张春晖
(建学建筑与工程设计所有限公司 上海200336)
本项目位于上海浦东新区临港新城,由一层地下室和地上六层结构构成的办公楼,工程结构采用钢筋混凝土框架结构体系,结构典型剖面和典型楼层结构如(图1,图2)所示。
图1 典型剖面
图2 典型楼层结构
本文只研究该结构基础部分的优化设计,根据中国建筑科学研究院编制的结构计算软件PKPM计算结果,各柱底反力标准值如(图3)所示。基础设计依据《临港大厦岩土工程勘察报告》(工程标号:2010-G-199),结构±0.000相当于绝对标高4.700m,抗浮水位取为绝对标高2.700m(室外完成面以下1.5m)。
基础工程的设计与施工对建筑本身及其周围环境的安全至关重要,其造价与工期对高层建筑总造价与总工期有举足轻重的影响。在各种复杂的地质条件下建造高层建筑,首先必须经济合理地做好基础设计[1]。
图3 柱底反力标准值
2.2.1 方案一:桩加防水板基础
该办公楼结构柱网均匀,主楼部分各柱下力也均匀。根据基础勘测报告所提供的土层参数,经计算分析后,主楼下抗压桩和裙房下抗拔桩均采用预应力高强混凝土空心方桩(HKFZ-A350(200)),桩顶绝对标高定为4.500m,桩长25m,桩端持力层均为⑦1层粉土,保证桩端进入持力层深度均大于等于1m。根据土层参数计算的抗压桩单桩竖向极限承载力为2200kN,按上海地基基础设计规范(DGJ08-11-2010),设计值取为1100kN,抗拔桩单桩抗拔承载力为360kN,结构桩位布置如(图4)所示,相应的承台布置如(图5)所示:
图4 桩位布置图
图5 承台布置图
桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降稳定性快和沉降变形小、抗震能力强以及能适应各种复杂地质条件等特点,在工程中得到了广泛应用[2]。采用这种基础方案,把结构所有荷载通过桩直接传到稳定坚实的地基上,导荷传力直接明确,充分利用了其承载力大的特点,当然其工程造价也是较高的。结构防水底板厚度取为300mm。采用桩基础,可以有效控制主楼与裙房之间的不均匀沉降[3]。该基础方案受力机理简单明确,在沿海地区多高层建筑的基础设计中广为应用。
2.2.2 方案二:筏板基础
筏板基础具有整体性好、承载力高、结构布置灵活等优点,广泛用作多高层建筑及超高层建筑的基础[4]。平板式筏板基础,板顶标高定为-4.350m(相对标高),筏板基础持力层选为②3-2层粉砂,地勘报告提供的持力层承载力特征值为110kPa。按筏板基础设计,计算其修正后的承载力时,其修正深度可以从室外地面标高算起,按上海地基基础设计规范修正后的地基承载力能达到170kPa。为了保证主体结构和筏板基础的整体刚度性,筏板厚度取为600mm,同时考虑到柱下集中荷载较大,需要考虑筏板抗冲切承载力要求,柱下加设厚度900mm的柱帽,这样就形成了带柱帽的筏板基础。此外在群房区域,仍需采用抗拔桩来承担较大的水浮力。基础抗拔桩布置如(图6),筏板柱帽布置如(图7)。
图6 抗拔桩布置图
图7 柱帽布置图
考虑到上部框架结构整体刚度有限,基础持力层承载力也非很大,同时600mm厚的筏板基础整体刚度也偏弱,基础必然存在不同的变形,所以该筏板基础定义为柔性基础比较准确,可按弹性地基筏板分析其受力。经基础设计软件JCCAD程序计算后,筏板下配筋量为双层双向,相对常规防水板来说,配筋较大。局部柱下另附加钢筋来保证柱帽区域的承载力要求,基础沉降计算最大值为约为50mm。
全楼采用筏板基础,充分利用柱下筏板的面积大、变形协调能力好、能与上部结构共同变形受力的特点。按弹性地基假定计算的局部地基反力如(图8)所示,柱帽下的最大值为153kPa,小于地基承载力170kPa,所以承载力是满足要求。
图8 筏板最大地基反力
图9 筏板沉降
对比上面两种基础方案,在不考虑人工及施工周期成本的情况下,工程采用筏板基础造价约为450元/m2,而采用桩基础加防水板的基础形式的造价约为700元/m2。在满足结构安全的前提下,按总体面积采用筏板基础可以节省约150万元以上的工程造价,经济优势很明显。
本工程目前已经主楼封顶,正在室内外装修阶段。通过计算分析可以看出,不同的上部结构体系,不同的工程地质状况,所采用的基础方案不同,所带来的效益也是不同。因此,结构工程师需要具体问题具体分析,要突破惯性思维,多做分析比较后再确定基础方案,这样能保证结构安全的情况下,取得较大的经济效益,对今后类似项目的基础设计提供一定思路。
[1]李兰.高层建筑结构筏板基础设计与研究[D].合肥工业大学,2008,6.
[2]赵明华,徐雪燕.基础工程[M].北京:高等教育出版社,2003:82.
[3]陈方斌.不同荷载下高层建筑筏板基础设计比较[J].江西教材,2014(1),27.
[4]刘开强,翁明强,蒋媛.筏板基础的优化设计[J].四川建筑科学研究,2010(03).