大刚度底盘在软土地基上建设无地下室的高层建筑上的应用探讨

　　摘要：本文通过一个实际工程的结构方案论证过程，主要解决在表层为软土的地段建设底层架空型高层建筑所遇见的问题，本文中采用大刚度底盘的概念，辅以一定的保证措施，用较为简单及经济的方法使结构的安全性得到保证。
　　关键字:软土；架空；大刚度底盘
　　随着人民生活品质的提高，现代人进入了亲水审美意识的自觉期，随着都市生活工作节奏的加快，生存空间变得有限。拥抱山水、回归自然成为城市人的梦想，在这种思想的影响下，近年来对亲水型建筑的需求增大，各地越来越多的高档滨水或滨海型建筑问世，包括一些底层架空的高层滨水建筑。这类建筑的采用，给项目的结构设计带来一定的挑战。因河边或海边的地质情况普遍较差，这类建筑的地质表层大都有较厚的淤泥质软土层，在建筑物底层架空且未设置地下室时，该土层的存在使建筑物抵抗水平地震剪力的能力较差，这种情况在7度及7度以上设防烈度的地区尤为突出。而许多地方在软土地基上建设无地下室的高层建筑的结构设计方面均做出了一定限制，致使建筑物的结构成本有较大的增加。如何实现该类型建筑的安全、经济设计是当前的一个课题。本文通过一个工程实例的结构方案论证过程，对于软土地区建设无地下室的高层建筑上做一定探讨，供相似类型的结构设计参考。
　　1工程基本概况
　　厦门某高脚楼地块，位于厦门市集美区杏林湾休闲度假区东北部。原始地貌类型属港湾滩涂或浅滩，地势低洼、平坦。20世纪60年代在集杏海堤修建围垦后，大多开发改造为海产养殖区，后因地块开发建设需要，现场地已经初步回填处理。现状地面标高-0.109～3.217m，高差约3.33m。
　　拟开发的地块场地设计地面标高为0.50m。拟规划为商住区，总建筑面积约70万平方米。按地块的地形分类可分为坝上部分、坝下部分及人工岛，坝上部分主要为30层的高层组成，设置一层地下室。坝下部分落于杏林湾水淹区内，主要由11～24层的高层组成，考虑到该项目的滨水景观效果及保证杏林湾的整体库容，坝下部分不设置地下室，所有坝下部分建筑均做成底层架空的型式，架空层在20年一遇的水位时允许被部分淹没，俗称“高脚楼”。下图为该地块的局部典型平面及剖面图。
　　
　　
　　2场地工程地质及水文地质情况
　　本场地地层结构较复杂，地层岩性、厚度和埋藏分布等在横向、纵向上变化较大，各岩土体的分布及其厚度简述如下：
　　①素填土：厚度0.70～6.30m；
　　②淤泥：厚度1.80～15.30m；
　　③粉质粘土：厚度为1.30～10.30m；
　　④中砂：厚度为0.50～6.60m；
　　⑤残积砾质粘性土：厚度为2.25～19.40m；
　　⑥全风化花岗岩：厚度为1.50～6.70m；
　　⑦碎块状强风化花岗岩：厚度1.30～17.50m；
　　⑧中风化花岗岩：厚度为3.10～3.20m；
　　地下水对砼结构具弱腐蚀性，在长期浸水条件下对钢筋砼结构中钢筋具微腐蚀性，在地下水位干湿交替带对钢筋砼结构中钢筋具中等腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。
　　3项目实施中结构重点存在困难
　　(1)坝下部分处于杏林湾水库水淹区内，50年一遇的水位高出设计室外地坪1.4米左右，无法提高室外地坪标高。这样底层柱及基础、地下室等均应考虑水淹的影响。
　　(2)该场地表层存在较厚的淤泥土，底层架空且未设置地下室，对抵抗水平地震剪力不利，应对基础及桩的选型提出要求。
　　(3)该场地地下水的腐蚀性较强，应要求建筑物能满足抗腐蚀的相关要求。
　　其中最突出的问题为第二条，即在较厚的表层淤泥土上建设无地下室的底层架空高层建筑。
　　4上部结构概念方案
　　考虑到坝下部分底层位于水淹区，且未设置地下室，在这种情况下对桩的水平承载能力要求较高，若未在结构布置方案上采取有效措施，仅靠塔楼范围内的桩来抵抗水平震剪力，则需大大增加建筑物下桩的数量，且应对建筑物周边范围内的土体进行置换，以加强土体对建筑物的约束作用，这样会造成基础造价的较大提高,是不经济也不合理的一种行为。
