济南站大跨度风雨棚桩基础设计

赵建强

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250022)

1 概况

1.1 现状

济南站位于京沪、胶济两大铁路干线的交汇点，为华东地区重要的铁路交通枢纽。随着铁道部跨越式发展战略的提出和铁路运输服务质量的不断提高，济南站站内设施已不满足要求，站内设施的改造势在必行。

1.2 工程概况

济南站既有站场为4台10线，线间距均为5.10 m，其中Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ股分别为胶济、京沪正线。无站台柱风雨棚工程总建筑面积41 000 m2，其中风雨棚覆盖面积38 000 m2。工程采用18榀单向受力钢管桁架体系，每榀均为单跨，跨度随线路变化为86 m至109.55 m不等，纵向柱距东西两侧分别为24 m及22 m。建筑整体设计一跨飞越南北，宏伟壮观，气势磅礴，成为济南站乃至周边环境一大景观。由于线间立柱不能满足2.44 m正线限界要求，设计方案仅在基本站台靠近站房处和10股线路外侧设柱。

2 地质情况

2.1 勘察技术标准

该工程重要性等级为一级;场地等级为二级场地(中等复杂场地);地基等级为二级地基(中等复杂地基)，综合分析，该工程的岩土工程勘察等级为乙级。

2.2 自然地理特征

该区的宏观地貌单元为山前冲洪积平原，原始地形平坦开阔，由于既有站场的建设，原地貌形态已改变。

2.3 地质构造及地层岩性

(1)地质构造

本区在大地构造单元上隶属华北地台区之鲁西断隆区，本工程位于鲁西断块、鲁中南较强烈断块上升区北缘，地层属鲁西地层分区，区内地层从太古界至新生界地层均有分布。

(2)地层岩性

经勘探揭示，场地地表分布有第四系全新统人工填土(杂填土和素填土)，其下为第四系全新统冲洪积粉质黏土、姜石土，第四系上更新统冲洪积黏土，下伏中生代晚期辉长岩。

该区杂填土、素填土土质不均，结构松散，分布不均，厚度较大，且部分柱下为地下通道，辉长岩埋深较浅，故勘察单位建议采用摩擦端承桩，桩尖置于第4－2层全风化或第4－3层中等风化辉长岩中，各层岩土物理力学指标见表1。

表1 各层岩土物理力学指标

2.4 水文地质条件

该区地下水类型属壤中潜水型，地下水埋深+0.20～5.10 m，高程14.50～15.60 m，主要受大气降水补给，水位随季节变化而变化，变化幅度约1～2 m。据本次水质分析结果及附近既有资料，该地下水对混凝土不具侵蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

3 上部结构计算结果

3.1 上部结构设计依据

(1)结构安全等级一级，设计使用年限50年。

(2)本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第二组，水平地震影响系数最大值为0.04，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期值为0.4 s，建筑结构阻尼比0.05。

(3)基本风压:0.45 kN/m2，地面粗糙度B类。基本雪压:0.30 kN/m2。

(4)屋面活荷载:0.50 kN/m2

3.2 上部结构柱底反力

柱底反力最不利组合(1.2恒+1.4活+1.4温度)计算结果见表2。

由表2可见，109 m跨柱底竖向、水平向反力数值对工程起控制作用，据此并适当取整，确定基础设计按柱底竖向反力标准值为1 900 kN，水平反力设计值为2 700 kN。

4 基础形式确定

济南站位于济南市中心区，站场北侧紧邻住宅区，南侧为主站房。由于上部结构方案在基本站台靠近站房处和10股线路外侧设柱，建筑设计要求结构立柱尽可能靠近站房及10股外侧围墙，基础设计条件十分苛刻。

表2 柱底反力最不利组合

上部结构反力巨大，最适合的基础形式应该是底面积较大的独立基础或群桩基础。浅层地基承载力较差，2－2姜石土承载力较好但埋深已达5 m，独立基础需要大面积开挖显然不合理。群桩基础能发挥深层地基良好的承载力，又适合抵抗较大水平力。但由于济南站基本站台纵向设置通长暖气地沟，靠站房侧无法实现群桩基础。10股外侧设有行包地道，也无法实现群桩基础。

