1 工程概况

　　 天津中信城市广场项目位于天津市河东区海河东路、六纬路、十一经路、八经路所围地块内,为天津市重点项目,先期启动的设计为首开区,包括住宅楼、办公楼及地下停车库等建筑,其中住宅楼地下3层,地上5层,局部6层,最大结构高度34.7m;办公楼地下3层,地上5层,结构高度30.9m;地下室涵盖整个小区,地下3层,建筑层高均为4.2m,平面尺寸为528m×73m,为超长地下结构。首开区总建筑面积180 796.42m²,其中地下室面积124 771.76m²,占总建筑面积的69.0%。基坑开挖深度为16.95～18.25m,属大型甲级深基坑 ^[1],基坑支护安全等级为一级 ^[2]。为了首开区建筑提前完成立面形象,首开区工程采用逆作法施工 ^[3],先施工地上结构并完成建筑外立面,项目外立面完成后实景图见图1。

　　 图1 项目外立面完成后实景图   

　　 采用传统的常规顺作法进行基坑施工,需要设置大量的临时支撑,同时主体结构需待基坑开挖完成后才能进行施工,施工周期长,难以满足进度要求。采用逆作法,可以实现地上地下结构同步施工,从而达到加快工程进度的要求。同时,逆作法采用地下结构代替临时支撑,水平刚度大,可有效控制基坑开挖阶段的基坑变形,有利于保护环境。且避免了大量临时支撑的设置和拆除,大大减少了材料和劳动力的消耗,具有节能、降耗、环保、绿色施工的优点。

2 场地概况

　　 工程周边环境较复杂,南侧临近海河,场区内有地下电缆及管网,东边有俄罗斯领事馆历史文物保护建筑,周边还有多幢高层建筑物,环境保护及施工要求较高,地下室采用逆作法施工有利于周边建筑物及环境的保护。

　　 岩土工程勘察报告 ^[4]揭示本工程场地稳定,土层主要由黏土、粉土、粉砂和细砂组成,详细分布见表1。场区地下水包含潜水和承压水。潜水埋深2.5m左右;承压水埋深9.70～10.85m。

　　 土层物理力学指标 表1

　　 注:q_sik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值;q_pk为桩端极限端阻力标准值。

3 基础设计

　　 较经济且最适宜逆作法施工的结构体系为框架结构,并采用“一柱一桩”布置 ^[5]。由于建筑功能要求,住宅采用部分框支-剪力墙结构体系,由此导致落地剪力墙在逆作施工阶段需进行转换。根据场地地质条件及岩土工程勘察报告 ^[4]的建议,结合上部结构的实际情况和逆作法施工工艺,本工程采用钻孔灌注桩(后注浆)基础。首先对布桩方案进行分析比较。

　　 方案一:独立框架柱采用“一柱一桩”布置,桩径1 500mm;剪力墙以及与剪力墙相连的框架柱采用群桩独立承台布置,桩径1 000mm,桩内插格构柱伸至1层,在1层设施工阶段转换承台,完成上部结构施工。该方案的优点为:1)桩基受力均匀,经济性较好;2)施工阶段与使用阶段主体结构支承条件一致,避免了由于施工阶段与使用阶段主体结构支承条件不一致需包络设计,而导致上部结构构件配筋增加的情况。缺点为:1)施工阶段需设置较多格构柱,需要一定的施工成本;2)由于格构柱较多、较密,导致地下室土方开挖较困难。

　　 方案二:独立框架柱采用“一柱一桩”布置,桩径1 500mm;剪力墙以及与剪力墙相连的框架柱处采取利用该处框架柱或增设框架柱的方式在柱下布桩,桩径1 500mm,在桩内插矩形钢管混凝土柱,利用该柱作为施工阶段的框支转换柱,在1层设施工阶段转换梁,并往上顺作施工完成上部剪力墙结构。该方案的优点为:1)立柱较稀疏,地下室土方开挖方便;2)主要利用框架柱作为施工立柱,其施工成本优于方案一。缺点为:1)由于存在桩基受力滞后效应,桩基受力不均匀,桩基及承台的经济性劣于方案一;2)由于采用转换梁进行施工阶段转换,使得施工阶段与使用阶段主体结构支承条件不一致,需进行包络设计,从而导致上部结构配筋增加5%～30%。

