been adopted to resolve these difficulties, the measures include rational determination of structural system and supporting scheme, foundation pit supporting and main body structure connected water proof system, rotary pile and anti floating anchor combined anti-float scheme. For the super -long structural member, in order to resist the crack, the post pouring belts have been set, the open section floor section’s temperature stress has been calculated. What’s more, the assembly box concrete hollow floor has been designed to assure the floor’s net height for the basement,to maximize the comprehensive benefits.

Retaining and protection for excavations; Anti-float design; Super-long structure；Assembly box concrete hollow floor

陈跃辉(1977.10- )，男，高级工程师。

E-mail:45010214@qq.com

2016-08-08

TU318

A

1004-6135(2016)11-0039-06