框筒結(jié)構(gòu)復(fù)合地基設(shè)計計算分析4

1、框筒結(jié)構(gòu)復(fù)合地基設(shè)計計算分析摘 要 本文通過清華科技園科技大廈工程實例介紹了框筒結(jié)構(gòu)建筑物的工程特點和復(fù)合地基設(shè)計計算方法。關(guān)鍵詞 高層建筑 框筒結(jié)構(gòu) 核心筒 地基處理 設(shè)計計算 1 前言 目前，城市高層和超高層寫字樓的大量出現(xiàn)，采用框筒結(jié)構(gòu)型式也越來越多。由于框筒結(jié)構(gòu)荷載分布不均勻，使其受力不同于剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)型式和功能要求，框筒結(jié)構(gòu)具有如下特點：（1）為了盡可能減少在水平力作用下的扭轉(zhuǎn)，框筒結(jié)構(gòu)設(shè)計時通常采用具有對稱軸的簡單規(guī)則平面，如方形或長方形。（2）荷載分布不均勻性。外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，核心筒面積約占樓面面積的20，而核心筒荷載卻占塔樓總荷載的50左右，核心筒和外框柱的荷載差異，使控

2、制核心筒與外框柱之間的差異變形以及核心筒對底板的沖切驗算成為框筒結(jié)構(gòu)地基設(shè)計計算的突出問題?？蛲步Y(jié)構(gòu)以前多采用樁基礎(chǔ)，或采用變剛度調(diào)整原理調(diào)整核心筒區(qū)域和外框架的樁長、樁間距來解決變形協(xié)調(diào)問題。隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展，采用施工便捷、費用低廉的剛性樁復(fù)合地基來解決外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的地基問題成為可能。本文介紹了框筒結(jié)構(gòu)建筑物的工程特點和復(fù)合地基設(shè)計計算方法，供類似工程設(shè)計時參考。2 工程概況清華科技園科技大廈位于北京市海淀區(qū)清華大學(xué)東門西側(cè)，清華科技園內(nèi)。該工程總建筑面積約18.8萬m2，為大底盤四塔結(jié)構(gòu)（圖1），底盤尺寸為128124m，地上主體為四棟25層塔樓，地面至檐口高度99.9m；裙房一至四

3、層不等；地下三層，基礎(chǔ)底板底標高為17.4m。該工程高層部分采用現(xiàn)澆混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，筏板基礎(chǔ)。該工程 0.00為51.00m，基底標高為33.6m，基礎(chǔ)底板設(shè)置在第四紀沖洪積沉積土層的粉質(zhì)粘土層，該層承載力特征值粉粉fka為190kpa，由于高層部分承載力和變形不能滿足設(shè)計要求，擬采用cfg樁復(fù)合地基進行處理。圖 1 科技大廈基礎(chǔ)平面布置圖3 工程特點(一)建筑結(jié)構(gòu)特點清華科技園科技大廈為大底盤四塔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)型式為外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，核心筒面積占樓面面積的20，核心筒荷載占塔樓總荷載的49.7（南塔）和54.5（北塔）。地基處理的重點是控制核心筒與外框柱之間的沉降差、外框柱和裙房之間的沉降

4、差，系按變形控制進行復(fù)合地基設(shè)計。核心筒荷載占的比例很大，核心筒對底板的沖切驗算是結(jié)構(gòu)和地基處理設(shè)計的一項重要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的復(fù)合地基設(shè)計條件如下：（1）承載力復(fù)合地基承載力特征值需滿足見表1的荷載要求，同時應(yīng)使復(fù)合地基抗力中心應(yīng)與高層部分荷載作用中心基本重合。表1復(fù)合地基設(shè)計條件樓座基礎(chǔ)底面處的平均壓力標準值(kn/m2)核心筒及外擴部分高層框架柱及外擴部分北塔620.0420南塔630.0470 (2)變形a.高層部分在附加應(yīng)力作用下最終沉降量40mm;b.高層核心筒與外框柱在不考慮底板調(diào)節(jié)時沉降差不大于1; (二)地基土物理力學(xué)性質(zhì)清華科技園科技大廈場地各層土的物理力學(xué)指標和剖面圖見

5、表2和圖2。表2 土的物理力學(xué)指標統(tǒng)計表(平均值) 土的物理力學(xué)指標 土層 編號含水量(%)天然重度 (kn/m3)孔隙比e液性指數(shù)il壓縮模量es(mpa)標準貫入試驗 錘擊數(shù)n各層土 承載力標準值(kpa)+100+200 +300 粉砂(20)20210粉質(zhì)粘土22.020.40.620.507.18.39.54150粉質(zhì)粉土21.620.40.620.4110.912.013.217190卵石(50)35*450粉質(zhì)粘土23.020.10.660.3514.515.416.6230卵石(55)1175001粉細砂 (35)152602粉質(zhì)粘土 25.519.70.740.4020.22