　　 综合经济指标、施工周期及难易度考虑,本工程最终选择方案二进行设计。

4 结构设计

　　 图2 地下室典型剖面  

　　 首开区地下室结构主要为框架结构,主要轴网尺寸为8.4m×8.1m,地下室建筑层高均为4.2m,典型剖面如图2所示。地下室顶板覆土厚度2.2m,部分区域为人防地下室。支护采用“两墙合一”地下连续墙,墙厚800mm;水平支撑系统利用地下室各层结构梁板;竖向支撑系统采用钢柱-钻孔灌注桩组成的“一柱一桩”。逆作施工工序以标高-2.65m地下室顶板结构层作为逆作面,逆作面完成后进行上部结构顺作施工,同时利用地下室顶板结构作为施工平台开挖下部土方,由上而下地逐层逆作施工地下室各层至底板结构,并预留各层方钢骨柱外包混凝土和剪力墙(人防墙)插筋;地下室底板施工完成后,对“一柱一桩”的方钢立柱外包混凝土,施工内部剪力墙(人防墙)。设计考虑地下室逆作施工过程逐层加载的施工模拟,并对加载过程中结构构件的内力变化进行分析处理,采用施工模拟过程中构件内力的包络值进行结构构件设计。

　　 逆作法施工要求竖向承载系统既要满足结构设计的承载力,又要满足施工过程中各阶段的承载力要求。针对本工程的特点及逆作法的要求,地下室采用“一柱一桩”。

4.1 一柱一桩

　　 图3 “一柱一桩”节点构造  

　　 “一柱一桩”的钢立柱既作为主体结构柱,也可作为逆作法的竖向支撑构件,设计时需考虑施工过程中各工况组合作用和使用阶段各工况组合作用的包络设计。本工程根据前文桩基布置方案比选,最终确定独立框架柱采用“一柱一桩”布置,桩径1 500mm;钢柱根据包络设计采用ϕ560×16钢管(材质为Q345),管内灌注C45微膨胀混凝土形成钢管混凝土柱。剪力墙(人防墙)以及与剪力墙(人防墙)相连的框架柱处采取利用该处框架柱或增设框架柱的方式在柱下布桩,桩径1 500mm,在桩内插矩形钢管混凝土柱。根据包络设计,柱截面为500mm×500mm(Q345),壁厚为20～25mm,内灌注C45微膨胀混凝土;利用该柱作为施工阶段的框支转换柱,地下室底板施工完成后,钢立柱外包C45混凝土形成钢骨柱,同时施工内部剪力墙(人防墙)。钢立柱作为框架柱的一部分,其垂直度设计要求达到1/500,插入灌注桩中不小于4.0m,并沿柱全长设置栓钉,节点构造如图3所示。为了便于钢柱插入,柱头设计为锥(棱)台形截面,并采用ANSYS软件对柱头节点进行有限元计算分析,以保证柱头能稳定插入灌注桩。锥台形柱头节点应力分析结果见图4,可见,节点von Mises应力最大值位于柱头端板,约为104.4N/mm²,远小于Q345钢材强度设计值。

　　 图4 锥台形柱头节点有限元应力云图/(N/mm²)  

4.2 关键节点设计

　　 在逆作法施工中,先施工的地下连续墙及中间支承柱与自上而下逐层浇筑的地下室梁板结构通过节点连接构成一个整体,共同承担结构自重和各种施工荷载,因此地下连续墙与梁板、中间支承柱与梁板的连接关系到结构体系能否协调工作,对于确保结构整体稳定和地下室功能得以实现起着重要作用。逆作法结构节点设计既要满足结构永久受荷状态下的设计要求,又要满足施工状态下的受荷要求,同时现有的工艺手段与施工能力要能实现节点形式和构造在工艺上的要求。

(1)地下连续墙与环梁和扶壁柱的连接

　　 由于结构梁、板与地下连续墙直接通过预埋连接,对定位要求相对较高、施工难度大,本项目地下室梁板通过边环梁与地下连续墙连接,楼板钢筋进入边环梁,边环梁通过地下连续墙内预埋钢筋的弯出进行连接。在地下室周边主梁与环梁相交处紧贴地下连续墙设置扶壁柱,扶壁柱与地下连续墙通过在墙内预埋的钢筋连接,节点构造见图5。

(2)中间支承柱与梁节点的连接

　　 中间支承柱是逆作法施工中的重要构件,在逆作法施工期间,地下室底板未浇筑前与地下连续墙共同承担地下和地上各层的结构自重和施工荷载;在地下室底板浇筑后,与底板连接成整体,作为地下室结构的一部分,将上部结构及承受的荷载传递给地基。所以中间支承柱的稳定性和完整性相当重要,在施工过程中不能对其有任何损伤。中间支承柱与结构梁连接的可靠性直接影响到整个地下结构的传力体系。

　　 图5 地下连续墙与环梁、扶壁柱连接节点 

　　 图6 钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁连接节点   

　　 中间支承柱与混凝土梁节点的设计,主要是解决梁钢筋如何穿过中间支承柱或与中间支承柱连接的问题。本工程支承柱截面有圆钢管混凝土柱和矩形钢骨混凝土柱两种形式,节点形式分别如下。