柱下单桩基础能承担竖向荷载，但抵抗较大水平力工程实例很少，文献［1］中仅提供了不同桩身配筋率单桩水平承载力估算公式，其中大量数据是依托现场试验数据统计得来。本次设计大胆采用柱下大直径单桩基础，分别按竖向承载力控制及水平承载力控制进行设计。

5 单桩承载力试算(按竖向承载力控制)

考虑桩径D取2.0 m，按大直径灌注桩进行设计。

5.1 单桩竖向承载力标准值计算

大直径灌注桩侧阻力尺寸效应系数及端阻力尺寸效应系数按表3取值。

表3 Ψsi及Ψp取值

按最不利位置Z－5计算(深入中风化1.5 m，桩长15 m)

Quk=11 000 kN ＞2×1 900=3 800 kN，满足竖向承载力要求。

5.2 单桩水平承载力设计值计算

根据《建筑桩基技术规范》JGJ94—94之5.4.2.5条桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩单桩水平承载力设计值估算公式(桩基按C25混凝土计算)

其中EI为桩身抗弯刚度

X0a为桩顶允许水平位移，当以位移控制时，取为10 mm。

X0a=1×10－2m

根据《建筑桩基技术规范》JGJ94—94之5.4.5.1条，水平变形系数

故桩身计算宽度b0=0.9(d+1)=2.7 m

根据《建筑桩基技术规范》JGJ94—94之附录B中之公式B－1及本工程地质勘察报告

取h1=h2=3.0 m，

影响深度范围内土层分别为:

1－2、素填土，以粉质黏土为主，软塑—可塑，局部硬塑;

2－1、粉质黏土，可塑—硬塑。

由于暂无静载试验资料，根据《建筑桩基技术规范》JGJ94—94之表5.4.5，

取 m1=10，m2=20;

m=17.5 MN/m4;

0.4m=7 MN/m4;

αh=3.78 m。

柱下单桩桩顶约束情况为铰接，根据文献［1］表5.4.2中铰接栏内插得γx=2.470

计算得Rh=1 210 kN＜2 700 kN，不满足竖向承载力要求。由此可见该工程应由水平承载力控制。

6 单桩承载力试算(按水平承载力控制)

考虑桩径D取2.5 m，按大直径灌注桩进行设计。

6.1 单桩竖向承载力标准值计算

计算过程同上，从略。

按最不利位置Z－5计算(深入全风化1.5 m，桩长9.2 m)

Quk=14 618 kN＞2×1 900=3 800 kN，满足竖向承载力要求。

6.2 单桩水平承载力设计值计算

I0=1.92 m4

EI=0.85EI0=48.87×106kN·m2

X0a=1 ×10－2m

d=2.5 m ＞1.0 m，故 b0=0.9(d+1)=3.15 m。

根据附录B中之公式B－3及地质勘察报告，Hm=2(d+1)=7.0 m

取 m1=10，m2=20

m=17.5 MN/m4

0.4m=7 MN/m4

αh=3.86 m。

柱下单桩桩顶约束情况为铰接，根据文献［1］表5.4.2中铰接栏内插得γx=2.458

计算得Rh=3 375 kN＞2 700 kN，满足竖向承载力要求。

7 试验桩测试

为确保桩基达到设计要求，保证桩基安全可靠，从而保证整个结构体系的安全，根据规范要求，对桩基进行现场承载力试验。

7.1 竖向承载力测试

单桩竖向承载力特征值为5 951 kN，满足设计要求。

7.2 水平承载力测试

水平静载荷试验考虑加载荷载值较大，采用现场两桩对推方式进行。同时进行桩身应力、应变、桩侧土压力、桩顶位移进行检测。

单桩竖向承载力特征值为5 951 kN，满足设计要求。单桩水平承载力特征值为3 038 kN，m=14.6 MN/m4，与计算取值基本一致，测试结果满足设计要求。

