1 引言

南京某博物館項(xiàng)目位于南京市城南秦淮區(qū)，地下室為4層，一期地下建筑面積為22000m²，中部為博物館本體，周圍為商業(yè)部分，博物館本體與商業(yè)部分完全分離，如圖1和圖2。

本項(xiàng)目基坑采用逆作法施工，地墻采用“兩墻合一”，周邊區(qū)域結(jié)構(gòu)梁板代替水平支撐體系，中部設(shè)置臨時(shí)鋼筋混凝土圓環(huán)支撐體系，采用一柱一樁作為豎向支撐體系，有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

（1）由于地下室樓板大開洞，在梁板缺失區(qū)域設(shè)置臨時(shí)水平支撐；為便于取土和材料運(yùn)輸，基坑中部區(qū)域采用圓環(huán)支撐，如圖3。

（2）地下三層結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)底板間跨度大，且底板厚度較大，開挖階段地下三層結(jié)構(gòu)梁板與基坑底間距過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致地墻變形過(guò)大，故在地下三層結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)底板間設(shè)置第五道支撐，如圖4。

本基坑工程面積為7000m²，周長(zhǎng)377m，開挖深度為21.90m，依據(jù)本工程的地質(zhì)條件、開挖深度以及現(xiàn)行基坑支護(hù)規(guī)范，經(jīng)圍護(hù)設(shè)計(jì)單位計(jì)算，地墻厚度為1m。但當(dāng)臨時(shí)支撐和第五道支撐拆除后，地墻在永久使用階段的承載力、變形計(jì)算和裂縫計(jì)算是否滿足規(guī)范要求仍需要進(jìn)一步計(jì)算驗(yàn)證。另外，由于地下室結(jié)構(gòu)樓板中部區(qū)域大開洞和局部樓層缺失，樓板對(duì)地墻的水平約束是彈性，計(jì)算時(shí)支座約束允許發(fā)生水平位移，如果仍采用鉸接簡(jiǎn)化計(jì)算方法將是不安全的。

對(duì)于地下結(jié)構(gòu)，不僅承受常規(guī)的自重、覆土、人群及設(shè)備等豎向荷載，還需要同時(shí)承受來(lái)自水土的側(cè)向水平荷載。對(duì)無(wú)開洞樓板，一般認(rèn)為板的面內(nèi)剛度無(wú)限大，從而忽略水平荷載作用下的樓板結(jié)構(gòu)分析，僅考慮豎向荷載。但對(duì)于樓板大開洞情況下，大開洞樓板在水平及豎向荷載共同作用下的受力特性也是不可忽略的問(wèn)題。

2 地墻計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

常規(guī)的地墻在永久階段計(jì)算是取1m板帶，假定樓板處地墻支座為鉸接，但對(duì)于大開洞樓板，由于水平剛度較弱，在水土壓力作用下樓板是有水平位移的，因此本工程采用鉸接計(jì)算方法是不合理的。本文簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)，考慮地墻樓板支座處為彈性鉸接，給定對(duì)應(yīng)的彈簧剛度，來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)算，如圖5，但樓板的剛度K如何確定，是工程上比較難的問(wèn)題。本文提出通過(guò)三維整體建模，計(jì)算出樓板在水土壓力作用下樓板的位移，反算出該樓板處的支座彈簧剛度K₁、K₂和K₃，然后對(duì)地墻進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

2.2 計(jì)算建模

利用大型有限元軟件進(jìn)行三維整體建模，板墻采用殼單元，梁柱采用梁?jiǎn)卧?，殼單元網(wǎng)格最大尺寸為500mm，梁?jiǎn)卧蜌卧吔绻灿霉?jié)點(diǎn)。由于地下室底板厚2.5m，在永久階段計(jì)算時(shí)假定底部支座為固定約束，如圖6。墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，梁板為C30。結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)，不僅承受垂直于板面的恒載和活載，同時(shí)還承受水平方向的水土側(cè)壓力的作用。其中土壓力：計(jì)算取土的容重為ρ=20KN/m³，靜止土壓力系數(shù)取為Ko=0.5（依據(jù)勘察報(bào)告），室外地面考慮消防車活荷載，取為P₀=20KN/m²；水壓力：地下最高水位為0.5m，容重為ρ=10KN/m³。土壓力和水壓力采用“流體壓力荷載”，可以實(shí)現(xiàn)梯度面荷載的添加。

對(duì)于地下三層南面墻（如圖2），整體模型在荷載組合作用下，首層、地下一層、地下二層的樓板位移別為4.0mm、5.3mm和11.9mm，因此在簡(jiǎn)化模型計(jì)算時(shí)，必須采用本文提出的彈簧剛度模型。

通過(guò)迭代計(jì)算，K1、K₂和K₃的對(duì)應(yīng)值分別為235 MN/m、205 MN/m和175MN/m。采用鉸接模型與彈簧模型對(duì)南面墻分別進(jìn)行計(jì)算，墻底彎矩、剪力和變形大小如表1所示。由表1可知，墻底彎矩、剪力和最大變形分別相差44%、13%和76%，因此對(duì)于地下室樓板大開洞的情況下，地墻的計(jì)算仍采用鉸接模型是非常不安全的。

