广场地下车库的结构设计分析

杨玉梅

1 工程概况

某广场地下车库紧邻国道及繁华大道,有2条地铁线从车库下面穿过,总长213 m，总宽190 m，为地下三层（局部仅有地下一层）的纯地下结构，总建筑面积85 683 m2。地下三层层高4.6 m，地下二层层高4.6～6.4 m不等，地下一层层高5.6 m。地下三层和地下二层主要功能为战时人防，平时为地下停车库。地下一层主要功能为换乘及商业厅。地下室顶板覆土厚度不小于1.8 m，地面主要是景观城市广场，其中东西方向有两跨为城市道路。地下一层为实现采光、通风等要求，顶板需要大面积开洞。

该工程地质情况：杂填土①层、粘土②层、粘土③层、全风化泥质砂岩⑥层、强风化泥质砂岩⑥1层，为建筑抗震有利地段，场区内地下水类型为上层滞水。抗浮设计水位标高为绝对标高25.80 m。场地抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.10 g[1]，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，设计特征周期为0.35 s。

根据建筑功能要求，地下三层部分和地下一层部分连为一个整体，中间不设变形缝。该工程±0.000相当于绝对标高36.978 m。基础形式：地下三层部分采用考虑桩土共同作用的复合桩筏基础，筏板底标高-26.200 m；地下一层部分采用天然地基、梁式筏板基础，筏板底标高-16.600 m。地下二层、地下三层兼顾人防，防护等级为核6B。

该工程建筑抗震设防类别为乙类，地基基础设计等级为甲级，主体结构安全性等级为一级，建筑设计使用年限50年，结构重要性系数1.1。

地下车库主体结构采用钢筋混凝土框架结构，框架抗震等级：三级。标准跨为9 m×9 m，楼屋盖采用不设次梁的双向板楼盖。局部大跨12 m和14 m，采用单向密肋楼盖，局部地下一层抽柱部位，采用井字梁楼盖。

该工程整体计算使用SATWE、JCCAD整体建模进行计算分析，温度应力采用SAP2000进行计算分析，并采用PMSAP进行校核。

地下车库主体建筑的标准轴网尺寸为双向9 m×9 m，根据跨度及荷载情况确定截面尺寸如表1。

表1 结构构件截面尺寸表Tab.1 Dimensions of structural members

2 温度作用的分析计算

该工程结构总长213 m，总宽190 m，未设置变形缝。结构长宽均远超过规范规定的地下室不设伸缩缝的最大间距，温度应力及混凝土收缩对结构的不利影响不容忽视，因此，对结构温度应力进行了详细的分析计算，并根据结果采取各种措施，减少结构超长带来的不利影响。

2.1 温度作用的确定

地下三层距离土体表面超过10 m，温度变化较小，因此不考虑地下三层的温度作用。由于地下一层顶板局部开大洞，而且在地下二层顶板设置了一些室外的外廊和景观，因此地下一层和地下二层的温度作用按室外混凝土结构和室内混凝土结构两种情况确定，温度作用按文献[2]中的计算方法确定。

1）该地区气温条件：

基本气温：最高37 ℃，最低-6 ℃。

平均气温：最高28.4 ℃，最低2.4 ℃。

温度后浇带浇筑温度取10～25 ℃。

对于室内结构，夏季室内外温差取10 ℃，冬季室内外温差取15 ℃。

2）室内混凝土结构：

温降时，水平构件变为拉弯构件开裂加剧，温度应力释放比温升时要多，可以对温降适当折减：

2.2 温度应力的计算

在结构上施加温度作用，地下二层整体按室内混凝土结构考虑，地下一层开洞裸露在室外部分按室外混凝土考虑，其余部分按室内混凝土结构考虑。采用SAP2000对结构的温度应力进行了计算。

1）温度作用下的楼板应力。对于楼板，在温降工况下，楼板中产生拉应力。根据地下一层、地下二层顶板的楼板在温降工况下的应力图，地下一层楼板的受拉温度应力一般在0.5～4.4 N/mm2，洞口角部一般存在应力集中现象，局部高达6.2～8.4 N/mm2。地下二层楼板的受拉温度应力一般在0.4～3.9 N/mm2，洞口角部局部高达4.2～8.2 N/mm2。地下一层、地下二层的顶板均采用预压应力2.0 N/mm2，局部应力高的部位采用普通楼板钢筋进行加强。

