珠海拱北口岸擴(kuò)建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

李巨民 張?zhí)官t

(1．珠海市建筑設(shè)計院，珠海519000;2．上海同華特種土木工程有限公司，上海200092)

1 工程概況

珠海拱北口岸出入境聯(lián)檢大樓地處珠海市香洲區(qū)拱北繁華地段，與澳門關(guān)閘緊密銜接，是我國對外交往的主要門戶之一，座落于珠海市迎賓南路的南端。大樓北臨口岸廣場，南接澳門關(guān)閘，東鄰情侶南路與海相望，西通昌盛路。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及時代的變遷，出入境人流逐漸增多，原有聯(lián)檢大樓規(guī)模已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求，政府決定在原聯(lián)檢大樓的兩側(cè)各擴(kuò)建一座三層聯(lián)檢樓，與原有大樓共同組成全長約313 m的三段式聯(lián)檢大樓。

擴(kuò)建工程總建筑面積約為4．3萬m2，地上三層，地下一層，地下室面積約1．0萬m2。擴(kuò)建工程分為入境樓和出境樓兩棟幾乎對稱的獨(dú)立單體，地上三層，層高分別為6 m、6 m、4．5 m。地下室層高為4．9 m，頂板局部覆土0．6 m。地下室局部為平戰(zhàn)結(jié)合的六級人防地下室，其他部分均為停車庫。工程建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為一級，在設(shè)計考慮的環(huán)境類別中的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本加速度值為0．10 g，設(shè)計地震分組為第一組，場地土的類型屬于軟弱場地土土，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期為0．45 s。地基基礎(chǔ)的設(shè)計等級為甲級。

本工程主體高度20．10 m，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)，取50年一遇的基本風(fēng)壓W0=0．85 kN/m2，結(jié)構(gòu)地面粗糙度為B類，重要性系數(shù)取1．1，風(fēng)荷載體型系數(shù)為1．3。

圖1 拱北口岸擴(kuò)建工程效果圖Fig．1 Gongbei phase II project rendering

圖2 工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件三維透視圖Fig．2 Structural 3D perspective

2 基礎(chǔ)設(shè)計

2．1 場地工程地質(zhì)及地下水概況

場地范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上而下分述如下:

(1)人工填土層:①素填土1:成分為花崗巖殘積土，褐黃色，不均勻，含較多建筑垃圾，局部有填石，稍濕，欠壓實(shí)。該層分布不連續(xù)，多分布于入境聯(lián)檢樓處，層厚 3．0 ～7．50 m，平均 4．88m，層頂標(biāo)高4．51～6．21m。②素填土 2:成分為粉砂，褐黃色，稍密，飽和，不均勻，組分為石英為主，較純凈。該層分布基本連續(xù)，多分布于出境聯(lián)檢樓處，層厚3．6 ～11．50 m，平均 6．85m，埋深 0 ～4．50 m。

(2)海陸交互相沉積層:①淤泥:灰黑色，很濕—飽和，流塑。②粉質(zhì)黏土:褐黃色，淺紅色，可塑，飽和，不均勻。③粗砂:灰色，褐黃色，稍密，飽和，不均勻，成分以石英為主。④礫砂:褐黃、磚紅色，中密，飽和，不均勻，礫石多呈棱角狀，成分以石英為主。該層分布于整個場地，層厚1．30～10．80 m，平均 4．86 m，層頂標(biāo)高 -30．82～ -19．16 m。

(3)殘積土層:花崗巖殘積土，褐黃色，磚紅色，組分為黏土和石英礫砂，不均勻，巖芯呈長柱狀。很濕—飽和，可塑。該層分布于整個場地，厚度2．00 ～8．90 m，平均5．68 m，層頂標(biāo)高 -33．62～ -24．04 m。

