公路养护资质办理,逆作法下楼板开洞时地墙和楼

1 引言

南京某博物馆项目位于南京市城南秦淮区，地下室为4层，一期地下建筑面积为22000m²，中部为博物馆本体，周围为商业部分，博物馆本体与商业部分完全分离，如图1和图2。

本项目基坑采用逆作法施工，地墙采用“两墙合一”，周边区域结构梁板代替水平支撑体系，中部设置临时钢筋混凝土圆环支撑体系，采用一柱一桩作为竖向支撑体系，有以下两个特点：

（1）由于地下室楼板大开洞，在梁板缺失区域设置临时水平支撑；为便于取土和材料运输，基坑中部区域采用圆环支撑，如图3。

（2）地下三层结构与基础底板间跨度大，且底板厚度较大，开挖阶段地下三层结构梁板与基坑底间距过大，会导致地墙变形过大，故在地下三层结构与基础底板间设置第五道支撑，如图4。

本基坑工程面积为7000m²，周长377m，开挖深度为21.90m，依据本工程的地质条件、开挖深度以及现行基坑支护规范，经围护设计单位计算，地墙厚度为1m。但当临时支撑和第五道支撑拆除后，地墙在永久使用阶段的承载力、变形计算和裂缝计算是否满足规范要求仍需要进一步计算验证。另外，由于地下室结构楼板中部区域大开洞和局部楼层缺失，楼板对地墙的水平约束是弹性，计算时支座约束允许发生水平位移，如果仍采用铰接简化计算方法将是不安全的。

对于地下结构，不仅承受常规的自重、覆土、人群及设备等竖向荷载，还需要同时承受来自水土的侧向水平荷载。对无开洞楼板，一般认为板的面内刚度无限大，从而忽略水平荷载作用下的楼板结构分析，仅考虑竖向荷载。但对于楼板大开洞情况下，大开洞楼板在水平及竖向荷载共同作用下的受力特性也是不可忽略的问题。

2 地墙计算

2.1 计算方法

常规的地墙在永久阶段计算是取1m板带，假定楼板处地墙支座为铰接，但对于大开洞楼板，由于水平刚度较弱，在水土压力作用下楼板是有水平位移的，因此本工程采用铰接计算方法是不合理的。本文简化计算时，考虑地墙楼板支座处为弹性铰接，给定对应的弹簧刚度，来实现准确的计算，如图5，但楼板的刚度K如何确定，是工程上比较难的问题。本文提出通过三维整体建模，计算出楼板在水土压力作用下楼板的位移，反算出该楼板处的支座弹簧刚度K₁、K₂和K₃，然后对地墙进行简化计算。

2.2 计算建模

利用大型有限元软件进行三维整体建模，板墙采用壳单元，梁柱采用梁单元，壳单元网格最大尺寸为500mm，梁单元和壳单元边界共用节点。由于地下室底板厚2.5m，在永久阶段计算时假定底部支座为固定约束，如图6。墙柱混凝土强度等级为C35，梁板为C30。结构在正常使用时，不仅承受垂直于板面的恒载和活载，同时还承受水平方向的水土侧压力的作用。其中土压力：计算取土的容重为ρ=20KN/m³，静止土压力系数取为Ko=0.5（依据勘察报告），室外地面考虑消防车活荷载，取为P₀=20KN/m²；水压力：地下最高水位为0.5m，容重为ρ=10KN/m³。土压力和水压力采用“流体压力荷载”，可以实现梯度面荷载的添加。

对于地下三层南面墙（如图2），整体模型在荷载组合作用下，首层、地下一层、地下二层的楼板位移别为4.0mm、5.3mm和11.9mm，因此在简化模型计算时，必须采用本文提出的弹簧刚度模型。

通过迭代计算，K1、K₂和K₃的对应值分别为235 MN/m、205 MN/m和175MN/m。采用铰接模型与弹簧模型对南面墙分别进行计算，墙底弯矩、剪力和变形大小如表1所示。由表1可知，墙底弯矩、剪力和最大变形分别相差44%、13%和76%，因此对于地下室楼板大开洞的情况下，地墙的计算仍采用铰接模型是非常不安全的。