　　考虑到本工程的人流、车流均在架空层顶板处，出于建筑功能的需要，该标高处将存在一个面积较大且连接所有建筑的裙房。且该层中部分板块需要考虑消防车荷载，部分板块需考虑景观荷载等。这样决定了本层的荷载较大，由此可以估计梁、板等构件的尺寸也相对较大，整体刚度较好。在这种情况下，在建筑专业协商后，决定结合车流及人流通道，将每幢塔楼的四边均带着一至若干跨的裙房，用于增加了建筑物底部的面积，加强结构的整体稳定性，使建筑物的抗倾覆能力有很大的提高；同时也增加了每幢单体建筑物落地的柱及桩的数量。在地震工况作用下，可以利用裙房所设置的桩的水平承载力的余量来共同承担塔楼传下来的水平地震剪力。在平时工况下则可以利用塔楼刚度大的特点，共同抵抗车辆行驶的刹车力及震动荷载。
　　为保证二都能够协同作用，需采取一定的措施使其刚度均匀，且有可靠的传力构件，具体做法是在架空层另行加设一定数量的剪力墙，这样一是加强了架空层的抗侧移刚度，使其刚度能大于上部结构抗侧移刚度的2倍，并可以调节其刚度中心，使其与质量中心尽量重合，使架空层刚度均匀分布，同时对5.100米标高处的楼板按嵌固端的构造要求进行设计，使架空层概念上形成一个刚度较大的大底盘，可以有效的将上部的水平力较为平均的分摊至该底盘下的所有桩上，不至于使单根桩所承受的水平力过大，而且为使用一些水平承载能力较弱的桩型的使用成为可能，如预制方桩或预应力管桩等，以减少基础造价。
　　经试算，取一幢经典的18层的建筑进行计算，比较纯塔楼及带一至两跨的两种情况，用SATWE进行计算，得出其主要刚度比、抗倾覆及承载力比等指标，如下表
　　 未设置裙房时 设置裙房时  未设置裙房时 设置裙房时
　　塔楼与底盘层刚度比Ratx 1.1456 0.2241 X向地震作用下抗倾覆比值Mr/Mov 8.55 12.35
　　塔楼与底盘层刚度比Raty 0.7618 0.3572 Y向地震作用下抗倾覆比值Mr/Mov 3.96 12.91
　　底盘与上一层承载力比Ratio_Bu:X 0.97 1.92 X向地震作用下结构的楼层剪力Vx(KN) 2842.29 2912.00
　　底盘与上一层承载力比Ratio_Bu:Y 1.03
　　 1.91 X向地震作用下结构的楼层剪力Vy(KN) 2884.77 2947.38
　　X向刚重比EJd/GH**2 5.41 6.66   
　　Y向刚重比EJd/GH**2 4.95 6.37   
　　由上表可知,塔楼在架空层适当扩出一至两跨，并适当增加部分剪力墙后，其与上层的刚度比容易实现大于2的目标，说明采用这种方法较易达到大刚度底盘的控制条件，同时结构的抗震承载力比亦较大；抗倾覆能力大大增强；地震作用下的底层楼层总剪力仅有微小增加，但因竖向构件增加较多，故单个构件所分配的地震剪力反而减小较多。
　　因架空层顶板的楼面本身荷重较大，楼板按嵌固端构造进行设计后对造价的增加并不敏感，在大刚度底盘设置后，结构的抗倾覆性能大大加强，同时有效的减小单桩承担的地震剪力，可以以较小的结构代价达到较好的效果。下图为竖向构件及桩布置示意。
　　
　　5桩基选型方案及抗腐蚀设计
　　本工程因项目较大，地质分布不均匀，坝下部分的高脚楼在采用大刚度底盘后，由于分担水平地震剪力的绝对桩数增加，对单桩的水平承载力的要求相对降低，但在这种情况下亦不可能采用一种桩型解决所有问题，故应适当区分定性，考虑到影响基础型式的主要决定因素为表层淤泥土的厚度及地下水的腐蚀性，故将分为以下三种情况进行考虑。
　　（1）表层淤泥厚度<4M时，此时的地质条件较好，表层没有厚的表层淤泥土影响，可以采用预制方桩作为主要桩型，采用静压法施工。对于某些层数较高的高层，方桩可能不能满足其承载力要求，可以采用冲（钻）孔桩基础；对于该地块内的多层框架结构建筑，考虑到其单柱受力较小，可以采用静压式预应力管桩，采用13米的单节桩。
　　（2）表层淤泥厚度4~8M时，此时地质条件较差，有一定厚度的表层淤泥土，故在此处建设高层建筑宜采用冲（钻）孔桩基础，或采用静压式沉管灌注桩基础；对于该地块的高层建筑,应注意加强地面以下建筑的整体刚度。对于该地块内的多层框架结构建筑，考虑到其单柱受力较小，可以考虑采用预制方桩，采用静压法施工。
