某辦公樓上部結(jié)構(gòu)設計及基礎(chǔ)方案比較

任芙蓉 張廣英 張虎

摘 要： 本文對天津某辦公樓基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的設計進行了介紹。對基礎(chǔ)中樁型的選擇提出了三種方案并進行了對比分析選出最佳方案。本工程上部結(jié)構(gòu)的主要特點為局部有一錯層，本文對錯層部位的處理進行了簡單概述，并對設計中存在的問題進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：方樁；管樁；錯層結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU3 文獻標識碼：A

1工程概況

該項目位于天津市空港區(qū)，為一辦公用樓，總建筑面積4421m2。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)分為三層，建筑總高度14.65m，其中一、二層層高均為4.5m，三層層高為4.4m，基本柱網(wǎng)尺寸為9m×8.4m，局部有一單層報告廳，報告廳層高為6.5m，跨度為16.8m。

工程所在地區(qū)的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，設計地震分組為第二組，場地類別Ⅳ類。本工程抗震設防類別為標準設防類（丙類），鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震等級為三級，抗震構(gòu)造措施提高一級，安全等級為二級，設計使用年限為50年?；撅L壓按重現(xiàn)期為50年采用0.5，地面粗糙類別為B類，基本雪壓0.4（按重現(xiàn)期50年采用）。該工程地基基礎(chǔ)設計等級為乙級，基礎(chǔ)采用樁基加基礎(chǔ)梁的形式，樁基設計等級為乙級。

2結(jié)構(gòu)設計

2.1地基基礎(chǔ)設計

本工程的設計地面標高±0.00相當于絕對標高4.00m，根據(jù)該場地巖土工程勘察報告，本場地屬非液化場地，場地土為軟弱土，場地類別為Ⅳ類，本場地11.00m深度范圍內(nèi)以土質(zhì)軟、強度低的淤泥質(zhì)粘土和流塑狀態(tài)粉質(zhì)粘土為主，該建筑物若采用天然地基其沉降量和變形量較大，不滿足設計要求，結(jié)合以往施工經(jīng)驗，宜采用樁基，選用第層粉土層作為樁端持力層，樁長為18m。

表1 主要土層參數(shù)

地層參數(shù) 巖性 fak（kPa） 壓縮模量

Es1-2（MPa）

4 粘土 90 3.6

6a 淤泥質(zhì)粘土 65 2.7

6b 粉質(zhì)粘土 95 4.3

6c 粉質(zhì)粘土為主 115 5.4

8 粉土 180 16.2

9 粉質(zhì)粘土為主 160 6.2

10 粉土 190 11.1

11a 粉質(zhì)粘土為主 170 6.7

11b 粉土 200 16.7

11c 粘土 180 6

2.1.1樁型選擇

方案一：采用鉆孔灌注樁，樁徑為600mm，樁端進入持力層的深度不小于1m。

方案二：采用預應力高強混凝土空心方樁HKFZ（天津市工程建設標準設計），樁型為AB型，樁邊長為500mm，樁端進入持力層的深度不小于1m，樁尖類型為混凝土閉口樁尖，樁心距取4.0倍的樁徑2m。

