浅谈下沉式广场的设计

154地下院30周年论文集1.前言上海是我国最重要的工业基地之一，也是我国最大港口和重要的经济、科技、贸易、金融、信息、文化中心，应当更好地为全国的现代化建设服务，发挥主要基地和开路先锋的作用。改革开放以来，上海的面貌起了巨大的变化。城市建设正飞速发展。但是，上海也同样出现了人口密集、交通拥挤、住房紧张、环境污染、防灾抗毁能力薄弱、基础设施不足等城市病。为此，人们认识到，要解决这些问题，除了向空中发展外，还必须充分利用城市空间资源的重要组成部分——地下空间。如今，上海已经建成了地铁、地下街、地下车库、地下室、共同沟以及平战结合民防地下工程等各类地下空间设施，为上海的城市现代化改革和建设发挥了巨大的作用。随着地下空问开发利用的日益发展，人们对地下空间的使用要求也越来越高。为了减少人们对地面和地下的感觉差别，除了设置各种形式的采光井、中庭，减少地下压抑感之外，下沉式广场作为一种沟通地面和地下空问的大型通道，已经得到了人们的青睐，她使地下、地上形成一体，造成一个畅亮的空间。在设计时，下沉式广场与一般地下结构相比，具有不同的特点。2.下沉式广场的设计2.1满足建筑、环境的要求下沉式广场一般与主体工程的出入口相结合，使人流经下沉式广场的空间到达工程内部。在总体上应满足规划、交通部门的人员走向要求。同时，创造一个舒适、悠闲的空间，使人们适应从地面空间到地下空问的环境变化。例如：上海市人民广场地下停车场工程，地下一层为商场，平面面积约25000m2，位于上海市人民广场绿地广场之中。工程的主要出入口采用下沉式广场。下沉式广场布置在中轴线南端及北端，面积各约1000m2。内设全敞开的户外自动扶梯二台并配以楼梯。在广场的外壁及顶部种绿化。这样，从地面看这里仍是一片绿色，站在下沉式广场向上看也是一片生机盎然，吸引了大量人流进入地下空间。又如人民广场香港名店街，是连接人民广场地铁车站和人民广场地下停车场的通道，长度约300m。在这条街的北侧设了一个约800m2的下沉式广场为主要出入口，并设置了二台敞开式的自动扶梯及楼梯，四周墙板配以花坛种植悬垂的绿叶植物。下沉式广场中间还种植了一棵樟树。站在这广场中，感觉到好像仍在地面。人们喜欢坐在树下休息，喝杯饮料，达到休闲的目的。还有人民广场地铁车站，出入口处也设计了一浅谈下沉式广场的设计于晓音黄摘要下沉式广场作为一种沟通地面和地下空间的大型通道，对改善地下空间使用环境起重要作用。在软土地基中，由于下沉式广场的敞开段将引起主体结构两侧水土压力不对称，对下沉式广场外墙本身，也将承受较大的水土压力。因此，下沉式广场的设计与一般地下结构具有不同点。关键词下沉式广场水土压力模拟施工不对称人民广场地下商业街下沉式出入口工程设计155个小型下沉式广场，满足了客流集散的需要，并与绿化相协调。目前，上海地铁二号线还有好几个车站，都设计了大型的下沉式广场。下沉式广场正越来越受到人们的欢迎。2.2下沉式广场一侧主体结构的设计下沉式广场的开挖一般分为与主体同时开挖、同时浇捣以及主体先开挖施工完毕，再开挖施工下沉式广场两种情况。无论是哪种开挖，施工阶段的设计均与一般主体结构相同。使用阶段的主要问题是下沉式广场有较大的敞开部分，这将引起两侧的土压力不对称。当围护结构作为主体结构的一部分时，应在施工阶段模拟施工顺序，并验算使用阶段的受力情况。取两者的控制条件作为结构的计算依据；当主体结构与围护结构相脱离时，施工阶段的水土压力主要由围护结构承受，主体结构根据使用阶段的受力情况进行验算。2.2.1设计荷载的取值2.2.1.1施工阶段一般按朗金上压力理论，考虑水压力和土压力分别计算。根据结构与地基的位移情况以及所采取的施工措施等因素，确定土压力的计算状态，分别为主动土压力、被动土压力；并考虑适当的施工荷载、临近基础的施工影响、车辆荷载等可变作用，按实际情况取值。2.2.1.2使用阶段一般考虑水压力和土压力分别计算。土压力为静止土压力。应考虑临近基础的影响。并按实际情况考虑车辆等可变荷载作用。2.2.2一般计算模式及结果2.2.2.1当围护结构作为外墙的一部分时，施工阶段应模拟开挖顺序；使用阶段考虑单侧水土压力作用并按使用要求进行结构构件承载力、稳定性、变形、裂缝开展宽度等计算。例如：某地铁车站地下二层、三跨，长度260m，在主体结构施工完毕后于5号出入口处再建造一个下沉式广场。为此，主体结构将有约35m长度为下沉式广场的敞开段。考虑到车站结构的特点，将结构简化为二层三跨的平面框架。该车站开挖深度为14.2m，围护结构为800mm厚地下连续墙加竖向四道钢支撑，逆作法施工。在使用阶段该墙作为车站的外墙。其计算简图如下。