8 构造措施

8.1 桩身构造及成桩工艺

本工程采用人工挖孔桩，桩端持力层为中风化辉长岩，下部全风化及中风化采用爆破。

根据柱底传来的弯矩进行桩身抗弯承载力计算，桩基按配筋率不小于0.65%构造配筋即能满足要求。纵筋根据应力分布情况，在跨度方向尽可能多布置，在垂直跨度方向满足最大间距。

8.2 承台构造及配筋

上部格构式钢管混凝土柱采用可靠度高的埋入式柱脚方式，柱脚顶面、底面采用环形加劲板，侧面设置栓钉抗剪。按照承台刚度不小于柱刚度，钢管深入承台不小于3倍管径，并结合钢管柱脚构造，满足承台抗弯、抗剪、抗冲切等因素，综合确定承台高度3 m，平面尺寸为3 m×2.8 m，其中2.8 m为垂直线路方向，可减少对既有线路的影响。

9 工程桩观测及测试

为确保桩基达到设计要求，保证桩基安全可靠，从而保证整个结构体系的安全，根据规范要求，选取3处工程桩对桩基进行水平承载力测试、m值、桩顶位移、桩身弯矩分布、桩侧土压力分布钢筋应力及应变、桩侧土压力的检测，检测于主体完工及完工后40天分别检测一次，以后每半年检测一次。竣工后40天检测结果桩顶位移36 mm，经长期检测桩顶位移稳定，其他各项参数与设计基本相符，说明计算理论安全可靠，设计合理并有一定安全储备。

10 结束语

济南站风雨棚改造工程已于2006年8月建成，通过多年持续不断观测，济南站大直径柱下单桩所有指标符合规范及设计要求。通过该工程设计，有如下体会及思考:

对于大跨度拱形钢结构，桩基水平承载力往往比竖向承载力更起控制作用。

抵抗较大水平力采用大直径单桩方案可行，可满足场地环境等要求，人工挖孔成桩质量有保证，易控制入岩深度。

大直径单桩承载力计算相对于小直径桩而言，静载试验更为重要，必须特别重视静载试验结果。

大直径单桩与承台连接属于铰接，但仍需可靠连接，增加连接刚度可有效提高水平承载能力。

场地有条件时尽可能采用群桩，桩顶可按固结考虑，通过桩基与承台以及桩间土共同作用抵抗水平力，可大大提高单桩水平承载力。

说明:本工程设计阶段采用《建筑桩基技术规范》版本为JGJ94—94，新版规范 JGJ94—2008于2008年10月1日起执行。按新版规范校核，桩基、水平承载力由设计值换用特征值抵抗荷载效应标准组合下反力。计算公式稍有差异，但设计结果基本无变化。

［1］ JGJ94—94 建筑桩基技术规范［S］

［2］ JGJ94—2008 建筑桩基技术规范［S］

［3］ JGJ106—2003 建筑基桩检测技术规范［S］

［4］ 刘保红．烟台火车站站房建筑设计［J］．铁道标准设计2010(11):97-100

［5］ 张继合．烟台火车站彩虹拱的结构设计［J］．铁道标准设计2008(6):103-106

［6］ 张彦明．烟台火车站异型悬挑网架安装方案选择及关键技术［J］．建筑技术，2009(10):103-106

［7］ 施晓．烟台火车站站房结构设计［J］．铁道标准设计，2009(1):103-105

［8］ 梅季魁，刘德明，姚亚雄．大跨建筑结构构思与结构选型［M］．北京:中国建筑工业出版社，2002

［9］ 蓝天，张毅刚．大跨度屋盖结构抗震设计［M］．北京:中国建筑工业出版社，2000

［10］ 周学军，钢结构设计规范GB50017应用指导［M］．济南:山东科学技术出版社，2004