某办公楼上部结构设计及基础方案比较

任芙蓉 张广英 张虎

摘 要： 本文对天津某办公楼基础及上部结构的设计进行了介绍。对基础中桩型的选择提出了三种方案并进行了对比分析选出最佳方案。本工程上部结构的主要特点为局部有一错层，本文对错层部位的处理进行了简单概述，并对设计中存在的问题进行了总结。

关键词：方桩；管桩；错层结构

中图分类号：TU3 文献标识码：A

1工程概况

该项目位于天津市空港区，为一办公用楼，总建筑面积4421m2。采用现浇钢筋混凝土框架结构，主体结构分为三层，建筑总高度14.65m，其中一、二层层高均为4.5m，三层层高为4.4m，基本柱网尺寸为9m×8.4m，局部有一单层报告厅，报告厅层高为6.5m，跨度为16.8m。

工程所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别Ⅳ类。本工程抗震设防类别为标准设防类（丙类），钢筋混凝土框架结构的抗震等级为三级，抗震构造措施提高一级，安全等级为二级，设计使用年限为50年。基本风压按重现期为50年采用0.5，地面粗糙类别为B类，基本雪压0.4（按重现期50年采用）。该工程地基基础设计等级为乙级，基础采用桩基加基础梁的形式，桩基设计等级为乙级。

2结构设计

2.1地基基础设计

本工程的设计地面标高±0.00相当于绝对标高4.00m，根据该场地岩土工程勘察报告，本场地属非液化场地，场地土为软弱土，场地类别为Ⅳ类，本场地11.00m深度范围内以土质软、强度低的淤泥质粘土和流塑状态粉质粘土为主，该建筑物若采用天然地基其沉降量和变形量较大，不满足设计要求，结合以往施工经验，宜采用桩基，选用第层粉土层作为桩端持力层，桩长为18m。

表1 主要土层参数

地层参数 岩性 fak（kPa） 压缩模量

Es1-2（MPa）

4 粘土 90 3.6

6a 淤泥质粘土 65 2.7

6b 粉质粘土 95 4.3

6c 粉质粘土为主 115 5.4

8 粉土 180 16.2

9 粉质粘土为主 160 6.2

10 粉土 190 11.1

11a 粉质粘土为主 170 6.7

11b 粉土 200 16.7

11c 粘土 180 6

2.1.1桩型选择

方案一：采用钻孔灌注桩，桩径为600mm，桩端进入持力层的深度不小于1m。

方案二：采用预应力高强混凝土空心方桩HKFZ（天津市工程建设标准设计），桩型为AB型，桩边长为500mm，桩端进入持力层的深度不小于1m，桩尖类型为混凝土闭口桩尖，桩心距取4.0倍的桩径2m。

表2预制桩与灌注桩桩基参数表

地层参数 岩性 预制桩 灌注桩

qsik qpk qsik qpk

（kPa） （kPa） （kPa） （kPa）

4 粘土 30 28

6a 淤泥质粘土 20 18

6b 粉质粘土 28 26

6c 粉质粘土为主 35 33

8 粉土 58 2300 56 700

9 粉质粘土为主 55 1600 54 600

10 粉土 70 65

11a 粉质粘土为主 64 2200 60 650

方案三：采用预应力高强混凝土管桩，桩径为600mm，桩型为AB型，管桩桩尖采用锥形钢桩尖，桩心距取4.0倍的桩径2.4m。

比较方案一与方案三，方案一中钻孔灌注桩虽然可以消除打桩对邻近建筑物有害影响，但钻孔灌注桩在桩身穿越软弱土及桩端进入粉土层时，还须注意孔壁缩颈或砂土塌孔等现象，对泥浆配比及施工工艺等有较高要求，钻孔灌注桩桩身穿越厚层粉土时，因钻进速度慢，钻孔施工时间长，桩身局部易夹泥，其承载力和成桩质量存在不稳定性，易受施工质量的影响，且灌注桩施工过程中养护周期长，有泥浆，污染环境。预制桩其桩身质量易于保证和检查，抗腐蚀能力强，施工工效高，且通过计算可知，当桩长均为18m、桩径均为600mm时，采用预制桩其单桩承载力特征值Ra=730KN，灌注桩Ra=638KN，结合该场地周围项目的施工经验综合考虑本项目选择采用预应力高强混凝土预制桩。

比较方案二与方案三，二者同属预应力高强混凝土预制桩，方案二为方桩，桩边长为500mm，方案三为管桩，桩径600mm，由计算可知，边长为500mm方桩的单桩承载力特征值为Ra=730KN ，桩径为500mm管桩的单桩承载力特征值为Ra=573KN，通过比较发现在桩长相同时同样桩径的方桩其单桩承载力特征值是管桩的1.27倍，只有当管桩的桩径增加到600mm（Ra=725KN）时，其单桩承载力特征值才与边长为500mm的方桩相当，但由于采用桩径为600mm的管桩时，由于桩心距的增加承台混凝土用量也会相应增加，经和厂家咨询，直径为600的预应力管桩（240元/m）与边长500mm的空心方桩（225元/m）价格相差不多，但采用边长为500mm的方桩时可大大节省承台混凝土的用量。当桩心距为4d、承台厚度为1m时，分别计算采用边长为500mm的方桩和桩直径为600mm的预应力管桩的情况下混凝土的用量及总的价格，见表3

