城市地下综合体大跨度异型段结构设计分析.pdf

第6 期（总第2 90 期）2023年6 月D0I:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.071城市道桥与防洪URBANROADSBRIDGES&FLOODCONTROL相关专业城市地下综合体大跨度异型段结构设计分析朱鑫龙同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市2 0 0 0 92 摘要：本文介绍了某在建城市地下综合体项目的异型段结构设计理念及计算分析。该项目为超大型城市地下综合体，总建筑面积约1 8 0 万m，为浅埋式箱型混凝土结构体系。该项目的关键点设计在于道路合流和分流点位置大跨度异型段的处理，对此提出采用密肋箱型截面结构计算分析，证明了使用该设计方法的合理性、可靠性和安全性，希望能为类似项目设计提供参考。关键词：城市地下空间综合体；结构设计；超大跨度；异型段中图分类号：TU92文献标志码：B文章编号：1 0 0 9-7 7 1 6（2 0 2 3)0 6-0 2 7 9-0 5的弯矩能比普通方案降低1/3，能节约混凝土和钢筋0引言用量达3 3%以上-2 ,缺点是拱形或折型顶板会对侧在城市地下综合体的设计中，往往在地下道路墙引起附加水平力，导致侧墙的墙根处抗剪不利，较合流和分流的位置，比如主线分匝道、匝道汇合进入难通过验算。折板作为一种可调节的手段，通过调整主线的位置，由于车道数量突然翻倍，会形成超大跨折角尺寸可以在抗弯和抗剪中获得平衡。度地下空间，单向跨度达到2 0 m以上甚至3 0 m。此（4)采用空心板：是借鉴了桥梁结构中的封闭多类位置往往形成结构难点，需要针对性地计算分析。箱室的箱梁形式，采用密肋腹板封闭箱型截面，把每对于浅埋地道（覆土2 5 m）,解决此类问题，常见的一道腹板以及腹板两侧有效宽度内的上下翼缘,共同思路有（1)减覆土、（2)加板厚、（3)顶板采用折板、形成工字型截面 2 ,充分利用腹板的竖向刚度，和腹（4)顶板采用空心板，共四种方法，具体介绍如下：板上下有效宽度内的翼缘板宽度，配置受压受拉钢(1)减覆土：在顶板以上部分设置空腔、或者人筋，解决此条件下的大跨度问题。为抬高顶板标高，减少顶板覆土厚度，减轻了荷载，该项目的节点类型多,形状各异，且顶板覆土普从而使大跨度结构成为可能。但是如果其中有管线遍在2.5 5 m，属于偏深的埋深，且环廊节点下方还或其他结构限制，此方法会受到约束。布置有管廊；跨度最大的节点位置有2 0 2 3 m跨度，（2)加板厚：通常隧道顶板厚0.9 1.1 m，在关键属于需要做空腔并且跨度很大的情况。经过分析，这的大跨度节点，增加顶板板厚至1.4 1.5 m，采用有些节点较适合采用第四种空心板思路。限元中的厚板单元计算，考虑板单元的面内、面外刚1工程概述度以及整体结构的空间效应。其优点是结构构造简单，施工方便，缺点是费材料，此方法在板厚大于1.5m时往往经济性很差，因为混凝土自重较大，且过厚的顶板会引起大体积混凝土的施工问题，影响浇筑质量。(3)采用折板：在断面的顶板位置采用折板，通常在顶板中支点和边支点的位置折角。其优点是对中支点、边支点的弯矩有一定程度的消峰，折板方案收稿日期：2 0 2 3-0 2-1 6作者简介：朱鑫龙（1 98 8 一），男，工学硕士，工程师，主要从事结构设计研究工作。该项目为超大型城市地下综合体，地下综合体总建筑面积约为1 8 0 万m，项目完工后将成为该地区最大的地下空间项目。主要设计构成：地下一层为预留空间，是可做部分商业的同时也可联系两侧地块；地下二层为交通环廊，即作为车库同时也是机动车联络通道；地下三层是服务于综合管廊的夹层，为综合管廊进出关键管线、投放物料、对流通风、应急逃逸等功能而设置；地下四层为综合管廊，放置该区域内的各种管线。建成效果见图1 所示。279城市道桥与防洪朱鑫龙：城市地下综合体大跨度异型段结构设计分析2023 年第6 期表1 加宽段位置与类型列表加宽段类型环廊上层结构墙间跨度范围A1密肋空腔A2密肋空腔A3密肋空腔B1地下一层结构B2地下一层结构图1 项目示意效果图为A类进行计算，但具体配筋单独计算；A3型与2主要技术标准A1、A 2 型相似，两侧墙壁板厚、配筋相同，仅墙的平（1)道路等级及设计速度：地下空间联络道，设面形态略有不同，且两墙之间最大跨度没有A1、A 2计速度3 0 km/h;型的大，因此可参考A1、A 2 型计算。(2)地下联络道荷载标准：城-B级；B1型与B2型的上层为地下空间结构，下层为（3)抗震设防标准：抗震设防烈度为7 度，场地环廊，合并为B类加宽段进行计算。类别为类,设计地震分组第二组，特征周期0.40 s。3.2.1交通环廊车库接口与综合管廊管线分支口合（4)抗震设防分类：重点设防乙类；抗震等级为建节点三级；由于交通环廊车库接口没有侧墙支撑，纵向最(5)结构使用年限：1 0 0 a；大跨径2 2 m，采用下翻梁跨越，梁高2 m，利用车库(6)结构安全等级：一级；重要性系数为1.1；出入口处标线的三角区设置1.3m（1.4m）立柱外(7)地基基础设计等级：甲级；包钢板加强，并支撑在翻梁跨中，解决翻梁跨径过大（8)混凝土抗渗等级：P8（局部管廊埋深超过2 0 m问题。个别车库接口上方无地下一层空间的，采用做时为P10)。结构空腔的方法，控制覆土厚度2.5 m，满足上方过雨污水管线的需求（见图2、图3）。