本工程內(nèi)襯墻厚度為400mm，其剛度較大，對(duì)地墻也能提供較大的幫助，根據(jù)上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》第11.2.1條，當(dāng)?shù)貕榀B合墻時(shí)，永久階段計(jì)算時(shí)墻體厚度可取地墻與內(nèi)襯墻厚度之和。不考慮受壓鋼筋作用，南側(cè)墻配筋為，地墻極限彎矩承載力為5348kN.m，大于按照彈簧模型計(jì)算的墻底彎矩；最大裂縫寬度為0.29mm，小于規(guī)范要求的0.3mm，滿足正常使用階段要求。

2.4 設(shè)計(jì)措施

（1）設(shè)置扶壁墻。對(duì)于局部樓板開洞處，布置垂直于地下室外墻的鋼筋混凝土墻，作為外墻的支撐，此時(shí)可按三邊支承進(jìn)行計(jì)算，大大減小了墻體厚度或減少墻底彎矩。基坑北側(cè)鄰近歷史建筑明遠(yuǎn)樓，與基坑最近距離約11m，同時(shí)北側(cè)樓板大開洞，考慮采用采用T形扶壁墻的設(shè)計(jì)方案，如圖7。

（2）設(shè)置“兩墻合一”內(nèi)嵌墻。地墻內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)襯墻，不僅起到改善建筑內(nèi)立面和防滲的作用，而且可以和地墻共同抵抗水土壓力荷載，由此可以減少地墻的計(jì)算厚度。

（3）樓板梁采用扁平梁。由于地下室樓板大開洞，樓板水平剛度較弱，樓板厚度較厚，因此可采用扁平梁的形式，不僅滿足豎向荷載，而且可以增大梁板的整體水平剛度，增強(qiáng)對(duì)地墻的支撐。扁平梁梁高與板厚相同，與柱子連接采用柱托形式。

3 樓板計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

逆作法下，樓板的設(shè)計(jì)計(jì)算分為兩個(gè)工況：（1）在圍護(hù)階段，基坑中部區(qū)域設(shè)置臨時(shí)支撐體系，為分析逆作法施工過(guò)程中作為水平支撐體系的結(jié)構(gòu)梁板與臨時(shí)支撐體系進(jìn)行有限元分析計(jì)算，驗(yàn)算臨時(shí)支撐剛度滿足設(shè)計(jì)要求。（2）在正常使用階段，臨時(shí)支撐被拆除，驗(yàn)算樓板在水土壓力和豎向荷載組合作用下是否滿足承載力和性能要求。

3.2 計(jì)算分析

在圍護(hù)階段，采用有限元軟件對(duì)地下室樓板及臨時(shí)支撐進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)圍護(hù)設(shè)計(jì)單位計(jì)算，在逆作法施工階段結(jié)構(gòu)板厚均可滿足壓、彎、剪等受力要求。本文重點(diǎn)計(jì)算臨時(shí)支撐拆除后，樓板在水土壓力和豎向荷載組合下是否能夠滿足彈性要求，避免出現(xiàn)大范圍開裂。按照常規(guī)方法設(shè)置樓板厚度，其中首層板厚180mm，其它層板厚140mm，滿足豎向荷載作用。采用2.2節(jié)計(jì)算模型進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，樓板在洞邊板的一定范圍內(nèi)，平面內(nèi)出現(xiàn)較大的拉力，而遠(yuǎn)離洞口樓板區(qū)域范圍內(nèi)，平面內(nèi)出現(xiàn)較大的壓力，拉力與壓力之間的板帶內(nèi)力均勻變化過(guò)度，在板帶的中間跨，平面內(nèi)應(yīng)力較小。樓板在洞邊大部分區(qū)域主應(yīng)力超過(guò)樓板混凝土強(qiáng)度C30抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，不滿足性能化目標(biāo)的要求，因此，在樓板大開洞的情況下樓板厚度的設(shè)計(jì)要依據(jù)不同區(qū)域的應(yīng)力水平，再次調(diào)整，樓板厚度在150mm~400mm范圍，分析結(jié)果如圖9所示。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合南京某博物館項(xiàng)目，提出了在逆作法工藝下，當(dāng)?shù)叵率覙前宕箝_洞時(shí)永久使用階段地墻和樓板的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)計(jì)算和對(duì)比分析表明：

（1）地下室樓板大開洞情況下，地墻永久使用階段簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)必須采用彈簧模型，而采用常規(guī)的鉸接模型是非常不安全的。

（2）地下室樓板大開洞情況下，可以考慮采用扶壁墻、“兩墻合一”和扁平梁等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施，來(lái)增強(qiáng)地墻自身和支座約束的剛度。

（3）利用殼單元和梁?jiǎn)卧嘟Y(jié)合的三維整體模型，較合理地模擬永久使用階段大開洞樓板在水土荷載和豎向荷載共同作用下樓板的應(yīng)力水平，依據(jù)不同區(qū)域的應(yīng)力水平進(jìn)行樓板厚度設(shè)計(jì)，并驗(yàn)算樓板是否滿足性能化目標(biāo)。

來(lái)源：上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心。

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