本工程内衬墙厚度为400mm，其刚度较大，对地墙也能提供较大的帮助，根据上海市《基坑工程技术规范》第11.2.1条，当地墙为叠合墙时，永久阶段计算时墙体厚度可取地墙与内衬墙厚度之和。不考虑受压钢筋作用，南侧墙配筋为，地墙极限弯矩承载力为5348kN.m，大于按照弹簧模型计算的墙底弯矩；最大裂缝宽度为0.29mm，小于规范要求的0.3mm，满足正常使用阶段要求。

2.4 设计措施

（1）设置扶壁墙。对于局部楼板开洞处，布置垂直于地下室外墙的钢筋混凝土墙，作为外墙的支撑，此时可按三边支承进行计算，大大减小了墙体厚度或减少墙底弯矩。基坑北侧邻近历史建筑明远楼，与基坑最近距离约11m，同时北侧楼板大开洞，考虑采用采用T形扶壁墙的设计方案，如图7。

（2）设置“两墙合一”内嵌墙。地墙内侧设置内衬墙，不仅起到改善建筑内立面和防渗的作用，而且可以和地墙共同抵抗水土压力荷载，由此可以减少地墙的计算厚度。

（3）楼板梁采用扁平梁。由于地下室楼板大开洞，楼板水平刚度较弱，楼板厚度较厚，因此可采用扁平梁的形式，不仅满足竖向荷载，而且可以增大梁板的整体水平刚度，增强对地墙的支撑。扁平梁梁高与板厚相同，与柱子连接采用柱托形式。

3 楼板计算

3.1 计算方法

逆作法下，楼板的设计计算分为两个工况：（1）在围护阶段，基坑中部区域设置临时支撑体系，为分析逆作法施工过程中作为水平支撑体系的结构梁板与临时支撑体系进行有限元分析计算，验算临时支撑刚度满足设计要求。（2）在正常使用阶段，临时支撑被拆除，验算楼板在水土压力和竖向荷载组合作用下是否满足承载力和性能要求。

3.2 计算分析

在围护阶段，采用有限元软件对地下室楼板及临时支撑进行计算分析。经围护设计单位计算，在逆作法施工阶段结构板厚均可满足压、弯、剪等受力要求。本文重点计算临时支撑拆除后，楼板在水土压力和竖向荷载组合下是否能够满足弹性要求，避免出现大范围开裂。按照常规方法设置楼板厚度，其中首层板厚180mm，其它层板厚140mm，满足竖向荷载作用。采用2.2节计算模型进行有限元分析，分析结果如图8所示。

由图8可知，楼板在洞边板的一定范围内，平面内出现较大的拉力，而远离洞口楼板区域范围内，平面内出现较大的压力，拉力与压力之间的板带内力均匀变化过度，在板带的中间跨，平面内应力较小。楼板在洞边大部分区域主应力超过楼板混凝土强度C30抗拉强度范围内，不满足性能化目标的要求，因此，在楼板大开洞的情况下楼板厚度的设计要依据不同区域的应力水平，再次调整，楼板厚度在150mm~400mm范围，分析结果如图9所示。

4 结语

结合南京某博物馆项目，提出了在逆作法工艺下，当地下室楼板大开洞时永久使用阶段地墙和楼板的设计方法，通过计算和对比分析表明：

（1）地下室楼板大开洞情况下，地墙永久使用阶段简化计算时必须采用弹簧模型，而采用常规的铰接模型是非常不安全的。

（2）地下室楼板大开洞情况下，可以考虑采用扶壁墙、“两墙合一”和扁平梁等结构设计措施，来增强地墙自身和支座约束的刚度。

（3）利用壳单元和梁单元相结合的三维整体模型，较合理地模拟永久使用阶段大开洞楼板在水土荷载和竖向荷载共同作用下楼板的应力水平，依据不同区域的应力水平进行楼板厚度设计，并验算楼板是否满足性能化目标。

来源：上海建筑工程逆作法工程技术研究中心。

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