●施工阶段各工况描述：工况一：基坑开挖至2.5m深，在地下连续墙2m深处施作第一道支撑。工况二：基坑继续开挖至3.5m深，在地下连续墙3m深处施作顶板并在其上覆土，恢复路面。工况三：基坑继续开挖至6.5m深，在地下连续墙6m深处施作第二道支撑。工况四：基坑继续开挖至7.5m深，在地下连续人民广场地铁车站下沉式出入口图2.2.2.1(a)156地下院30周年论文集墙7m深处施作中楼板并拆除第二道支撑。工况五：基坑继续开挖至9m深，在地下连续墙8.5m深处施作第三道支撑。工况六：基坑继续开挖至12m深，在地下连续墙11.5m深处施作第四道支撑。工况七：基坑继续开挖至14m深。●使用阶段工况描述：在地下连续墙13.5m深处施作底板并拆除第三、第四支撑后时期为使用阶段。●在垂直荷载作用下以及内部活荷载不利布置、水压力作用下的计算简图及组合此处不进行详述。下沉式广场开挖后在单侧水土压力作用下，其计算简图如下：●计算结果：计算结果表明，结构主体大多为多跨空间结构，当两侧荷载不对称时，两侧内力和位移不对称。由于顶板、中楼板刚度较大，阻止了覆土一侧的连续墙的变形，使该侧的内力增大，由于结构主体本身具有较大的刚度和强度，在单侧水压力及静止土压力作用下，虽然结构不对称，但产生的变形较小，不会影响结构的使用，结构本身一般能满足使用阶段的要求。2.2.2.2当围护结构与外墙脱离时，其主体主要以使用阶段作为设计控制条件，除验算在垂直荷载条件下的结构承载力、变形、裂缝开展宽度以外，还应验算在单侧水土压力作用下对主体结构的影响。例如，上海人民广场香港名店街,该工程长300m,宽36m。其中，48m长度内有一下沉式广场，宽度18m。在此范围内主体宽度仅为18m。该工程下沉式广场与主体一次浇捣完成。围护结构为水泥土搅拌桩，平时不作为主体的受力构件。该工程在单侧水土压力作用下的计算模式如下:同时,由于顶板在此段有很大削弱,特别是在折角处的受力状况比较复杂，因此，根据顶板的侧向受力条件对此段进行分析，其计算模式如下：计算结果表明，由于主体结构一侧为多跨，其整体刚度较大，使用阶段能承受单侧水土压力。在下沉式广场处，主体结构顶部的变形主要由顶板来抵抗，外墙则应增加其刚度以抵抗较大的弯矩和剪力。另外，顶板的四个折角处有很大的应力集中，设计时应对此节点进行构造加强。2.3.下沉式广场的设计2.3.1施工阶段施工阶段下沉式广场的设计，需根据不同的开挖情况与顺序以及围护结构是否与外墙两墙合一进行设计。其设计的方法与主体结构相同，此处不再重复。2.3.2使用阶段2.3.2.1下沉式广场一般面积较大，没有顶板。此处的自重较轻。在地下水位较高的地方，设计下图2.2.2.1(b)图2.2.2.1(c)图2.2.2.1(d)图2.2.2.2(a)图2.2.2.2(d)图2.2.2.2(e)图2.2.2.2(b)图2.2.2.2(d)工程设计157沉式广场时，一般要采取抗浮措施。例如，上海市人民广场香港名店街的抗浮采用钢筋检预制桩，而人民广场地下停车场下沉式广场采用钻孔灌注桩作为抗浮桩。2.3.2.2下沉式广场的侧墙要承受静止上压力以及水压力的作用。当沿外墙没有顶板时，外墙的上部没有支承点。因此，在结构上要创造条件，采取措施，使该外墙满足承载力及变形的要求。例如：香港名店街下沉式广场，开挖深度7.7m，外墙处无顶板（见图2.2.2.2(a)）。因此，外墙相当于一悬臂板。为使外墙能承受静止土压力及水压力，在外墙外侧加设壁柱，以增加外墙的刚度，减少墙体的变形，为节约材料以及保持地面段的美观，壁柱为上小下大，与计算所得的弯矩图形状相近（见图2.3.2.2(a)）。又如人民广场地下停车库，在下沉式图2.3.2.2(a)图2.3.2.2(b)广场外墙边要设一排商店，结构设计利用这一建筑布置，将连续墙设计成T字形，在上部一定高度处，将T字形连续墙的腹极收小，既满足建筑要求，又满足结构受力及变形要求（见图2.3.2.2(b)）。3.结论与体会3.1下沉式广场作为沟通地面、地下空间的大型通道，为地下空间的利用改善了环境，在建筑上是必要的，在结构设计上是可行的。3.2在设计上，应根据施工阶段及使用阶段的不同受力状况进行分析。特别要注意结构在单侧水土压力作用下的受力情况。3.3在设计过程中，结构应根据建筑要求，尽量利用空间结构整体抵抗单向水土压力，达到节省造价的目的。参考文献[1]上海市标准地基基础设计规范(DBJ08-11-89)[2]上海市标准基坑工程设计规程b(DBJ08－61－97)[3]刘建航、候学渊主编.基坑工程手册注：本文于1999年12月在香港举行的第二届中日联合研讨会上用英文版交流。