④燕山三期花崗巖:①全風(fēng)化花崗巖:褐黃色、肉紅色、磚紅色，原巖結(jié)構(gòu)可辨，巖芯呈土柱狀，很濕—飽和，硬塑。該層整個場地均有分布，厚度 4．50 ～11．40 m，平均 6．64 m，層頂標(biāo)高-38．05～-29．43 m。②強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:褐黃色、淺肉紅色、磚紅色，具花崗巖原巖結(jié)構(gòu)，巖芯半巖半土狀，局部呈砂狀。該層在整個場地均有分布，未揭穿，揭露厚度 7．50 m ～16．40 m，平均11．0 m，層頂標(biāo)高 -44．32 ～ -35．35 m。

場地地下水位埋深為0．95～3．60m，隨季節(jié)性變化較顯著。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中等腐蝕。設(shè)計對混凝土結(jié)構(gòu)采取一級防護(hù)措施，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋通過控制混凝土的裂縫等級和提高混凝土防滲等級等措施進(jìn)行防護(hù);對水下鋼結(jié)構(gòu)的表面采取涂料層及腐蝕介質(zhì)隔離的方法進(jìn)行防護(hù)。

巖土勘察報告中未提供明確的抗浮設(shè)計水位，根據(jù)勘察期間地下水位高度及結(jié)合水位變化隨季節(jié)變化顯著的特點(diǎn)，并參照廣東省地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范相關(guān)條款，設(shè)計時設(shè)防水位按室外地坪標(biāo)高取值。

2．2 工程基礎(chǔ)設(shè)計及施工疑難問題的處理

拱北口岸一期工程基礎(chǔ)采用灌注樁，但當(dāng)時預(yù)制高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁在珠海地區(qū)的使用尚未普及。根據(jù)在類似地質(zhì)條件的工程經(jīng)驗(yàn)，考慮經(jīng)濟(jì)性能和施工進(jìn)度，拱北口岸擴(kuò)建工程初始設(shè)計采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，以強(qiáng)風(fēng)化巖作為樁端持力層。樁徑D550×125(主樓柱位)和D400×95(地下室柱位)，抗壓承載力特征值分別為2 600 kN、1 400 kN，抗拔承載力特征值分別為600 kN、350 kN。考慮到地質(zhì)資料顯示個別鉆孔粗砂層和礫砂層的復(fù)合層厚較大，采用靜壓預(yù)制管樁施工有可能不能穿過砂層到達(dá)持力層，故要求選擇厚砂層位置設(shè)非工程樁進(jìn)行試樁，當(dāng)靜壓樁不能穿過而到達(dá)持力層時，考慮引孔等措施，以取得沉樁參數(shù)，指導(dǎo)工程樁的施工。

實(shí)際施工時由于工地條件的限制和工期壓力，施工單位直接進(jìn)行入境樓工程樁的施工。施工不到入境樓三分之一樁數(shù)的時候，已發(fā)現(xiàn)多個樁在改為錐型樁尖和加大配重和壓力后仍不能穿透砂層。處理措施曾考慮采用長螺旋樁引孔后再進(jìn)行樁施工。由于工期要求及引孔費(fèi)用較高，而場地距離民居和辦公樓較遠(yuǎn)，經(jīng)批準(zhǔn)后改用錘擊沉樁。經(jīng)錘擊試樁比較，采用D500×125樁型效果最為理想。根據(jù)試樁結(jié)果，主樓及地下室基礎(chǔ)均改為D500×125樁型，單樁抗壓承載力特征值為2 300 kN，單樁抗拔承載力特征值為550 kN。最后施工情況表明修改后的工程樁均達(dá)到持力層。

針對已施工未能達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化巖持力層的樁位，對主樓框架柱位置，主要采取補(bǔ)樁措施處理;而對軸力較小位置及地下室柱位，在對樁端持力層為砂層的樁經(jīng)復(fù)核計算后采取降低承載力取值和結(jié)合補(bǔ)樁措施進(jìn)行處理。

