基础变刚度调平设计的应用

薛婷怡

(莆田市城乡规划设计研究院 福建莆田 351111)

基础变刚度调平设计的应用

薛婷怡

(莆田市城乡规划设计研究院 福建莆田 351111)

阐述了变刚度调平设计的概念与原则，在框筒结构基础设计中，采用增大内部桩长，缩小内部桩距的措施，可以实现强化内部及高荷载区，弱化外围区的设计原则，达到减少差异沉降，减小基础内力、基础厚度、基础用钢量，减少桩数、总桩长，大大降低基础造价。

变刚度调平；基础设计；框筒结构；高层建筑

0 引言

《抗震设计规范》GB50011-2010(以下简称《抗规》)，3.3.4.2“同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基”，高层建筑中，在主楼和裙房不分缝的情况下，不满足该条规定时，就必须考虑不同地基的变形差异。 《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008(以下简称《桩基》)，提出了在基础设计中可采用变刚度调平设计的概念，突破了《抗规》的这条规则。变刚度调平的基本原则就是控制沉降差，“抑强补弱”促使沉降趋向均匀。因为如果沉降不均匀，基础将产生附加应力，基础的内力增大，会导致基础面积和配筋的增大，也会使上部结构内力重分布，引起构件的开裂或破坏，甚至建筑物的倾斜。基础设计应考虑地基(桩土)—基础—上部结构的共同作用，调整地基(桩土)刚度，使反力同荷载分布相协调，沉降变形趋向均匀。

1 主裙楼间的变刚度调平

《桩基》3.1.8.1条：对于主裙楼连体建筑，当高层主体采用桩基时，裙房(含纯地下室)的地基或桩基刚度宜相对弱化，可采用天然地基、复合地基、疏桩或短桩基础。

超大商业综合体项目一般由多栋塔楼、裙楼、大底盘地下室组成。在传统的桩基设计中，在同一结构单元下，布置等长等间距等直径的桩，这种“等刚度”布置原则，会造成地基或桩群的竖向支承刚度分布发生内弱外强的变化，沉降变形出现内大外小的蝶形分布，基底反力出现内小外大的马鞍形分布，如图1a所示。传统设计中，设计人员常通过设置沉降变形缝或沉降后浇带来规避沉降差异带来的影响，这么处理既影响建筑功能，又加大防水处理的难度。沉降后浇带因长时间无法浇筑所产生的钢筋锈蚀、清理不力等问题，也影响了施工质量。若能减少沉降差，就可以减少设置沉降变形缝或沉降后浇带，从而也减少消耗，缩短工期。

案例一: 2个塔楼用筏板，中间地库用独基+防水板或用较主楼薄的筏板，需用沉降后浇带隔开，如图2a所示。

案例二: 塔楼偏置的情况下，如果都用筏板，筏板的偏心距肯定超过规范限值。塔楼用筏板，车库用独基+防水板，如图2b所示。

案例三: 2个塔楼用筏板，塔楼中间的地库用独基+防水板，或用较主楼薄的筏板，需用沉降后浇带隔开；南侧的车库只能用独基+防水板，否则偏筏板的偏心距肯定超过规范限值，如图2c所示。

(a) 均匀布桩 (b)不均匀布桩图1 均匀布桩与不均匀布桩的变形与反力示意[1]

(a) (b) (c)图2 主裙楼桩筏基础案例

2 高层建筑内部的变刚度调平

《桩基》3.1.8.2条：对于框架-核心筒结构高层建筑桩基，应强化核心筒区域桩基刚度(如适当增加桩长、桩径、采用后注浆等措施)，相对弱化核心筒外围桩基刚度(采用复合桩基，视地层条件减小桩长)。

《桩基》3.1.8.3条：对于框架-核心筒结构高层建筑天然地基承载力满足要求的情况下，宜与核心筒区域局部设置增强刚度、减小沉降的摩擦桩。

采用天然地基时，对荷载分布比较集中的区域(如核心筒附近等)实施局部加强处理，可采用局部桩基或采用局部刚性复核地基，如图3a所示。

(a)局部增强 (b)变桩距 (c)变桩径 (d)变桩长图3 变刚度布桩[1]

3 复合地基的变刚度调平

复合地基的变刚度调平设计是通过改变置换率m。例：采用CFG桩做复合地基，可按不同基底压力分区域的改变CFG桩的间距，从而改变置换率，改变地基的刚度，最终控制地基的沉降，减小差异沉降。在划分区域时要注意 “边载效应”，即边载的存在能明显提高复合地基的承载力，使对应同一荷载作用下的复合地基沉降减小[3]。在复合地基设计时，一定要注意根据边载条件，调整基底压力后，再划分区域。

