地震区构筑物基础结构的选择及其对造价的影响

◎ 王浩然

（沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168）

随着世界经济的高速发展，工业化程度的提高，构筑物得到蓬勃发展。筒仓等一些新型的构筑物在我国的应用越来越广泛。自20世纪80年代从美国引进第一批钢板仓至今已有30多年历史，多年来几代科学工作者不懈的努力研究，已经取得了辉煌的成绩。装配式、焊接型等一大批新工艺、新理念的设计水准均已经达到了世界发达国家的先进水平。国家标准及规范也日益完善，钢板仓作为一种新的现代化仓储设备，具有施工周期短、标准化程度高、基础施工省等优点，越来越多地在粮油、饲料、酿酒、化工等行业得到了广泛的应用。然而，钢板仓基础结构的选择显得尤为重要。在设计中应考虑地质条件、水文情况、冰冻线及深度等，尤其是地震烈度大、沿海地区显得非常重要。

1 钢板仓基础形式及受力

1.1 钢板仓基础形式

钢板仓基础属特种结构范畴，有别于其他建筑物，除满足工艺要求、设备走向外，还包括底部库房的使用，工艺要求在某种程度上限定场地的位置。基础形式各不相同，受场地影响有单仓、双仓、四仓、单排及双排（见图1～5），有柱支撑及砼剪力墙结构等（见图6、7）。

图1 钢板仓单仓结构图

图2 钢板仓双仓结构图

图3 钢板仓四仓结构图

图4 钢板仓单排仓结构图

图5 钢板仓双排仓结构图

图6 柱支撑结构图

图7 剪力墙结构图

1.2 钢板仓基础受力

基础受力较为复杂，单仓可容纳100～5 000 t不等，而且大直径仓体受上部钢结构的影响，一般5 000 t型荷载的单体仓按目前国内外比较有名生产厂家提供的工艺尺寸，直径均在20 m左右，这就说明物料的活荷载是165 kN/m2，底板的厚度350 mm。从数值上分析同民用建筑相比简直就是天文数字，设计者必须加以重视。设计时不只是考虑自身活荷载、静载，还要考虑动荷载，瞬间加载、空仓情况，荷载重新分配，计算难度大。资料显示，目前大直径钢板仓基础国内许多设计单位采用的基础形式主要有桩基础、筏板基础、箱型基础、复合地基等。

2 工程实例

南方一城市新建10座5 000 t钢板仓，其平面图见图8。

图8 10座5 000 t筒仓平面图

2.1 工艺参数

仓体直径20 m，高度27 m，作用底部荷载165 kN/m2。下设2排输送机、斗式提升机、通风系统，4 m深的工具室。

2.2 地质分析

根据《岩土工程勘察报告》评价，区域地质条件和本次勘察结果表明，场地所处地貌为海相一级阶地，现场地开阔平坦。本次钻探深度范围内，地层主要由杂填土、海相沉积土组成。场地内第6层淤泥质黏土为震陷软土，而第3层粉砂、第4层中砂和第5层粉土为液化土层，场地划分对建筑抗震不利地段，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[1]第4.3.6条至第4.3.9条，应采用全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理的措施。经处理后本场地适宜进行该工程建设。因第3层土粉砂、第4层中砂大部分处于基坑挖除范围内，所以设计时需要侧重考虑第5层粉土和第6层淤泥质黏土其相应的负摩阻力和震陷对桩基础的不利影响，地震烈度为8度设防，具体如表1、2、3所示。

表1 地基土承载力及有关岩土工程设计参数建议值表

表2 桩基岩土工程设计参考数建议值表

表3 估算单桩竖向极限承载力标准值表

2.3 讨论

从表1、2、3数值可以看出，第3、4、5层土属液化土，当地震来临时该土层全部液化，像流水一样，其中还产生负摩阻，地质相当复杂，施工技术要求高，必须按图施工，土层外观良好，现场管理人员往往忽视液化存在，产生误导。如果设计中出现任何差错后果都是不堪设想。这方面问题国内外均有报到。

3 设计方案

该工程具有几种设计方案，一是采用高强预应力管桩，钻孔灌注桩；二是复合地基。

（1）经结构计算，单桩承载力特征值为2 500 kN，根据地质报告估算竖向极限承载力标准值及《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）[2]初步设计时单桩竖向承载力特征值可按下式进行估算Ra=qpaAp+up∑qsali，结果满足要求。

（2）持力层为第8层砾砂，桩段极限阻力标准值为1万kPa，桩端深度不得小于1 000 mm。按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）当建筑物的阻尼比按有关规定不等于0.05时，地震影响系数的阻尼调整系数和形状参数应符合下列规定。曲线下降段的衰减指数按下式确定，γ=0.9+0.05-ξ/0.3+6ξ，最后确定竖向极限承载力标准值取6 000 kPa。按规范要求进行现场单桩试验，对预制桩当有对比试验时，采用了高应变检验单桩竖向承载了，检测数量不少于总桩数的5%，且不得少于5根，满足设计要求。最后进行破坏性试验，结果为6 300 kN。

4 方案确定

业主组织召开专家论证会，对施工图初步设计进行讨论，预应力管桩基础设计参数：桩直径500 mm，桩长度22 m，承台梁6 500×650；复合地基，承台圆形，直接22 m，高度1.2 m，400×400砼方桩，长度22 m，按梅花形布置，间距1.2 m；增加褥垫层。灌注桩施工慢，施工质量差，单桩承载力低，根据周边建筑物及相关资料，综合考虑最后确定为预应力管桩基础。

5 造价比较及施工情况

从施工图预算及竣工结算对比，采用预应力管桩基础单仓造价35万左右，如果是复合地基造价为55万元，10座筒仓共节约造价200万元。时间缩短了2个月，桩基础施工简单，复合地基工艺繁琐且施工周期长，尤其南方受高温、多雨、台风等天气影响，质量无法保证,工程结束后，在全部满仓的情况下，按规范进行沉降量观测，满足规范要求。

6 结语

通过以上分析及工程实例可以看出，当钢板仓体积大、地震烈度高、地质条件复杂时，在确保结构安全的情况下，应优先采用预应力管桩基础，基础形式的不同，对造价和施工产生的差异是显而易见的，在满足同样的使用条件下，可以使基础造价大幅度降低。

参考文献：

[1]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.