3结构设计3.1结构设计原则（1）结构中的标准段采用平面杆系程序建立横向框架模型，纵向取每延米进行计算；（2)分别进行自重工况和水反力工况内力计算；(3)强度验算：按偏压构件，考虑结构重要性系数1.1 进行强度验算；（4)裂缝验算：按0.2 mm最大裂缝宽度的控制要求进行验算；（5)抗剪验算：验算最不利截面的最小抗剪尺寸、抗剪强度，根据计算结果合理设置闭合抗剪箍筋；(6)抗浮计算：按最不利状态计算结构抗浮，不考虑侧壁摩擦,取1.0 5 倍安全系数；（7)顶板收缩按降温1 5 考虑；（8)箱内外梯度温差按1 0 考虑；(9)结构按抗震等级采取相应的抗震构造措施。3.2大跨度异型段结构构造设计该项目加宽段节点共1 3 个，分上部有空腔、上部有地下一层空间两种，又分为带分支口、不带分支口两种(见表1)。A1型、A2型加宽段为不带地下一层空间，合并形态1322 m加宽段+分支口1323 m加宽段+分支口1220mY型加宽段1221m仅加宽段1221m加宽段+分支口65二立柱613.1510.525.15图2 车库接口平面图（单位：m）8.713.45空腔999ZA匝道图3 车库接口与综合管廊管线分支口合建节点断面图（单位：m）2806.5空腔地下交通环廊地下车库接口管廊夹层出线口管廊管廊2023年第6 期朱鑫龙：城市地下综合体大跨度异型段结构设计分析城市道桥与防洪3.2.2A3型节点-交通环廊与匝道交汇处Y型加宽段由于交通环廊与匝道交汇处需要增加车道，两侧墙最大净距2 1.8 5 m，且此处无地下一层空间，顶板覆土厚度最大7.8 m，其设计采用做结构空腔的形式，控制顶板覆土厚度2.5 m，以满足管线通过需要。空腔顶板厚0.5 5 m，空腔内纵向每隔3 m设置一道横隔板，厚0.5 m，环廊顶板厚0.8 m（见图4、图5）。管廊层：考虑自重，铺装，地面超载、土侧压力，底板约束为土弹簧。因抗浮水位低于结构底板，故此不考虑浮力对结构的影响。此类型计算中荷载选取如下：顶板覆土深度2.5 m，土容重取2 0 kN/m,覆土压力为2 0 2.5=5 0(kN/m)。地面超载取2 0 kN/m,其他同环廊标准断面。图7 为剖面荷载示意图。地面超载LTTTTT地面超载侧压m盗格顶板土压力、水压力雀地面超载侧压地面超载18.911工图5 Y型加宽段节点纵剖面图（单位：m）3.2.3A1、A 2 型节点-匝道接口紧邻匝道交汇处加宽段此类节点是匝道接口节点与加宽段的混合形式，与A3类似，也采用做结构空腔的形式（见图6)。58.513434 2-75 27,+3-5 27g+33 3-33-33-33.0022.752.7523柱图6 A1、A 2 型节点平面布置图（密肋梁）（单位：m）4结构计算选取典型加宽段（A1型）计算。4.1计算模型简图及概况结构从上至下分别为：空腔层：空腔顶板（厚0.5 5 m），空腔腹板（厚0.5m），空腔底板（厚0.8 m，即为环廊顶板）。环廊层：结构顶板厚0.8 m，结构底板厚0.8 m，侧墙厚0.8 m，总宽度1 1.4m，高度6.5 5 m地面超载人群+管道花载土弹簧土侧压力33.821图7 剖面荷载示意图图4Y型加宽段平面图4.2结构受力特点与计算方法选择242.42.42.42.42.43/3/3有局段加宽同时带有分支口的情况较为复杂，此种异型段特点是顶板埋深大，大跨度、超长单向板。加宽段为环廊层局部加宽，由于加宽段跨度较大，最大跨度达到2 3 m，因此，对于环廊上层无地下一层结构的加宽段，在环廊层顶板上部设空腔，并在空腔内加等间距腹板的方式抵抗土压力（腹板间距3m，跨度最大处局部缩小腹板间距），这样不但减小顶板挠度，增大刚度，同时也减小与腹板相接处侧墙的弯矩峰值和裂缝，使结构更安全。空腔结构内：空腔顶板、空腔高度范围内的外532.753密肋腹板+空腔土侧压力墙，均成为板跨3 m的单向板；空腔腹板与空腔顶板、空腔底板形成工字型截面共同抗弯抗剪，上缘顶板受压，下缘底板受拉,腹板受剪。791结构计算软件的选择上，采用两种软件互为比对：(1)采用有限元软件MidasCivil建立关键剖面的平面模型进行计算；(2)采用盈建科软件(YJK)进行空腔顶板的密肋腹板结构的计算。4.3MidasCivil剖面计算采用Midas Civil建立A-A、B-B、D-D,这3 个关键剖面的平面模型（剖面位置如图8 所示），作为加宽段配筋的依据。本文仅以A-A剖面计算分析为例。此为加宽段与分支口汇合处，包括中柱，模型取纵向1 m计算，主要用于计算加宽段与分支口交叉处，环廊、管廊、匝道的侧墙和底板的弯矩、剪力值，如图9、图1 0 所示和表2、表3 所列。281城市道桥与防洪1ADD1B-JA朱鑫龙：城市地下综合体大跨度异型段结构设计分析处互相交叉的腹板的配筋。B2023年第 6 期因此，其强度均满足要求；其裂缝也满足要求。4.4盈建科计算采用YJK盈建科建立模型（见图1 1），计算A1型加宽段，环廊加宽段和管廊分支口交叉处的立柱轴力、剪力、弯矩，加宽段腹板配筋，以及分支口交叉图8 A1型加宽段剖面位置示意图00图1 1 YJK模型三维示意图图9 A-A剖面弯矩图（承载能力极限状态）洁高本IHA1B1中A2C172图1 0 A-A剖面：模型计算截面示意图表2 A-A剖面：截面强度验算表（承载能力极限状态）弯矩/剪力轴力/截面厚截面抗弯配筋(kNm)2排CA11.157281002排CA21157281001排CB11039321001排CB232100C22排C32100表3 A-A剖面：截面强度验算表（正常使用极限状态）截面弯矩/(kNm)A1905A2905B1823B2693C2658将空腔腹板+顶板+底板一起，模拟为工字型截面，工字型截面顶、底板宽度取为腹板间距，翼缘G3厚度等于相应的板厚，由于顶底板都算在梁内，因此G1H2H1B3J3B2D1D2B4kN1039-527530-1098800C162000-5278870972892剪力/kN82041100708楼板的厚度设为0,不考虑其自重。