經(jīng)樁基靜載驗(yàn)收檢測，對應(yīng)于承載力特征值時的樁基沉降在5～10 mm之間，效果良好。

3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3．1 主體結(jié)構(gòu)選型的概念設(shè)計

擴(kuò)建工程的出境樓和入境樓的平面尺寸均約為60 m×100 m。由于建筑空間使用功能要求，地面以上大部分區(qū)域跨度較大，柱網(wǎng)稀少，柱網(wǎng)尺寸為19．2 m ×18 m，層高也較高分別為6．0 m、6．0 m和4．5 m，且建筑專業(yè)要求長向不設(shè)縫。如采用純框架結(jié)構(gòu)，初步結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)剛度較柔，抗震能力儲備較小?？紤]到結(jié)構(gòu)的重要性及抗震設(shè)防類別為乙類，主體結(jié)構(gòu)改為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。但剪力墻受建筑功能的限制只能布置于樓梯間處，剪力墻距離較大，剪力墻的數(shù)量偏少。由于柱網(wǎng)跨度較大，且為多層結(jié)構(gòu)，考慮經(jīng)濟(jì)及方便施工，框架梁采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系，以減小梁高度并增加框架的抗裂性能?？蚣苤瓟M采用鋼骨混凝土柱，后考慮施工工期和當(dāng)?shù)厥┕挝坏募夹g(shù)條件，采用普通鋼筋混凝土柱。

地下室結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)加密為9．6 m×9．0 m，為增加停車庫的凈空，預(yù)留可作為雙層機(jī)械車庫的功能，地下室頂板采用現(xiàn)澆空心樓蓋平板結(jié)構(gòu)。地下室底板采用普通梁板的防水板體系，控制工況為水浮力。

針對大跨度柱網(wǎng)部分的樓蓋結(jié)構(gòu)，考慮樓蓋結(jié)構(gòu)跨度較大及結(jié)構(gòu)超長未設(shè)縫為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗裂性能，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力井字梁體系。

3．2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介

3．2．1 主要構(gòu)件尺寸及混凝土強(qiáng)度等級

如上所述，本工程采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力稀柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，主要柱網(wǎng)尺寸為19．2 m×18 m，邊跨為9．6 m×9 m，屋蓋在邊跨外為下斜懸挑約5 m和三層上斜懸挑結(jié)構(gòu)形成三角形飛檐結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)三維軸測圖如圖2所示。設(shè)計柱斷面大跨度處為1 100 mm×1 100 mm，一般柱斷面為800mm×800 mm、D800(建筑立面要求)?？蚣芰嚎缍?9．2 m，截面為800mm ×1 300 mm;次梁采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力井字梁，截面為300 mm×900 mm。剪力墻布置于幾個疏散樓梯和電梯間處，墻厚400 mm。

柱、剪力墻混凝土等級為C45，梁板混凝土強(qiáng)度等級為 C40?？蚣芰?、柱均采用三級鋼HRB400，有粘結(jié)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用7￠5—1 860級低松弛鋼絞線。樓板采用二級鋼HRB360。

框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級。

地下室頂板結(jié)構(gòu):采用現(xiàn)澆空心樓蓋結(jié)構(gòu);非人防區(qū)板厚400 mm，內(nèi)模D250間距350，暗梁為1 000 mm×400 mm，空心率約為35%;人防區(qū)板厚600 mm，內(nèi)模D400 mm間距500 mm，暗梁為1 000 mm×600 mm，空心率約為41%。

3．2．2 結(jié)構(gòu)分析主要結(jié)果

結(jié)構(gòu)分析采用 SETWE程序進(jìn)行，采用PMSAP和GSSAP程序作為校核對比。考慮到地下室頂板采用空心樓蓋體系，以及地下室高度范圍內(nèi)的土層較為松散、軟弱，結(jié)構(gòu)計算模型的嵌固端取地下室底板面。SETWE主要計算結(jié)果如表1所示。PMSAP和 GSSAP的計算結(jié)果與SATWE均很接近，反映出計算模型合理。PMSAP和GSSAP的計算結(jié)果不再列出。

