转换梁、桩筏、箱桩等基础在跨线工程的应用

1 引言

随着城市土地资源愈加紧缺， 地铁周边地块开发越来越受到重视。 地铁交通的便捷，增加了上盖的开发价值[1-2]。 跨线结构在以后的开发中会越来越多，而针对跨线结构，由于基础均涉及转换，基础受力复杂，基础设计成为重中之重。 从既有开发案例总结，跨线结构基础一般有转换梁、桩筏、箱桩等基础形式。

2 工程概况

为对比分析各种形式基础的优缺点， 本文以佛山某跨线项目为例。 建筑总平面图如图1 所示。

图1 建筑总平面图

本项目塔楼部分为17 层公寓，无地下室，首层板结构标高为-1.100 m，塔楼下穿地铁线路，详见图1。根据地勘提供的土质剖面， 为避免基础产生过多的附加荷载对下穿隧道产生影响[3-5]，基础形式拟采用灌注桩基础，由于下穿地铁线路的影响， 桩布置受到局限， 桩定位需距离区间隧道不小于3 m，因此，宜采用转换梁基础托换上部结构。

3 转换梁基础

根据相关规范[6-8]及限制条件，转换梁基础布置如图2 所示，由于地铁线路设置，桩基础仅能沿着线路布置。 根据上部结构布置局部调整桩位， 并根据受力直接简单的原则布置转换梁。 根据抗弯和抗剪计算得到的Y 向转换梁截面为2 000 mm×2 400 mm，混凝土强度为C40，截面为抗剪控制。 建筑高度为57.00 m，则基础埋深为57/18=3.17 m，转换梁高度满足埋深要求。

根据JGJ 3—2010 《高层建筑混凝土结构技术规程》10.2.8 条，由抗剪控制的转换梁截面的剪力设计值应符合下列规定。

持久、短暂设计状况：

地震设计状况：

式中，V 为转换梁截面组合的剪力设计值，kN；βc为混凝土强度影响系数， 混凝土强度不大于C50 时取1.0；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，kN/m2；b 为转换梁宽度，m；h0为转换梁有效高度，m；γRE为转换梁抗剪承载力抗震调整系数。

4 基础对比分析

为对比转换梁、桩筏、箱桩基础的优缺点，在建筑条件保持不变的情况下，拟采用有限元分别分析计算3 种基础方案，并对比分析3 种基础方案的计算结果。

转换梁基础：基础方案详见上节。

桩筏基础：保持桩基布置与转换梁基础相同，筏板厚度拟采用2 000 mm，混凝土强度为C40。

箱桩基础：保持桩基布置与转换梁基础相同，顶板厚度采用300 mm，底板厚度采用500 mm，内外墙厚度800 mm，内墙间距为3 500 mm，基础高度3 000 mm，混凝土强度均为C40。采用某有限元软件， 分别建立上部塔楼及基础的有限元模型如图3 所示。

图3 上部塔楼及转换梁基础有限元模型

竖向荷载作用下桩反力对比如图4 所示。

图4 转换梁、桩筏、箱桩基础桩反力

对比有限元计算得出的3 种基础桩反力， 桩筏基础及箱桩基础桩反力均比转换梁桩反力均匀， 这是由于桩筏及箱桩基础刚度更大，更能平均桩反力。

有限元计算得出的3 种基础相关部位应力及变形对比，详见表1。

表1 应力及变形对比表

分析表1 可知，箱桩基础在跨度较大的Y 向，可认为等效为工字梁，而进行有限元计算的内墙间距为3 500 mm，即工字梁间距为3 500 mm。 转换梁基础为矩形梁，Y 向梁间距为7 000 mm，梁间距是内墙间距的2 倍，但根据表1 发现同一墙肢下箱桩基础墙底的拉应力却远小于转换梁基础梁底的拉应力， 证明箱桩基础的底板分担了很大一部分由竖向荷载作用下弯矩产生的拉应力。 箱桩基础在整体抗弯时，底板主要承担拉力。

根据表1 数据， 同一墙肢下箱桩基础内墙支座处剪应力小于转换梁支座处剪应力， 且大于转换梁支座处剪应力的一半。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）中6.3 节计算工字梁截面抗剪时，仅考虑腹板截面，而工字梁间距是转换梁间距的一半，因此，理论上箱桩基础墙支座处的剪应力应为转换梁支座处剪应力的一半， 但考虑到箱桩基础的仅部分内墙直接承受剪力墙竖向荷载， 部分内墙为非直接受力，因此，内墙承受的竖向荷载是分布不均的，直接承受剪力墙竖向荷载的内墙底部拉应力较大，这与表1 中结果是吻合的。 根据JGJ 6—2011《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》[9]6.1.1 条，内墙截面抗剪公式如下：

式中，V＇为内墙截面组合的剪力设计值，kN；b＇为内墙截面宽度，m；h＇0为内墙截面有效高度，m。

此公式与上文给出的转换梁截面抗剪公式一致，因此，当内墙截面与转换梁截面由抗剪控制时，截面应基本一致，因此对于跨线基础而言，由于存在托换，当转换梁截面为抗剪控制时，转换梁基础应比箱桩基础更加经济。

根据表1 中变形数据可知，2 000 mm×2 400 mm 的转换梁基础刚度最小变形最大，3 m 高的箱桩基础刚度要大于2 m 厚的筏板基础， 即3 m 高的箱桩基础在竖向荷载下变形最小。

5 桩筏及箱桩基础变形对比分析

根据上文分析，3 m 高箱形基础变形小于2 m 厚的筏板基础，为研究同等厚度下的箱形基础及筏板基础的变形，现分别计算2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m 厚度两种基础的变形，得出基础变形随厚度变化的曲线图如图5 所示。

图5 箱桩基础及桩筏基础的变形趋势图

根据图5 可发现，同等基础厚度的情况下，箱桩基础变形略大于桩筏基础， 两种基础形式基础变形均随着基础厚度的增加，变形越来越小，但随着基础厚度越来越大，基础自重也越来越大，基础变形减小的趋势也越来越缓。

同等厚度的情况下，箱桩基础刚度明显是小于桩筏基础，但加密箱桩基础内墙间距厚可明显提升基础刚度，减小基础变形，分别计算3 m 高度下内墙间距为7 m、3.5 m、2.4 m、1.75 m这4 种箱桩基础的变形，得到如图6 所示曲线。

图6 3 m高箱桩基础随内墙间距变化的基础变形趋势图

由图6 可发现，内墙间距加密后，箱桩基础的变形随着间距的加密不断变小，并无限趋近于桩筏基础。

6 结论及建议

本文以某跨线项目为依托， 采用有限元分析对比了转换梁基础，桩筏基础及箱桩基础的桩反力，弯曲应力及基础变形等。 根据分析结果可总结出跨线项目3 种基础的优缺点如下。

转换梁基础：受力直接，开挖量小，施工方便，但整体性较差，当需要布置多桩共同受力时，桩反力利用率较低，基础变形较大。

箱桩基础：整体性较好，多桩布置时反力可均匀利用，挠度对比转换梁能够得到较好控制，材料费用比桩筏节省，但开挖量大，施工复杂，对上部结构有要求，适合上部较为规则的建筑。

桩筏基础：整体性好，多桩布置时反力可均匀利用，挠度能够得到较好控制，但开挖量大，基础费用较高，适合楼层数较高，桩布置较多，上部结构布置不规则转换梁及箱基均难以实现的基础。