G2由于箱梁存在剪力滞后效应，在腹板与顶底板的交接处附近，正应力存在不均匀分布的情况，需计E3F211B5E2kN度/mm800C16150800-421800-420800C16150轴力/kN裂缝/mm-3920.093-8320.083-3920.113-3520.101-3520.072282F1抗剪箍筋算上下翼缘的有效宽度。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG33622018），有效宽度与计算截面的位置、梁高与跨度之比有关。该项目因为覆土偏深,设计上倾向于加高空腔，所以当梁高h设计为h=5.3m时，对于3 m的腹板间距，bi=1.5m，b i/0.3=5,满足hbi/0.3，因此翼缘有效宽度应采用翼缘实际宽度，即认为工字型截面上下翼缘全部截面均参与受力。这样，通过加高空腔，减少覆土的同时又增大了翼缘有效宽度，使参与受力的钢筋更多，提高了结构效率。表4为YJK的A1型计算结果汇总表。表4YJK的A1型计算结果汇总表跨中正支座负最大跨跨中跨中裂位置弯矩/度/m(kNm)配筋缝/mm(kNm)配筋缝/mm加宽段最大跨22.523 40830C320.15-3 65720C320.15工字型截面A中柱横11.51442822C320.15-428920C320.15梁B最上端12梁与Midas Civil计算的A-A剖面对比可知,两者的结果均近似两端简支梁。支座支座裂弯矩/1817925C320.15-546820C320.152023年第6 期朱鑫龙：城市地下综合体大跨度异型段结构设计分析城市道桥与防洪实际上，一面墙与工字型截面的交角介于垂直与平行之间不断变化，另一面墙始终与梁平行，因此工字型截面介于两端固接与铰接之间，但更倾向于铰接。为结构整体安全考虑，梁下缘受拉钢筋按Midas偏简支的计算结果配筋（跨中正弯矩更大），梁上缘负筋按盈健科偏两端固支的计算结果配筋（支座负弯矩更大）。4.4.1梁配筋：按工字型截面计算工字型截面上缘：在受拉范围3 m内，实配1 排C32100，相当于每根梁在其范围内配置3 0 C32，满足要求。工字型截面下缘：在受拉范围3 m内，实配2 排C32100，相当于每根梁在其有效宽度内均有配置60C32,对于跨度最大的三根梁,再在腹板附近区域局部增加第三排C32，验算后满足要求。4.4.2板配筋计算空腔顶板配筋时：板厚按实际板厚输入，程序计算板实际自重+上部土压力；空腔顶板实际配筋，短跨方向受力筋C22150，长边方向受力筋按工字型截面受弯控制，为C32110,满足要求。4.4.3柱轴压比验算（见表5）提取YJK的地下一层的柱计算结果，加上夹层和管廊层的重量，进行柱轴压比验算。其中A2型加宽段由于轴力较大,将直径加大为1.4m,其余为1.3 m。根据高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3一2010）,框架剪力墙结构,抗震等级二级,轴压比限值为0.8 5,均满足规范要求。5结语本文介绍了一个建筑面积约1 8 0 万m的超大表5 柱轴压比验算表柱底柱截面C40混凝土位置轴压比轴力/kN直径/m抗压强度A1型加宽20.415段中柱A2型加宽21713段中柱型全埋式地下综合体的关键节点结构设计，采用空心板方案解决了较大覆土+大跨度的结构顶板受力问题。从中不难发现：（1)通过两款软件对结构的有限元计算分析可知，对于大跨度的复杂结构，选取剖面进行验算是有必要的。该项目中的关键节点段通过对比验算,结构尺寸和配筋均满足设计要求。(2)对于埋深较深的全埋式地下结构的大跨度段设计，可在结构顶部设结构空腔并在空腔内等距离加设腹板，以抵抗顶板土压力；根据项目实际情况，通过设定空腔高度和调整腹板间距，来控制有效翼缘宽度的取值，可以得到最优性价比结构。（3)在大跨度地下结构的异型段的顶板设计中，灵活设置空心板结构，是一种较好的结构设计手法，可作为同类项目的经验参考。参考文献：1刘建辉，郭乾坤，石玉华.浅埋地下大跨空间的合理结构体系研究J.地下空间与工程学报.2 0 1 9,1 5（3):8 6 5-8 7 02刘发前,超大跨度地下矩形隧道结构型式及经济性分析 J.地下空间与工程学报.2 0 1 8，1 4（3)：7 9 2-7 9 83侯圆，惠小记，王勇.超大跨度地下矩形隧道结构形式及经济性分析一以乌鲁木齐绕城高速(西线)工程五一隧道工程为例 J.工程技术研究.2 0 2 2,7(1 2 2)：1 2 9-1 3 1.4JTGD602015,公路桥涵设计通用规范 S.5JTG33622018,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 S轴压比限值1.319.11.419.10.730.830.850.85城市道桥与防洪杂志是您合作的伙伴，为您提供平台，携手共同发展！