4 变刚度设计流程

变刚度设计流程如图4所示。

5 工程案例

某框架—核心筒办公楼，上部15层，地下2层，结构高度为67.5m，抗震设防烈度为6度(0.05g)，设计地震分组为第二组。土层分布情况如表1所示。

表1 某工程土层分布情况

注：地下常年水位在⑥碎石层内，水位标高-18.350m

基底标高为-8.000m，1.0横+1.0活工况下，建筑总重量422 047kN，核心区重量186 328kN，基底平均压力220KPa，筏板底在③粉质粘土(Ⅱ)层。若用复合地基来提高承载力， CFG桩可能无法穿透卵石和碎石。若采用人工挖孔扩底灌注桩，需采取降水措施，降低碎石层内的地下水，且碎石层渗透系数大，护壁隔水困难，恐有塌孔问题。综上分析后，采用桩筏基础，桩采用C35钻孔灌注桩, 并采用后注浆技术提高单桩承载力，桩径800mm，桩身强度为3 730kN。计算软件采用盈建科软件，在计算上部时，需生成传给基础的刚度，计算桩筏时，采用弹性地基梁板计算方法，需考虑上部刚度，板上剪力墙按深梁考虑。

方案一： 桩径800mm，桩长21m，持力层为⑧砂质页岩，单桩承载力特征值取3 500kN，均匀布桩，当桩距为3.0m时，满足承载力要求，桩数最少，为224根。基础沉降呈现出明显的内大外小的蝶形，两点相对沉降差最大值为0.21%，基础筏板的内力较大，含钢量高。

方案二： 根据变刚度调平设计原则，增强核心筒范围基础刚度，弱化外围基础刚度。

在核心筒范围满布桩，桩径800mm，桩距2.4m，桩长21m，持力层为⑧砂质页岩，单桩承载力特征值取3 500kN，而在外围框架，桩径800mm，桩距2.8m，桩长15m，持力层为⑦泥质页岩，单桩承载力特征值取2 500kN。此时桩数为194根(比方案一少30根)，其中核心区桩数=核心区重量/单桩承载力特征值×考虑偏心增大系数×核心区强化系数 =186 328/3 500×1.2×1.3=83，取90根。核心区桩数=外框重量/单桩承载力特征值×考虑偏心增大系数×弱化系数 =(422 047-186 328)/2 500×1.2×0.9=102，

取104根。桩位布置如图5a所示,沉降图如图5b所示。两点相对沉降差最大值为0.13%小于规范限制0.2%，对比方案一，基础筏板的内力减小，含钢量降低。

(a)桩位布置图 (b)沉降图图5 桩位布置及沉降

6 结论

(1)高层建筑的基础设计首先要结合上部荷载情况和地质条件，考虑是否进行变刚度调平设计。

(2)主裙楼连体的大底盘基础变刚度调平原则是，增强主楼的基础刚度，减少主楼的沉降，弱化裙房的基础刚度，增大裙楼的沉降。

(3)对框剪、框筒结构基础的变刚度调平原则是，强化内部及高荷载区，弱化外围区。增大内部桩长，缩小内部桩距是有效的措施。

(4)采用变刚度调平设计，应尽量选择桩径小，单桩承载力较高的桩型，如采用后注浆技术的灌注桩，以便布桩的灵活性。

(5)通过改变桩长来实现变刚度调平设计时，应尽量选择压缩模量差别大，且承载力差别不是很多的2个持力层,且桩长要根据基础埋深和孔位土层计算好，避免在软件中弄错持力层。

(6)采用变刚度调平设计，可减少设缝和沉降后浇带，减小基础内力、基础厚度、基础用钢量，减少桩数、总桩长，大大降低基础造价。

[1] 朱炳寅.建筑结构设计问答及分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2] 王涛，高文生，刘金砺.桩基变刚度调平的实施方法研究[J].岩土工程学报，2010.

[3] JGJ79-2002 建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

Optimization design of foundation stiffness in project

XUETingyi

(Putian Urban and Rural Planning Design and Research Institute,Putian 351111)

This paper expounds the concept and the principle of optimization design of foundation stiffness. In the frame core tube structure’s foundation design, the measures which increase the internal pile length and reduce the internal pile spacing are used.The design principle which is strengthing internal and high load areas, weaking the peripheral areas, reduces differential settlement,internal force of the foundation, thickness of the foundation, reduces steel content of the foundation, numbers of the piles, total length of the piles , greatly reduce the cost.

Optimization design of foundation stiffness; Frame core tube structure;Foundation design

薛婷怡(1984.2- )，女，工程师。

E-mail:gracie4@qq.com

2017-05-05

TU973+.35

A

1004-6135(2017)07-0094-03