6、1.423.42803礫砂 (35)52604粘質(zhì)粉土 24.020.00.670.3131.431.435.3280圖2 場地典型地質(zhì)剖面根據(jù)勘察報告，本工程基礎(chǔ)底面以下至層卵石頂面以上（厚度約20m）為中低壓縮性的粉質(zhì)粘土層、卵石層、粉質(zhì)粘土層，這一范圍土層以粉質(zhì)粘土為主，液性指數(shù)在0.4左右，孔隙比在0.550.65之間，土層分布較均勻，層卵石以下基本以卵石為主，低壓縮性。如在基底與層卵石之間打設(shè)cfg樁，cfg樁和原土一起可形成良好的復(fù)合地基，可使地基承載力較大提高，以滿足建筑物荷載的要求。層卵石為良好的樁端持力層，對樁端下臥層的應(yīng)力擴散及變形控制起著非常有利的作用。4 cfg樁復(fù)合地

7、基設(shè)計(一) 設(shè)計方案本工程采用cfg樁復(fù)合地基方案，施工工藝采用長螺旋鉆管內(nèi)泵壓施工工藝。cfg樁復(fù)合地基以第層卵石為樁端持力層。各樓座的設(shè)計參數(shù)見表3。表3 各樓座cfg樁復(fù)合地基設(shè)計參數(shù)樓座有效樁長 (m)樁徑(mm)樁間距(m)樁數(shù)(根)褥墊層厚度(cm)樁身強度等級核心筒外框柱北樓（a、b）22.54151.301.75704220c25南樓（c、d）22.54151.301.55722220c25cfg樁復(fù)合地基設(shè)計考慮了以下幾方面：(1)本工程為 外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，荷載分布不均勻。 (2)考慮外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)荷載傳遞特點，可將地基處理范圍劃分為四個區(qū)域：核心筒沖切區(qū)域、核心筒荷載平衡區(qū)域

8、、外框柱荷載平衡區(qū)域，核心筒荷載平衡區(qū)域和外框柱荷載平衡區(qū)域之間的過渡區(qū)域。在這四個區(qū)域中，核心筒沖切區(qū)域包括在核心筒荷載平衡區(qū)域內(nèi)， 核心筒沖切區(qū)域和核心筒荷載平衡區(qū)域 范圍大小主要取決于底板厚度。(3)底板沖切驗算是外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計時保證結(jié)構(gòu)安全的重要環(huán)節(jié)，也是計算確定核心筒沖切區(qū)域的地基反力以及復(fù)合地基承載力的重要步驟。（4）大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)型式以及框筒結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)特性使變形協(xié)調(diào)成為地基基礎(chǔ)設(shè)計時需主要解決的問題，包括核心筒和外框柱之間的變形協(xié)調(diào)、外框柱和周圍裙房間的變形協(xié)調(diào)。(二） 復(fù)合地基承載力和變形計算(1)承載力計算外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)復(fù)合地基承載力計算包括兩方面內(nèi)容：一方面需根據(jù)核

9、心筒和外框柱荷載確定地基處理各區(qū)域地基處理需達到的承載力值；另一方面根據(jù)勘察報告和計算來確定樁長、樁間距等參數(shù)來保證地基處理后能夠達到確定的承載力值。確定各區(qū)域地基處理后需達到的承載力值a. 核心筒沖切區(qū)域在已知底板厚度、底板混凝土強度和荷載效應(yīng)基本組合時的核心筒所承受的軸力設(shè)計值f，可根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范gb500072002 第8.4.8條按下式求得筏板沖切破壞錐體內(nèi)的地基反力設(shè)計值r（地基反力值r應(yīng)扣除板的自重）。在假設(shè)核心筒沖切區(qū)域反力為均勻分布的條件下，可求得筏板在給定厚度條件下滿足抗沖切所需的承載力值. (1) (2) 式中各符號意義相見建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范gb50007200

10、2 第8.4.8條。 b. 核心筒荷載平衡區(qū)域核心筒荷載平衡區(qū)域是指沿核心筒外沿向邊外擴2.5倍板厚的區(qū)域，在這個區(qū)域可認為核心筒荷載能夠向外均勻的擴散，地基反力為線性均勻分布(圖3)。當沿核心筒外沿向邊外擴2.5倍板厚范圍超過核心筒外沿和外框柱內(nèi)側(cè)的一半時，可取核心筒外沿和外框柱內(nèi)側(cè)的一半包圍的區(qū)域為核心筒荷載平衡區(qū)域。該區(qū)域的地基處理后的承載力為核心筒的軸力除以核心筒荷載平衡區(qū)域的面積。圖3 核心筒荷載沖切區(qū)域和荷載平衡區(qū)域示意圖核心筒荷載平衡區(qū)域包含核心筒沖切區(qū)域，由于核心筒及其周圍的反力分布規(guī)律還有待于進一步研究，建議取這兩個區(qū)域確定的承載力大值對這兩個區(qū)域進行布樁。c. 外框柱荷載平