欢迎新老读者订阅期刊欢迎新老客户刊登广告投稿网站：http:/电话：[phone]联系邮箱：283and road.Keywords:road and bridge;detection;stay cable;frequency identification;IBIS-FSDetection Method Application and Cause Analysis of Typical Road Collapse:Abstract:With the rapid expansion of urbanization in China,the road collapse accidents are frequent andrecurring,which seriously threaten the social security and cause the adverse social impacts.Under thebackground of building a resilient city,the prevention of road collapse accidents has become an importanttask in the urban construction management.Therefore,it is to determine the method effectively to detectthe road collapses.It is important and practical significance to analyze the causes of typical roadcollapses.The applicability of the detection method is determined by comparing the geophysicalprospecting data before and after causing the cavity in a typical area.Through the pipeline endoscopicdetection and road settlement monitoring,the development process of the collapse is analyzed,and therelevant suggestions are put forward to provide a basic basis for the prevention and control of roadcollapse.Keywords:road collapse;ground penetrating radar;seismic image;hidden disease;collapse causeWANG Rui(267)Application of BIM Technology in Design Stage of Mesh Suspender Arch BridgeAbstract:In the design stage of long-radius horizontal-curve mesh suspender arch bridge,BIMtechnology is used to establish the full-stage model for 3D display,which is used to assist in determiningthe positioning of suspender,the spacing of suspender and the other important data.The collisioninspection is carried out for the multi-specialty models to realize the project visualization,the projectquality improvement and the digitization delivery.The effect and value of BIM technology in the designstage of bridge can provide the reference for the deep integration of BIM and design of the similar bridges.Keywords:mesh suspender arch bridge;BIM application;auxiliary design;deep integrationLI Huixin(271)Research on Application of Self-balancing Method in Detection of Large-diameter Cast-in-situ Bored PilesZHENG Man(275)Abstract:Coming into the new century,the economy of the southeast coastal areas in China is developingrapidly.The regional characteristics are the soft soil geology with many rivers.The