3．3 結(jié)構(gòu)設(shè)計采取的加強(qiáng)措施

3．3．1 抗震措施的加強(qiáng)

本工程地面以上柱網(wǎng)疏稀，跨度較大，剪力墻數(shù)量也較少，針對此特點(diǎn)在結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造方面采取了以下幾項(xiàng)加強(qiáng)措施:

首先，高校教務(wù)管理人員要做好自我情緒管理[4].高校教務(wù)管理人員的工作時間長且繁瑣量大，所以自身的情緒管理也是特別應(yīng)該注意的一個問題.很多畢業(yè)生忙于參加招考和就業(yè)，時常不在學(xué)校，高校教務(wù)管理人員難以及時與其進(jìn)行面對面的溝通，有時甚至根本找不到人，但是有些重要的事情又必須通知到畢業(yè)生本人；這個時候高校教務(wù)管理人員容易有一些負(fù)面情緒出現(xiàn)，甚至影響工作的開展.因此，高校教務(wù)管理人員一定要做好自我情緒管理，應(yīng)具備自知、自控、自勵、通情達(dá)理與和諧相處等方面的能力.

(1)框架柱。本工程為多層建筑，采用純框架結(jié)構(gòu)時計算結(jié)果表明尚能滿足抗震(小震計算)、抗風(fēng)要求。考慮到結(jié)構(gòu)的重要性和結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計計算后，在框架柱設(shè)計時參照了純框架模型的計算結(jié)果，采用適當(dāng)提高柱縱向配筋率、柱全高加密箍筋，并針對主框架的大截面柱(1 100 mm×1 100 mm)設(shè)400 mm×400 mm芯柱，以提高框架柱的延性和抗震安全儲備。

(2)剪力墻。本工程剪力墻數(shù)量較少，距離較大，因此加強(qiáng)剪力墻構(gòu)件的抗剪能力和延性十分重要。設(shè)計中加厚了剪力墻厚度、加強(qiáng)了暗柱配筋，對較長的剪力墻開洞設(shè)計為聯(lián)肢墻，加強(qiáng)了連梁的箍筋等。

(3)維護(hù)結(jié)構(gòu)。由于層高較高(6 m)，維護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震必須重視。設(shè)計中在半層高度處設(shè)了圈梁與構(gòu)造柱形成了很好的約束構(gòu)架，以增強(qiáng)維護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時在結(jié)構(gòu)長向也增強(qiáng)了平常使用時的抗裂性能。

表1 結(jié)構(gòu)計算分析主要結(jié)果Table 1 Results of structural analysis

3．3．2 結(jié)構(gòu)超長的處理措施

由于結(jié)構(gòu)框架梁和次梁均采用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，對超長結(jié)構(gòu)在使用階段非常有利。設(shè)計中采用了SAP2000程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度應(yīng)力分析(常年溫差下)，經(jīng)比較，樓蓋結(jié)構(gòu)溫差下溫度應(yīng)力拉應(yīng)力值小于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的平均壓應(yīng)力。

3．3．3 斜屋面大跨度懸挑梁的計算和設(shè)計

本工程三樓和屋面均有約5 m的外挑結(jié)構(gòu)，且上下層相連接形成了屋面和挑檐。由于SATWE程序不能完全真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，故計算時采用了PMSAP、平面框架計算程序PK(形成單榀框架)進(jìn)行了補(bǔ)充計算。在構(gòu)件構(gòu)造設(shè)計中將內(nèi)連的預(yù)應(yīng)力框架梁的少量預(yù)應(yīng)力束伸出在挑梁中部布置施加預(yù)壓應(yīng)力，以加強(qiáng)屋面結(jié)構(gòu)在超長及保溫性能較弱條件下的抗裂性能。