　　 圆钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接采用外露式钢环板牛腿(抗剪环筋)-钢筋混凝土环梁的组合结构形式,构造见图6。此节点连接利用钢环板牛腿或抗剪环筋承受剪力,利用钢筋混凝土环梁承受弯矩,受力明确,节点整体性好,传力性能可靠。其中抗剪环筋-钢筋混凝土环梁节点用于非人防地下室各层楼面梁柱等剪力较小处节点;外露式钢环板牛腿-钢筋混凝土环梁节点用于非人防区地下室顶板及人防区顶板和各层地下室楼面梁柱等剪力较大处节点。图7为逆作现场节点照片。

　　 图7 圆钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁连接节点逆作现场照片   

　　 矩形钢骨混凝土柱与钢筋混凝土梁连接采用钢牛腿方案,同时钢筋混凝土梁加腋便于钢筋贯通。此节点节省空间,传力明确,施工方便,构造如图8所示,逆作现场节点照片见图9。

　　 图8 矩形钢骨混凝土柱-钢筋混凝土梁连接节点构造  

　　 图9 矩形钢骨混凝土柱-钢筋混凝土梁连接节点 逆作现场照片 

4.3 超长混凝土结构温度效应计算及结构措施

　　 本项目地下室长528m,宽73m,为超长混凝土结构。其中主楼部分地下室结构形式与其上部相同为框架-剪力墙结构,其余部分为框架结构,人防区有人防墙。地下室在逆作阶段均为框架结构。为保证地下结构的防水效果,均未设置伸缩缝,其长度远超过《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版) ^[6]要求的设缝间距,需要在设计中考虑温度效应的作用,并采取有效的措施。

(1)温度效应计算

　　 对超长钢筋混凝土结构来讲,混凝土收缩和环境温差是引起温度效应变形裂缝的主要原因。在工程界,为了便于计算,把混凝土收缩等效成收缩当量温差,并与最大季节温差叠加,作为最不利温差作用于结构,同时考虑混凝土徐变引起的应力松弛和裂缝引起的刚度折减。文献[7]建议根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008) ^[8]附录C考虑桩基础对结构的弹性有限约束刚度作用。

　　 参照文献[9],取C35混凝土完成收缩60%时混凝土当量收缩温差为-12.0℃。对于地下室顶板,其作为逆施面,施工阶段暴露时间相对较长,会经历多个季节的变化,因此,考虑季节温差为月平均最低温度与结构合拢最高温度的差值,即(-8.2-10)℃=-18.2℃。则顶板计算温差为(-12.0-18.2)℃=-30.2℃。其余地下室各层埋入土中,且由顶板往下各层依次逆作施工,所受外界温度变化的影响相对较小,在使用阶段温度变化也不大,因此考虑地下室各层受温度变化的温差为-5℃ ^[10],则计算温差为(-12.0-5.0)℃=-17.0℃。考虑混凝土带裂缝工作的刚度折减系数为0.85,徐变应力松弛系数取0.3。桩基平动刚度K_HH=8.93×10⁴kN/m,转动刚度K_MM=1.22×10⁶kN/m。

　　 图10为地下2层～顶板的温度应力云图。可以看出,楼板最大拉应力值均小于C35混凝土的抗拉强度标准值;在楼板洞口以及凹角处有应力集中现象,设计时针对该区域楼板进行了加强配筋构造,见图11。

　　 图10 楼板温度应力云图/(N/mm²)  

　　 图11 楼板凹角加强配筋构造示意  

(2)结构措施

　　 为减轻温度效应对结构的影响,除进行正确的计算分析外,设计还采取以下措施:1)采用补偿收缩混凝土,以减少混凝土收缩裂缝;2)混凝土内掺聚苯烯纤维,以提高混凝土的抗裂能力;3)每隔40m设置一条后浇带,以减小混凝土水化热温差及早期收缩的影响,后浇带在60d以后闭合,闭合时的环境温度控制在5～10℃,后浇带在逆作施工阶段需要设置传力构件;4)主体结构施工时,严格控制砂、石骨料的含泥量,混凝土浇筑完毕后采用覆盖塑料薄膜进行保水养护;5)加强梁、板构件构造配筋,如:梁腰筋直径加大为14mm,间距不大于150mm;板面、板底钢筋双向通长配置,配筋率按不小于0.2%控制;楼板洞口及凹角处加强配筋构造如图11所示。

5 结论

　　 天津中信城市广场首开区地下室平面尺寸为528m×73m,为超长地下结构,采用逆作法施工。设计时利用地下室各层结构梁板替代临时水平支撑,结构框架柱与临时立柱相结合的“一柱一桩”竖向支承,以及“两墙合一”地下连续墙围护的逆作法结构形式。该工程现已竣工,施工期间监测显示结构沉降均匀稳定;针对结构超长设计时考虑了温度效应并采取了措施,未发现地下室楼板面有明显的温度裂缝。结果表明,该工程逆作法实施达到了设计预期。