bridge construction isunavoidable,and the bridge safety cannot be separated from the support of cast-in-situ bored piles.Taking the bearing capacity detection of cast-in-situ bored pile of a bridge in soft soil area as an example,the detection schemes of self-balanced method are compared on the basis of meeting the projectrequirements,and provide the support for the project construction,which can provide some valuablereference for the design of bearing capacity detection scheme of large-diameter and large-tonnagecast-in-situ bored piles of similar projects.Keywords:cast-in-situ bored pile;self-balance method;bearing capacity detectionTHE RELATIVE SPECIALITIESStructure Design and Analysis of Large-span Irregular Sections for Urban Underground Complex:ZHU Xinlong(279)Abstract:The structure design conception and calculation analysis of irregular sections in an urbanunderground complex project under construction are introduced.This project is a huge urbanunderground complex.Its total construction area is about 1.8 million square meters,which is a shallowburied box-type reinforced concrete structural system.The critical design of this project is to treat thelarge-span irregular section for the combination and separation locations of road flow.Therewith,thecalculation and analysis of the multi-ribbed box section structure are proposed to prove the rationality,reliability and safety of using this design method,which can be referred for the design of the similarprojects.Keywords:urban underground spatial complex;structural design;oversized span;irregular sectionStudy on Method of Analyzing Karst Development by Combining Borehole and Tube Wave Detection:ZHAOXuguang,WANGBo(284)Abstract:Karst is widely developed in China,and its development is irregular and characteristics areextremely complex.In the construction process of various projects,it is difficult to identify thedevelopment of karst through the traditional drilling methods,and the scope of karst development cannotbe accurately determined.The borehole data and results of tube wave detection are synthesized through anengineering example,and the karst development range analyzed by the borehole data is analyzed andcompared with that obtained by combining the borehole data and the tube wave detection.The resultsshow that there