福清瑞亭小学基础设计优化

曹孙胜

(福建省华地建筑设计有限公司 福建泉州 362000)

1 工程概况

福清市瑞亭小学教学实验楼地上建筑面积为11 622.80m2，地下停车库(兼核6常6人防)建筑面积1568.55m2，地下体育馆建筑面积1249.26m2，建筑高度为19.2m。结构设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为乙类，建筑结构安全等级为二级，所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别: Ⅱ类，特征周期Tg=0.45sec,按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级的烈度8度，建筑结构的阻尼比取0.05[1]。该工程为框架结构，框架抗震等级均为二级。教学楼与体育馆地下室剖面示意图如图1所示。

2 场地工程与水文地质情况

场地位于福清市龙山街道后山顶村玉峰村内，地形相对开阔，地势东北高、西南低，场地地面黄海标高4.84m～10.27m之间，地貌上属低丘剥蚀地貌单元。在钻探控制深度范围内地基土自上而下可划分为5层：粉质粘土、凝灰岩残积粘性土、全风化凝灰岩、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩，持力层选择粉质粘土(承载力特征值为150kPa)和凝灰岩残积粘性土(承载力特征值为180kPa)。勘察期间，地下水初见水位埋深0.60m～3.90m，地下水稳定水位埋深0.30m～3.60m,黄海标高为2.95m～6.67m，地下室抗浮设计水位采用6.80m(黄海高程)。场地内地下水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均具微腐蚀性。土层分布剖面图如图2所示。

图1 教学楼与体育馆地下室剖面示意图

图2 土层分布剖面图

3 原有筏板基础设计计算模型问题分析

筏板基础有两种计算模型：弹性地基梁板模型和倒楼盖模型，原设计采用倒楼盖模型计算，如图3所示。倒楼盖模型是一种近似或者说简化的计算模型，是结构设计手算时代应运而生的一种筏板基础计算方法，其计算误差比较大且偏于保守。最大的缺陷是没有考虑到地基土与筏板结构的相互作用，并假定地基反力按直线分布。因此采用倒楼盖模型计算必须符合一系列比较严格的条件才能采用，对此，《建筑地基基础设计规范》GB5007-2012第8.4.14条有具体适用条件要求[2]。弹性地基梁板模型，能考虑土与结构的相互作用，能比较真实模拟出地基反力的分布状态。采用弹性地基梁板模型，计算出来的地基反力不再是直线分布，而是柱下(支座处)的地基反力较大，远离柱的跨中部位地基反力最小。因此，在这种分布状态下地基反力作用下的筏板弯矩比地基反力直线分布的弯矩要小，相应的筏板内力与配筋计算结果更精确和经济。该项目采用框架结构，上部结构刚度较弱，荷载分布不均匀，采用倒楼盖模型计算显然不合适，应采用弹性地基梁板模型计算，如图3～图4所示。

图3 原筏板基础平面布置图

倒楼盖模型计算结果 弹性地基梁板模型计算结果

4 筏形基础的优化

4.1 基础方案的选择

带地下室多层建筑的基础底板最常用的两种形式，即整体式筏形基础和柱下独立基础加防水板体系。整体式筏形基础分梁板式和平板式两种，以往不少结构设计人员认为梁板式筏形基础比平板式筏形基础经济性好，其实不然，就底板结构自身而言，因梁板式筏形基础的地梁需配箍筋及腰筋等构造钢筋，而平板式筏形基础只有上下表面钢筋。当平板式筏形基础的厚度取值适当，配筋采用最小配筋率的钢筋拉通并在不足处附加短筋的配筋方式时，平板式筏形基础的用钢量就很可能比梁板式少。结合地梁需开挖基槽，地梁完成后需回填材料，梁板的混凝土需分层浇筑，地梁还涉及到砖台模等，无论成本与工期都没有优势。根据地质条件和整体结构分析，该项目采用柱下独立基础加防水板体系具有明显的经济效益，其优势有：

(1)防水板以独立柱基边缘作为边界条件，底板的计算跨度可大幅降低；

(2)在有人防的区域，可降低底板上的人防等效静荷载[3]。基础优化后钢筋、混凝土用量指标对比，如表1所示。

表1 基础优化后钢筋、混凝土用量指标对比

4.2 防水板设计与计算

防水板的荷载与边界条件均比较复杂，想要得到比较准确的结果，需要采用有限元法，而该方法最好采用通用有限元软件来计算，将柱下独立基础一同模拟进去，此时只要荷载及荷载组合正确，将柱、墙作为点、线刚性支座即可得到满意的内力计算结果。当柱网比较规则时，可采用简化计算方法，如取几处典型内力进行截面验算及配筋计算即可。采用简单计算方法时，可提取图5中的两种典型板块模型进行计算，并采用差别化配筋方式，其一是两独立柱基间的单向板模型(矩形阴影区域，根据独立柱基与防水板的厚度比决定是采用固接于基础还是铰接于基础)；其二是4个独立柱基间的双向板模型(正方形阴影区域)，即假定该双向板在4个角点支撑于独立柱基，查静力计算手册的弯矩系数求得内力并配筋[4]。