3．4 與原有建筑及構(gòu)筑物關(guān)系的處理

3．4．1 新舊地下室的銜接

本工程地下車庫設(shè)出入通道擬與口岸廣場地下坡道相連，同時地下室要考慮與將來西側(cè)輕軌站綜合樓地下停車場的連接。設(shè)計時在原地下室確定預(yù)留洞口的地方在洞口周邊做加強(qiáng)構(gòu)造措施，洞口豎向兩側(cè)設(shè)置端柱，水平方向加設(shè)邊框梁。新建通道與預(yù)留洞口及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)結(jié)構(gòu)縫，確保成為兩個獨(dú)立受力單元，減小新建結(jié)構(gòu)對原有結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響。

3．4．2 地下管溝

拱北口岸北面與口岸廣場間存在一條貫穿東西的管溝，該地下管溝截面尺寸約2．5 m×2．5 m，為混凝土地下管溝，該管溝布置了給排水、空調(diào)、強(qiáng)弱電等各種管線，是聯(lián)系拱北口岸各功能樓的主動脈。針對車道上方貫穿管溝的問題，首先查驗(yàn)清楚原管溝的基礎(chǔ)形式，確認(rèn)為天然基礎(chǔ)，故在施工車道時必須確保車道上方支撐的穩(wěn)定性，和確保車道上方與管溝基礎(chǔ)之間的合理距離，對車道上方的管道側(cè)壁與基礎(chǔ)作適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，減少管道基礎(chǔ)的附近應(yīng)力，避免管溝產(chǎn)生不均勻沉降而拉裂。設(shè)計車道頂板的時候考慮基礎(chǔ)附加應(yīng)力的影響，避免破壞原管溝結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計

4．1 結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計目標(biāo)

為進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)在大震下的反應(yīng)，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的抗震能力儲備，保證本工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計超過規(guī)范中三水準(zhǔn)設(shè)防的要求，設(shè)計中參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(注:《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》相對《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》更易控制和明確)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計。根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，擬定抗震性能目標(biāo)為不低于D級，即可描述為“小震彈性無損壞、中震輕微損壞、大震較重?fù)p壞”。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各水準(zhǔn)下震后性能狀況和層間位移角控制指標(biāo)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)Table 2 Structural seismic performance objects

4．2 大震Push-Over分析結(jié)果

采用PUSH程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力彈塑性推覆分析。主要結(jié)果簡述如下:

(1)最大彈塑性層間位移角。大震作用下性能點(diǎn)處的最大彈塑性層間位移角為X向1/392、Y向1/426，均小于1/120。符合性能目標(biāo)的要求，且距離倒塌仍有很大的安全富余度。

(2)結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)。大震作用下的彈塑性分析表明，框架巨柱始終處于彈性狀態(tài)，普通框架柱個別輕微進(jìn)入塑性，表明第二道抗震防線安全可靠，以確保結(jié)構(gòu)不倒塌;剪力墻破壞較為嚴(yán)重，屬于彎曲型和剪切型復(fù)合破壞模式，表明有必要加強(qiáng)剪力墻的延性。在施工圖設(shè)計時采取了相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

5 結(jié)語

綜上所述，珠海拱北口岸擴(kuò)建工程采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力稀柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力井字梁大跨樓蓋、地下室頂板采用現(xiàn)澆空心樓蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計;通過較合理的基礎(chǔ)選型以及在基礎(chǔ)施工過程中的疑難問題處理;針對結(jié)構(gòu)超長以及新舊建筑物銜接處的處理;以及采用性能設(shè)計的方法和相應(yīng)的抗震加強(qiáng)措施;在較好地滿足了建筑空間功能需要的同時，具備了較好的經(jīng)濟(jì)性、施工技術(shù)適宜性和施工效率，得到了建設(shè)單位和施工單位等方的認(rèn)可。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)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］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)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］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)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)