表3 方桩和管桩的经济参数指标

桩型 单桩竖向承载力特征值（KN) 桩总数（根） 承台混凝土用量（m3） 桩单价

（元/m） 承台钢筋混凝土综合单价（元/m3） 总材料费用（万元）

管桩（桩径600mm） 725 184 663.86 240 1075 150.85

方桩（桩边长500mm） 729 184 467.41 225 1075 124.75

由表3观察可知，采用桩径为600mm的管桩时其总造价是方案二的1.2倍，故本工程选用方案二。

2.1.2地坪处理

根据该场地地质工程勘察报告，本场地为软土场地，当房间尺寸较大时，地坪易下沉开裂，需进行地坪处理。本工程采用结构架空地坪的做法进行地坪处理，采用架空地坪的做法可大大减小房屋的不均匀沉降而产生的变形。本次设计中通过设置结构板和地坪梁将一层的荷载通过板传到地坪梁上，然后通过地坪梁将一层荷载传导至柱底，通过柱底传到承台及基桩。传统的地坪处理方法多采用换土垫层法，是将一层楼面荷载直接传导到地基土上，而架空地坪法是最终是将一层地面荷载传导到承台和基桩上，故桩的数量和承台钢筋混凝土用量会有所提高，成本略高，但其整体力学性能好，可减小房屋的不均匀沉降变形。

2.2上部结构计算

本工程为三层钢筋混凝土框架结构，其主要结构特点为局部有一单层报告厅，该单层报告厅的层高为6.5m，而主体结构标准层高为4.5m，故此处形成一错层。其剖面图、平面图分布见图1、图2。.

图1.办公楼剖面图

图2.办公楼平面图

由于该结构单层报告厅屋面板与办公楼一层楼板的板顶标高相差2m，故PKPM建模时不能将一层楼板与单层报告厅视为同一层高，应注意错层位置的处理。

建模时候按照实际模型建立四个标准层，这种方法在工程中广为应用，但此方法会在一、二标准层之间形成短柱，同时主体结构一层顶板（4.500m标高）与二层顶板（9.000m标高）之间柱子的计算长度也变小，与实际情况不符合，柱子的配筋与截面均会受到影响。

本次设计中仅建立三个标准层，将主体结构一层顶板和单层报告厅建为一个标准层，通过改变单层报告厅柱上节点标高的形式实现错层，同时改变单层报告厅梁的节点标高使其与柱节点标高相同，均应为6.500m，错层相交处标高4.500m位置再设置一道框架梁，这样建立的模型既不仅不影响柱的计算长度，而且与实际模型相吻合，保证了计算结果的准确。

3结语

1.钻孔灌注桩虽然施工噪声和震动小，在各种地基上均可使用，但其受力性能较容易受到施工质量的影响，其承载力和成桩质量存在不稳定性，施工过程易造成环境污染，不环保，故本工程采用预制桩。预制桩在饱和粘性土中的挤土效应比较明显，由于场地分布厚层淤泥质软土，建议设计时适当增大桩间距，施工时应采取合理的施工顺序，以减少挤土效应的影响。

2. 根据本场地地质条件，通常情况下采用地坪下换填处理法即可满足设计要求，换填处理法对施工质量要求较高，其对房屋不均匀沉降变形的控制较架空地坪法差，但其成本较低，在业主方对不均匀沉降不是特别敏感的情况下可选择采用地坪下换填处理法，可大大节约成本。而当业主方对房屋不均匀沉降有严格要求控制时，宜采用架空地坪法进行地坪处理。

3. 根据地质报告，地下水对混凝土具有弱腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性，应做好基桩和承台的防腐蚀工作，根据《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046-2008），桩身混凝土抗渗等级为P10,桩尖采用闭口型。管桩接头部位接桩钢零件应涂刷防腐蚀性耐磨涂层或增加钢零件厚度的腐蚀裕量不小于2mm。承台表面刷聚合物水泥砂浆，厚度大于等于5mm，基础梁表面刷聚合物水泥砂浆，厚度大于等于10mm。

4. 本设计建模过程中采用改变网格节点标高的形式对错层位置进行了处理，该方法虽然与真实情况相近，但仅适用于少量房间错层的情况，在错层部位较多时，采用该方法手工计算错层标高繁冗易出错，修改的工作量大，宜慎重采用。房间错层部位较多时也可采用增加标准层的办法，但改变了柱子的计算长度，对计算结果又一定的影响，实际工程中采用哪种方法处理错层还应根据不同的项目具体分析。

5. 错层层高不一致致使楼层间的控制参数，如层间位移比、层间刚度比、层间受剪承载力比等计算失真，因此不宜机械的采用这些数值，而应加以分析和手工校核。考虑到错层结构计算的不确定性以及其对结构抗震的不利性等因素，设计中应尽量避免错层结构，或在错层处设缝使其分为两部分，从而保证结构布置的规则性。

参考文献：

[1] GB50011-2010 《混凝土结构设计规范》.北京：中国建筑工业出版社,2010

[2] GB50010-2010 《建筑抗震设计规范》.北京：中国建筑工业出版社,2010

[3] GB50007-2011. 《建筑地基基础设计规范》. 北京：中国建筑工业出版社，2011