2）温度作用下的框架梁柱内力。M轴处楼板连续贯通，长度最长，且该处地下一层温度作用按室外混凝土结构取值，是温度作用影响最为显著的部位，因此以M轴为例，分析温度作用对梁、柱的影响。在温升状态下的边柱，由于温升引起的附加弯矩与竖向荷载下的柱弯矩同号叠加[2]，是对框架柱最不利的影响。轴边跨的框架柱在温升工况下的弯矩为1 697 kN·m。

当为温降时，在建筑中部框架梁中产生较大的轴拉力，使梁成为拉弯构件[2]，这种情况下，对框架梁最为不利。轴中段框架梁在温降工况下的轴力为4 009 kN，因此应按拉弯构件对梁进行配筋设计。

3）温度作用下的地下室外墙应力。在温降工况下，地下室外墙存在平面内的拉应力，根据其温度应力图，地下室外墙的受拉温度应力一般在2.3 N/mm2以下，局部区域达3.7～8.1 N/mm2。

3 结构超长应对措施

3.1 楼板温度预应力钢筋配置

由于结构超长，采用预应力能有效解决由于结构超长所带来的混凝土收缩、徐变及温度变化等一系列不利影响。地下一层、地下二层顶板采用无粘结预应力体系，后张法施工。

1根1 860N/mm2低松弛无粘结钢绞线φs15.2钢绞线的有效预加力为：

地下一层顶板厚度有400 mm和300 mm两种：

对于400mm厚的楼板，每米宽度的板截面面积A=400 000 mm2。

要建立的预压应力值σc=2.0 N/mm2，需要的预应力筋：

板内设置3φs15.2@500。

对于厚度为300 mm的板，同理可算出需要的预应力筋：

板内设置2φs15.2@450。

地下二层顶板厚度为250 mm，要建立的预压应力值σc=2.0 N/mm2，需要的预应力筋：

板内设置2φs15.2@500。

3.2 普通钢筋的加强措施

1）楼板普通钢筋。该工程的地下一层顶板（配筋率按0.20%）、地下二层（配筋率按0.25%）配置双层双向楼板钢筋。支座和跨中处钢筋不足处设置附加钢筋，地下一层、地下二层开洞部位角部存在应力集中，虽然设计采用预压应力2 N/mm2，板内尚存在1.8～4.4 N/mm2的应力，局部高应力的部位采用普通钢筋进行加强，400 mm厚的楼板上下层加20@100的钢筋网，250、300 mm厚的楼板上下层加16@100的钢筋网，使其局部温度裂缝变得细而密，不影响正常使用。

2）梁柱钢筋。根据计算分析，地下一层边柱、地下一层框架梁受温度作用影响较大，设计配筋时应综合考虑温度作用和预应力张拉对结构内力的影响，其温度内力值的影响应叠加到梁、柱的设计荷载组合中。根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，温度作用的组合值系数、频遇值系数和准永久值系数可分别取0.6 、0.5 和0.4 。荷载组合时，温度荷载与恒载、活载组合，采用PMSAP进行配筋设计。

由于框架梁内未设置预应力钢筋，对框架梁的腰筋进行了加强加密，其配筋率提高到0.4%，并按受拉锚固长度锚固，提高框架梁的轴向抗拉能力。

3）地下室外墙配筋。根据计算结果，地下室外墙的受拉温度应力大多数区域都小于混凝土的抗拉强度设计值，局部区域应力较大，采用设置预应力钢筋，加强墙体水平分布钢筋的方式，对该区域进行加强。此区域地下室外墙内预应力钢筋的计算方法与楼板相同。

3.3 其他措施

1）混凝土掺加聚丙烯纤维。在温度收缩应力较大的地下一层、地下二层梁板和地下室外墙的混凝土中掺入聚丙烯纤维（建议掺入量0.8～1.0 kg/m3），增加混凝土的极限抗拉强度和极限抗拉应变值。

2）混凝土原材料应采用低收缩、低水化热水泥，采用碎石骨料；顶板、侧墙均采用补偿收缩混凝土；同时严格控制混凝土外加剂的品种、质量和剂量，严格控制水灰比。

3）间距30～40 m设置温度后浇带，后浇带宽度0.8 m，后浇带内的混凝土在2个月后浇筑，浇筑时应用高一级强度的微膨胀混凝土浇筑，并且严格要求施工单位按照设计的后浇带合拢温度进行施工。后浇带封闭后，应及时回填符合要求的土体。