　　（3）表层淤泥厚度>8M时，此时地质条件最差，表层淤泥厚度大，对抵抗建筑物的水平力影响较大，故在此处宜采用冲（钻）孔桩基础；或采用静压式沉管灌注桩基础；对于高层建筑，应采用两层地梁间加斜撑或将承台联合的办法加强地面以下建筑的整体刚度，使更多的桩能联合起来抵抗建筑的水平力。对于多层结构可以采用单柱单桩，并加大地梁的刚度。
　　根据地勘报告揭露的地下水腐蚀情况除不能设置多节的预应力管桩外，对其它桩型影响不大，本场地绝对高程较低，（-0.500M），正常情况下桩顶均位于该区域的历史最低水位以下，可以避开干湿交替带的中等腐蚀性作用。对桩及地基基础部分的防腐蚀按照《工业建筑防腐蚀设计规范》进行施工。
　　
　　6建筑物埋深的确定
　　本工程坝下部分的水淹区主要是11～24层建筑物组成，以18层的建筑物为例，考虑到基础埋深与建筑物高度的关联关系（基础埋深=1/18建筑高度），60米左右的二类高层基础埋深为-3.3米左右（室外地坪至承台底面），考虑承台高度约1.5米，则承台顶面标高在-1.8左右，因场地浅层为淤泥，若无地下室的约束作用，则存在地面及基础对上部结构的约束不足，使建筑物于基础顶面的嵌固假定难以成立，则基础埋深还得相应加深。针对这个问题也可以通过大刚度底盘进行解决。过大刚度底盘的设置，塔楼的的嵌固端概念上可以认为在大底盘的顶端，这样对基础埋深的要求相应降低，在抗倾覆能力达到一定数值后，建筑埋深可以适当放宽，而无需完全满足入土1/18层高的要求。
　　7大刚度底盘的构造保证措施
　　（1）在水淹区这一层增加剪力墙，增大该层的刚度，对5.100米层的楼板按嵌固端进行考虑，以保证底盘的刚度，以水平力平均分摊到各个桩上。
　　（2）设置双层地梁（承台面一道，-1.00米标高处一道），并在两道地梁间设置一定数量的斜支撑，加大地下部分的刚度，使桩所受的水平荷载更趋均匀。
　　（3）在每幢单体的外边设置钢筋砼挡土侧墙，一是保证建筑物下（特别是高层塔楼下）的土体不至于被水淹后冲刷流失，二是可以联接各个桩及竖向构件，加大入土部分的建筑物侧向刚度，保证在水平地震作用下桩可以共同作用，用于抵抗水平推力。
　　（4）提高基坑回填土的密实度，同时可结合施工便道及施工场地的建设情况，结周边场地土做适当固化处理。以增加土对建筑物的侧限作用。
　　（5）采用抵抗水平力较强的冲（钻）孔桩或静压沉管灌注桩。
　　8结语
　　对于滨水或滨海型建筑未设置地下室时，其建筑物抵抗水平地震的能力仅通过简单增加桩数的方法来解决是不经济也不科学的，应通过多种手段加以保证，本工程通过结合其建筑功能的需求，将架空层做成大刚度的底盘，并辅以一系列的构造措施，用较经济且简单的手法解决该问题，该做法主要有以下几个优点：
　　(1)将塔楼及裙楼连成一体，可以增加建筑物底部面积，提高建筑物的抗倾覆能力。
　　(2)大刚度底盘在平时工况作用下，利用塔楼的刚度用于抵抗车辆震动及刹车荷载，减少车辆行驶时的建筑物的晃动感；而在地震工况作用下时，利用裙房下的桩的抵抗水平承载力的富余量用于承担塔楼的部分水平地震剪力，这样可以在不增加桩的情况下提高建筑物抵抗水平剪力的安全储备，或在相同的安全储备下减少塔楼下桩的布置数量。
　　(3)利用大刚度底盘的嵌固作用，基础埋深可适当放宽，减小基坑开挖深度，同时减少基坑支护的工作量，对于基坑安全及经济性方面有较明显效果。
　　参考文献：
　　[1]GB50011－2001.建筑抗震设计规范[S]，中国建筑工业出版社，2008年版.
　　[2]GB50011－2001.建筑地基基础设计规范[S].中国建筑工业出版社，2008年版.
　　[3]福建省建筑结构设计暂行规定（闽建科函[2008]106号）
　　
　　搜论文知识网致力于为需要刊登论文的人士提供相关服务,提供迅速快捷的论文发表、写作指导等服务。具体发表流程为：客户咨询→确定合作，客户支付定金→文章发送并发表→客户接收录用通知，支付余款→杂志出版并寄送客户→客户确认收到。鸣网系学术网站，对所投稿件无稿酬支付，谢绝非学术类稿件的投递！