图5 两种典型板块计算模型

4.3 抗浮锚杆优化布置

抗浮锚杆的设计总体原则，既要保证结构整体的总体平衡，又要兼顾各区域、各部位的局部平衡，在满足结构安全的前提下尽量做到经济。由于与柱、墙相连接的梁板一定范围内具有一定的刚度，水浮力可直接与上部结构自重平衡，而上部自重很难传递至远离梁、柱、墙的区域。该项目体育馆地下室抗浮的做法为减去上部结构恒载后的水浮力由锚杆平均承担，存在安全隐患。因为，体育馆地下室中间区域的锚杆实际受力不会减去上部结构恒载的净水浮力(整体抗浮的净水浮力)，而是作用于底板底面的水压力减去底板及其面层自重后的净水浮力(局部抗浮的净水浮力)。解决的方法是：抗浮力与水浮力平衡计算分成两个区域，即梁、柱、墙影响区域和纯底板抵抗区域。纯底板抵抗区域的计算方法应是抗浮锚杆设计承载力除以每平方米净水浮力，得到抗浮锚杆的受力面积及间距，梁、柱、墙影响区域应充分利用上部建筑自重进行抗浮，验算传递的上部建筑自重是否能平衡该区域的水浮力，或者根据整体平衡所需的锚杆总数及纯底板抵抗区域的锚杆总数的差值确定，如图6所示。

图6 优化后基础平面布置图

5 地下室高低差过渡节点优化

采用结构手段处理地下室高低差过渡问题，有关规范及参考书没有对此做出规定或给出建议，因此如何在总体方案不变的情况下妥当解决地下室高低差处的构造问题，能够将结构安全、经济合理、施工方便同时兼顾，考核着结构设计人员的胆识与智慧。不同设计人员根据其价值取向不同，在安全与经济之间的倾向性也大不相同，其实施代价往往也差异极大。此外，地下室高低差较大时，可能存在施工期间放坡与支护等临时措施是否能与永久合一，以降低造价等问题。

在解决地下室高低差的结构方案中，应用较多的是采用类似于基坑底面加混凝土斜坡面的构造做法，即在基础底板底面采用结构斜坡实现高低底板间的过渡，斜坡坡度可采用45°或60°，采用这种构造措施基本不需要计算就能满足施工期间及正常使用期间的结构安全问题，但这种构造做法应用于地下室间高低差较大处，如图7所示，不但斜坡构造处的混凝土用量大大增加，钢筋用量也有会增加，这种做法显然不可取[5]。

图7 原地下室高低差过渡节点

优化后的做法，即连接教学楼与体育馆底板的墙体采用直立的做法，其厚度及配筋由计算确定。墙体侧土压力除土压力处，并考虑教学楼的基底压力，将主楼的基底压力作为地面超载对待。由于连接墙与教学楼及体育馆底板厚度相近，故连接墙在教学楼筏板与车库底板处的支承条件，既不是固接，也不是铰接，而是弹性转动约束。从计算方便及偏于安全考虑，可按两端固接及两端铰接模型分别计算后按二者的弯矩包络图进行配筋，这样进行模型简化计算既简单易行又万无一失，构造措施也更加经济合理，如图7所示，计算模型示意如图8所示。图中的荷载p为教学楼的基底压力乘以静止土压力系数后转化为侧向压力，q为墙侧土作用于体育馆地下室墙上的静止土压力，计算跨度(取教学楼底板中线到体育馆底板中线之间的距离)[4]。节点优化后钢筋、混凝土用量指标对比，如表2所示。

表2 高低差节点优化后钢筋、混凝土用量指标对比

6 结论

(1)该项目将梁板式筏形基础优化为独基加防水板，除在2-A轴处(地下室高低差位置)设基础梁外，其余地梁全部取消，底板厚教学楼处由500mm减少至250mm，体育馆处由650mm减少至300mm，相应的用钢量明显减少。

(2)地下室高低差采用基坑底面加混凝土斜坡面的构造做法，不需要计算就能满足结构安全，是结构设计人员普遍做法。这种构造做法最大弊病就是增加混凝土用量，其实合理分析受力情况后，通过简化模型计算，完全可以做到既安全又经济。

(3)水浮力是以均布荷载方式满布于基础底板，抗浮锚杆的存在改变了水浮力的传递路径，锚杆受荷范围内水浮力会直接传给锚杆。中间区域的锚杆实际受力不会减去上部结构荷载后的净水浮力，而是作用于底板的水浮力减去底板及面层自重后的净水浮力。如布置不合理，引起局部不平衡，很容易引发连续破坏，造成失衡，轻者造成底板局部隆起、开裂，重者引发整个地下室上浮。

图8 原地下室高低差过渡节点和计算模型

(4)项目竣工验收时实测最大沉降量为35mm,最大沉降差为12mm，均满足规范要求。

(5)经优化后，既解决了抗浮锚杆不合理布置带来的安全问题，又使钢筋和混凝土用量指标显著降低，工期可节省15d左右，综合经济效益明显。

[1] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2] GB5007-2012 建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[3] GB50038-2005 人民防空地下室设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[4] 姚谏，建筑结构静力计算实用手册(第2版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[5] 中国有色工程有限公司.混凝土结构构造手册(第五版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.