4）加强混凝土的养护，顶板保水养护时间不少于14 d。

5）地下一层顶板、地下二层露天部位设建筑保温层，延缓温度变化速率，减小室内外温差对结构的不利影响。

4 地基基础设计及抗浮计算

该工程地下一层部分基底标高为-16.000 m，地下三层部分基底标高为-26.200m，分别坐落于②、③粘土层，地基承载力特征值分别为220 kPa和250 kPa，天然地基可以满足结构的承载。综合考虑了上部荷载大小、地基承载力、抗浮水位等因素，基础采用筏板基础，地下三层部分采用桩筏基础。

由于该工程为三层纯地下室，抗浮水位绝对标高25.80 m，相当于相对标高-11.178 m，所以地下三层部分和地下一层顶板开洞部分，自重小于抗浮水位下的浮力，存在抗浮验算不足的问题。

1）地下一层局部抗浮问题。该工程东侧地下仅有一层，局部设置下沉广场，地下一层顶板开大洞，此处只有一块基础底板（底板跨度最大达到45 m）。由于基础底板以下是地铁的盾构区间，无条件设置抗拔桩或抗浮锚杆，只能采用自重平衡抗浮。后经与建筑专业沟通，在此范围的下沉广场将地面标高抬高，并结合景观效果，局部设置了土坡微地形，增加结构底板上的覆土来平衡水浮力。

2）地下三层部分抗浮问题。地下三层标准柱跨内的恒载约7 300 kN，加上底板自重及上面的建筑面层约2 500 kN，水浮力约12 800 kN，二者有3 000 kN左右的差值。恒+活标准值约为8 700 kN。地下室顶板开洞跨的自重与水浮力的差值约为6 900 kN。

如果采用抗浮锚杆解决抗浮问题，锚杆入强风化泥质砂岩⑥1层，长度约20m，单根锚杆的抗拔承载力特征值约为220 kN。经试算标准跨每跨约需要14根锚杆，顶板开洞跨每跨约需要32根锚杆。如此多的抗浮锚杆会破坏防水层的完整性，产生大量的漏水点，如果这些部位施工处理不当，就会存在很大的渗漏隐患。而且现行规范、图集缺少对于抗浮锚杆的防水构造方面的规定和做法，抗浮锚杆的设计、施工和检测也没有专门的规范。考虑到该工程的重要性，排除了使用抗浮锚杆的方案。

如果采用抗拔桩解决抗浮问题，同时柱下抗拔桩兼顾抗压，试算了600、800 mm两种桩径的桩基承载力，详见表2。以及在恒+活标准组合工况下和抗浮工况下的各种桩径的桩所需桩的数量，结果详见表3。由于抗拔桩为摩擦桩，显然采用相同混凝土体积下周长更大的小直径桩更加经济合理，因此采用600 mm直径的钻孔灌注桩作为抗拔桩。

另外，由表3可见，经过计算，在不考虑天然地基承载力的条件下，结构竖向荷载均传递给桩，标准跨的桩数为柱下抗压控制，仅部分地下室顶板开大洞处为抗拔控制。为了充分利用天然地基的承载能力，在设计抗压工况时考虑桩土共同作用，以减少桩的数量。

表2 试算桩基承载力特征值Tab.2 Pile foundation bearing capacity characteristic value

表3 所需桩数Tab.3 Required pile number

5 结语

该广场地下车库的结构设计应该考虑以下几点：

1）对于超长的大型地下工程，由于建筑使用功能及防水要求不设置变形缝，经过对结构的温度应力进行计算分析，结合各类结构构件的受力特点，采取针对性的加强措施。

2）结合该工程（天然地基承载力较高、地下水位较高）的具体情况，按抗浮工况控制布桩，采用考虑桩土共同作用的复合桩筏基础，可以同时满足抗浮、受压的要求，有效地节约了工程造价，经济效益明显。

3）在该工程的地质、荷载条件下，假定桩与筏板沉降协调一致，根据桩的刚度和地基土基床系数，得出桩、筏各自分担的上部结构荷载比例。

4）对于纯地下结构，抗浮验算水位一定要准确，对抗浮措施进行多方案比较，采用最为经济和有效的方法，达到缩短工期和节约成本的双赢效果[4]。

[1]GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[2]金新阳.建筑结构荷载规范理解与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2013:166.

[3]杨玉梅,王建,张连杰.广西丰林人造板项目压机基础的设计[J].林产工业,2014,41(4):39-40,43.