表2預制樁與灌注樁樁基參數(shù)表

地層參數(shù) 巖性 預制樁 灌注樁

qsik qpk qsik qpk

（kPa） （kPa） （kPa） （kPa）

4 粘土 30 28

6a 淤泥質(zhì)粘土 20 18

6b 粉質(zhì)粘土 28 26

6c 粉質(zhì)粘土為主 35 33

8 粉土 58 2300 56 700

9 粉質(zhì)粘土為主 55 1600 54 600

10 粉土 70 65

11a 粉質(zhì)粘土為主 64 2200 60 650

方案三：采用預應力高強混凝土管樁，樁徑為600mm，樁型為AB型，管樁樁尖采用錐形鋼樁尖，樁心距取4.0倍的樁徑2.4m。

比較方案一與方案三，方案一中鉆孔灌注樁雖然可以消除打樁對鄰近建筑物有害影響，但鉆孔灌注樁在樁身穿越軟弱土及樁端進入粉土層時，還須注意孔壁縮頸或砂土塌孔等現(xiàn)象，對泥漿配比及施工工藝等有較高要求，鉆孔灌注樁樁身穿越厚層粉土時，因鉆進速度慢，鉆孔施工時間長，樁身局部易夾泥，其承載力和成樁質(zhì)量存在不穩(wěn)定性，易受施工質(zhì)量的影響，且灌注樁施工過程中養(yǎng)護周期長，有泥漿，污染環(huán)境。預制樁其樁身質(zhì)量易于保證和檢查，抗腐蝕能力強，施工工效高，且通過計算可知，當樁長均為18m、樁徑均為600mm時，采用預制樁其單樁承載力特征值Ra=730KN，灌注樁Ra=638KN，結(jié)合該場地周圍項目的施工經(jīng)驗綜合考慮本項目選擇采用預應力高強混凝土預制樁。

比較方案二與方案三，二者同屬預應力高強混凝土預制樁，方案二為方樁，樁邊長為500mm，方案三為管樁，樁徑600mm，由計算可知，邊長為500mm方樁的單樁承載力特征值為Ra=730KN ，樁徑為500mm管樁的單樁承載力特征值為Ra=573KN，通過比較發(fā)現(xiàn)在樁長相同時同樣樁徑的方樁其單樁承載力特征值是管樁的1.27倍，只有當管樁的樁徑增加到600mm（Ra=725KN）時，其單樁承載力特征值才與邊長為500mm的方樁相當，但由于采用樁徑為600mm的管樁時，由于樁心距的增加承臺混凝土用量也會相應增加，經(jīng)和廠家咨詢，直徑為600的預應力管樁（240元/m）與邊長500mm的空心方樁（225元/m）價格相差不多，但采用邊長為500mm的方樁時可大大節(jié)省承臺混凝土的用量。當樁心距為4d、承臺厚度為1m時，分別計算采用邊長為500mm的方樁和樁直徑為600mm的預應力管樁的情況下混凝土的用量及總的價格，見表3

表3 方樁和管樁的經(jīng)濟參數(shù)指標

樁型 單樁豎向承載力特征值（KN) 樁總數(shù)（根） 承臺混凝土用量（m3） 樁單價

（元/m） 承臺鋼筋混凝土綜合單價（元/m3） 總材料費用（萬元）

管樁（樁徑600mm） 725 184 663.86 240 1075 150.85

方樁（樁邊長500mm） 729 184 467.41 225 1075 124.75

由表3觀察可知，采用樁徑為600mm的管樁時其總造價是方案二的1.2倍，故本工程選用方案二。

2.1.2地坪處理

根據(jù)該場地地質(zhì)工程勘察報告，本場地為軟土場地，當房間尺寸較大時，地坪易下沉開裂，需進行地坪處理。本工程采用結(jié)構(gòu)架空地坪的做法進行地坪處理，采用架空地坪的做法可大大減小房屋的不均勻沉降而產(chǎn)生的變形。本次設計中通過設置結(jié)構(gòu)板和地坪梁將一層的荷載通過板傳到地坪梁上，然后通過地坪梁將一層荷載傳導至柱底，通過柱底傳到承臺及基樁。傳統(tǒng)的地坪處理方法多采用換土墊層法，是將一層樓面荷載直接傳導到地基土上，而架空地坪法是最終是將一層地面荷載傳導到承臺和基樁上，故樁的數(shù)量和承臺鋼筋混凝土用量會有所提高，成本略高，但其整體力學性能好，可減小房屋的不均勻沉降變形。

2.2上部結(jié)構(gòu)計算

本工程為三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)特點為局部有一單層報告廳，該單層報告廳的層高為6.5m，而主體結(jié)構(gòu)標準層高為4.5m，故此處形成一錯層。其剖面圖、平面圖分布見圖1、圖2。.