11、衡區(qū)域外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的外框柱由于受平面布置在水平力作用下具有剪力滯后的特性，造成角柱荷載最大，各柱之間具有荷載不平衡的特點，對各個柱可根據(jù)其荷載大小在沿柱2.5倍板厚的區(qū)域進行荷載平衡，當各柱之間荷載平衡區(qū)域基本相連時，可沿柱取一定寬度的板帶作為外框柱的荷載平衡區(qū)域，外框柱荷載平衡區(qū)域的承載力由外框柱軸力除以確定的外框柱荷載擴散區(qū)域的面積。需要特別說明的是驗算最大軸力外框柱的沖切也是確定外框柱承載力的一個重要步驟。d. 核心筒荷載平衡區(qū)域和外框柱荷載平衡區(qū)域之間的過渡區(qū)域在多數(shù)情況下,核心筒荷載平衡區(qū)域和外框柱荷載平衡區(qū)域連接在一起，過渡區(qū)域不存在?？筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)特點進行構(gòu)造布樁。本工程根據(jù)上述原則

12、確定的各區(qū)域承載力需大于表1的荷載值。2、確定設(shè)計參數(shù)和復(fù)合地基承載力。根據(jù)圖2的地質(zhì)剖面圖和表2的物理力學(xué)指標，cfg樁有效樁長22.5m時，計算單樁極限承載力值為2630kn,取安全系數(shù)為2，計算單樁承載力特征值為1315kn。 由于cfg樁樁身混凝土強度等級為c25,cfg樁承載力特征值是由樁身強度來控制，根據(jù)經(jīng)驗，對于樁徑400mm 、樁身混凝土強度等級為c25的cfg樁，按樁身強度控制單樁承載力特征值可取800kn?；滋烊坏鼗休d力標準值為190kpa。通過復(fù)合地基承載力計算，南塔和北塔核心筒及外擴部分樁間距取1.3m, 南塔框架柱部分樁間距取1.55m，北塔框架柱部分樁間距取1.

13、75m。(2)變形計算框筒結(jié)構(gòu)變形研究較少，參考均勻布樁筏板變形計算方法，可近視采用線性理論分層總和法計算模式，在加固區(qū)模量取樁土復(fù)合模量，核心筒范圍和外框架采取不同的樁土復(fù)合模量，應(yīng)用荷載疊加原理對不同區(qū)域變形進行計算。控制建筑物的總沉降量以及核心筒與外框柱之間的沉降差。對清華科技園科技大廈南北塔樓進行計算，在附加應(yīng)力作用下沉降計算結(jié)果為沉降量小于40mm，沉降差小于1，變形計算滿足設(shè)計要求。5 cfg樁復(fù)合地基加固效果及評價清華科技園科技大廈cfg樁施工完畢，進行靜載荷試驗和低應(yīng)變檢測。靜載荷試驗檢測結(jié)果見圖4圖5，核心筒及外擴部分和外框柱及外擴部分cfg樁復(fù)合地基承載力均滿足設(shè)計要求。各

14、樓座低應(yīng)變檢測結(jié)果表明樁身完整。圖4 核心筒及外擴部分單樁復(fù)合地基ps曲線a. 單樁q-s曲線b. 樁間土p-s曲線圖5 外框柱及外擴部分單樁qs曲線和樁間土p-s曲線在結(jié)構(gòu)施工過程中,業(yè)主委托專業(yè)的測量單位對四棟塔樓進行了沉降觀測，北塔a沉降時間曲線見圖6。在結(jié)構(gòu)封頂時，四棟高層建筑物沉降量均在25mm左右。建筑物裝修基本完成時沉降量在40mm，從沉降時間曲線來看，沉降還未穩(wěn)定，預(yù)估建筑物最終沉降量將在50mm（包括回彈再壓縮變形）。從圖6還可以看出，核心筒沉降量略大于外框柱，但其沉降值基本趨于一致。核心筒和外框柱之間的沉降差很小。能夠滿足設(shè)計要求?？梢娗迦A科技園科技大廈采用cfg樁復(fù)合地基處理是成功的。圖6 建筑物沉降時間曲線7 結(jié)語1、框筒結(jié)構(gòu)