are great differences in the range of karst development determined by the two methods.The analysis and research can provide a new idea for judging the karst development,and also providemore accurate engineering geological basis for the relevant design and construction of such areas.Keywords:geological borehole;tube wave detection;karst development rangeResearch on Applicability of SMW Construction Pile in Ultra-deep Foundation PitsAbstract:The SMW construction pile is generally used as the supporting structure for the foundation pitwith a depth of less than 11 m.It has the characteristics of short construction period,no pollution,lownoise and recyclable.In order to study the applicability of this construction method in ultra-deepfoundation pits,taking a foundation pit project(foundation pit depth of 15 m)in Suzhou as an example,thelateral deformation of SMW construction pile,steel strength bearing capacity,surface settlement and otherlaws are calculated under the construction conditions of excavating the ultra-deep foundation pit,and theon-site construction verification is carried out.The result shows that the SMW construction method can beused for the enclosure structure of the foundation pit with a depth of about 15 m,and has the obviousadvantages in the construction period,environmental protection and economy,which provides thereference for the other similar projects.Keywords:SMW construction pile;sectional steel cement soil mixing pile;support of foundation pit;deepfoundation pit engineering;deformation of foundation pit.LI Xueyang(287)Design of Automatic Elevator for Vertically Transporting SegmentsWU Zhongming,CAI Jiayuan,SHEN Haifeng,ZHANG Haidong,NI Jia(292)Abstract:In shield tunneling construction,the vertical transportation of segments from the ground to theunderground is generally carried by crane,which has problems such as the low transportation efficiencyand large safety risks.Based on the working principle of vertical elevator,a kind of elevator used forvertical transportation of segments is introduced,which has a high degree of automation.The safety,synchronization,reliability and adaptability design of the elevator system are expounded in detail.Theautomatic elevator can greatly improve the vertical transportation efficiency of segments and reduce the