圖1.辦公樓剖面圖

圖2.辦公樓平面圖

由于該結(jié)構(gòu)單層報告廳屋面板與辦公樓一層樓板的板頂標高相差2m，故PKPM建模時不能將一層樓板與單層報告廳視為同一層高，應注意錯層位置的處理。

建模時候按照實際模型建立四個標準層，這種方法在工程中廣為應用，但此方法會在一、二標準層之間形成短柱，同時主體結(jié)構(gòu)一層頂板（4.500m標高）與二層頂板（9.000m標高）之間柱子的計算長度也變小，與實際情況不符合，柱子的配筋與截面均會受到影響。

本次設計中僅建立三個標準層，將主體結(jié)構(gòu)一層頂板和單層報告廳建為一個標準層，通過改變單層報告廳柱上節(jié)點標高的形式實現(xiàn)錯層，同時改變單層報告廳梁的節(jié)點標高使其與柱節(jié)點標高相同，均應為6.500m，錯層相交處標高4.500m位置再設置一道框架梁，這樣建立的模型既不僅不影響柱的計算長度，而且與實際模型相吻合，保證了計算結(jié)果的準確。

3結(jié)語

1.鉆孔灌注樁雖然施工噪聲和震動小，在各種地基上均可使用，但其受力性能較容易受到施工質(zhì)量的影響，其承載力和成樁質(zhì)量存在不穩(wěn)定性，施工過程易造成環(huán)境污染，不環(huán)保，故本工程采用預制樁。預制樁在飽和粘性土中的擠土效應比較明顯，由于場地分布厚層淤泥質(zhì)軟土，建議設計時適當增大樁間距，施工時應采取合理的施工順序，以減少擠土效應的影響。

2. 根據(jù)本場地地質(zhì)條件，通常情況下采用地坪下?lián)Q填處理法即可滿足設計要求，換填處理法對施工質(zhì)量要求較高，其對房屋不均勻沉降變形的控制較架空地坪法差，但其成本較低，在業(yè)主方對不均勻沉降不是特別敏感的情況下可選擇采用地坪下?lián)Q填處理法，可大大節(jié)約成本。而當業(yè)主方對房屋不均勻沉降有嚴格要求控制時，宜采用架空地坪法進行地坪處理。

3. 根據(jù)地質(zhì)報告，地下水對混凝土具有弱腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，應做好基樁和承臺的防腐蝕工作，根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》（GB50046-2008），樁身混凝土抗?jié)B等級為P10,樁尖采用閉口型。管樁接頭部位接樁鋼零件應涂刷防腐蝕性耐磨涂層或增加鋼零件厚度的腐蝕裕量不小于2mm。承臺表面刷聚合物水泥砂漿，厚度大于等于5mm，基礎(chǔ)梁表面刷聚合物水泥砂漿，厚度大于等于10mm。

4. 本設計建模過程中采用改變網(wǎng)格節(jié)點標高的形式對錯層位置進行了處理，該方法雖然與真實情況相近，但僅適用于少量房間錯層的情況，在錯層部位較多時，采用該方法手工計算錯層標高繁冗易出錯，修改的工作量大，宜慎重采用。房間錯層部位較多時也可采用增加標準層的辦法，但改變了柱子的計算長度，對計算結(jié)果又一定的影響，實際工程中采用哪種方法處理錯層還應根據(jù)不同的項目具體分析。

5. 錯層層高不一致致使樓層間的控制參數(shù)，如層間位移比、層間剛度比、層間受剪承載力比等計算失真，因此不宜機械的采用這些數(shù)值，而應加以分析和手工校核。考慮到錯層結(jié)構(gòu)計算的不確定性以及其對結(jié)構(gòu)抗震的不利性等因素，設計中應盡量避免錯層結(jié)構(gòu)，或在錯層處設縫使其分為兩部分，從而保證結(jié)構(gòu)布置的規(guī)則性。

參考文獻：

[1] GB50011-2010 《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010

[2] GB50010-2010 《建筑抗震設計規(guī)范》.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010

[3] GB50007-2011. 《建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011