建筑结构体系优化论证

缪冬生 张宝 戴玉伟

摘要：凤凰谷（武进影艺宫）项目位于江苏省常州市武进区核心区位，为建设部三星级绿色建筑项目,荣获国家优质工程“鲁班奖”。本文针对弹性层状土地基，研究框架结构刚度变化、桩土支承体系刚度变化等因素对基础沉降与框架内力的影响。并与常规法解答进行比较分析，对该工程结构的安全和经济设计进行了总结优化。

关键词：桩基、结构、选型

中图分类号：O571文献标识码： A

一、基础选型及经济技术分析

1.1桩基选型方案的比较分析

（1）预应力混凝土管桩（PHC桩）

PHC管桩属于挤土桩的一种，由于采用工厂预制加工，桩身质量

较稳定，目前在工程中大量运用。选用PHC管桩需注意以下技术要点：①应考虑沉桩挤土效应对邻近桩、建筑物、道路和地下管线等产生的不利影响；②应考虑沉桩方式（锤击或静压）对周边环境的影响，并采取相应措施；③PHC管桩用于抗拔桩、锚桩或主要承受水平荷载时，应验算桩身和接头强度后选用；④当管桩用于摩擦型桩时，桩的长径比不宜大于100，用于端承型桩时，桩的长径比不宜大于80。

（2）预制钢筋混凝土方桩

预制钢筋混凝土方桩也属于挤土桩的一种，由于采用工厂预制加工，桩身质量比较稳定，目前在工程中大量运用，但经济性略不如PHC管桩。选用预制钢筋混凝土方桩需注意以下技术要点：①应考虑沉桩挤土效应对邻近桩、建筑物、道路和地下管线等产生的不利影响；②应考虑沉桩方式（锤击或静压）对周边环境的影响，并采取相应措施；③桩身穿过一定厚度的硬土层时，硬土层越厚沉桩越困难，锤击应力或压桩力越高；④作为抗拔桩使用时，设计人员应根据抗裂要求计算确定混凝土强度等级和纵向钢筋配筋量；⑤对于锤击桩，摩擦桩的长径比不宜大于120，端承桩或摩擦桩需穿越一定厚度的硬土层时，其长径比不宜大于100。

（3）钻孔灌注桩

当场地周围环境保护要求较高，估计采用预制桩难以控制沉桩挤土影响时，可采用钻孔灌注桩，钻孔灌注桩属于非挤土桩，目前在上海地区的工程中大量运用，施工工艺比较成熟。选用钻孔灌注桩需注意以下技术要点：①由于采用泥浆护壁的成孔方式，现场需要设置运送泥浆的送浆和回淤的沟和井，一般施工现场卫生条件较差；②设计桩径宜大于550mm，设计桩径即钻头直径，且实际灌注高度应高出设计桩顶标高5％的桩长，且不小于2m；③钻孔灌注桩施工前，必须试成孔，以便检验地质资料、检验设备、施工工艺及技术要求是否适宜；④钻孔灌注桩作为摩擦桩的长径比不宜大于120，作为端承桩其长径比不宜大于100。

1.2推荐桩基选型方案

抗压桩经济性比较一览

抗压桩桩型 规格

(mm) 桩长

(m) 桩顶绝对标高

(m) 单桩竖向承载力

设计值(KN)

钻孔灌注桩 Ф650 44.0 —6.200 3250

预制砼方桩 400x400 37.0 —6.200 2700

PHC管桩 Ф500 37.0 —6.200 2500

PHC管桩 Ф600 37.0 —6.200 3400

抗压桩桩型 单价

(元/m) 桩长

(m) 单根桩综合总价

(元) 每1000KN承载力

单位价格(元)

Ф650

钻孔灌注桩 332 44.0 14608 4494

400x400

预制砼方桩 208 37.0 7696 2850

Ф500

PHC管桩 154 37.0 5698 2279

Ф600

PHC管桩 181 37.0 6697 1969

抗拔桩经济性比较一览

抗拔桩桩型 规格

(mm) 桩长

(m) 桩顶绝对标高

(m) 单桩竖向承载力

设计值(KN)

预制砼方桩 250x250 12.0 —5.700 285

预制砼方桩 300x300 24.0 —5.700 580

预制砼方桩 350x350 24.0 —5.700 680

PHC管桩 Ф300 12.0 —5.700 285

PHC管桩 Ф400 24.0 —5.700 570

PHC管桩 Ф500 26.0 —5.700 750

抗拔桩桩型 单价

(元/m) 桩长

(m) 单根桩综合总价

(元) 每1000KN承载力

单位价格(元)

250x250

预制砼方桩 82 12.0 984 3452

300x300

预制砼方桩 117 24.0 2808 4841

350x350

预制砼方桩 159 24.0 3816 5611

Ф300

PHC管桩 80 12.0 960 3368

Ф400

PHC管桩 109 24.0 2616 4589

Ф500

PHC管桩 154 26.0 4004 5338

从每1000KN承载力的单位价格的比较可见，PHC管桩为预制混凝土方桩的80％左右，为钻孔灌注桩的50％左右，结合本工程的地质状况并考虑施工工期的因素，我们认为承压桩应首先考虑采用PHC管桩。本工程最终选择 Φ500和Φ600PHC管桩作为承压工程桩，桩长37m，持力层为第⑤2-2层（粉砂夹粉质粘土层）。

由于PHC管桩用于抗拔桩时，其单桩价格和制作周期有着明显优势，但桩头接桩构造比较复杂，一般选用抗拔桩时宜优先考虑预制方桩，如选用350×350或300×300的两节桩。但考虑到本工程施工工期紧、造价控制严的特点，经综合比较后采用Φ500PHC两节管桩（上节AB型13m，下节A型13m）作为抗拔桩，持力层为第⑤2-1层（砂质粉土夹粉质粘土）。为确保上下节桩的接桩质量，拟对接桩接头进行特殊处理，详见下图。

根据拟建场地的详细地质勘探报告及周围环境的情况，确定采用静压沉桩方式施工。同时要求沉桩施工必须合理安排打桩顺序，施工过程中应加强对周边环境进行监测，确保挤土效应不对邻近建筑物及管道等产生不良影响。

1.3地下室底板结构选型

对地下室底板的结构平面布置方案，设计中比较分析了两种方案：

（1）、3mx3m均匀布置抗拔桩+柱下独立承台；

（2）、集中布置抗拔桩+柱下独立承台+基础梁；

两种方案布置详见下图：

经比较，采用方案（1）的综合经济性明显优于方案（2），总造价可节省20%左右，且桩基制作及沉桩工期大大缩短，故本工程最终拟采用方案（1）进行施工图深化设计。

二、地下室顶板结构选型分析

地下室顶板柱网尺寸为18x18m，且活荷载较大达20KN/m2，为了选取最优结构方案，设计中预应力混凝土结构与型钢混凝土结构两种结构形式进行了分析比较，具体内容如下：

2.1采用型钢混凝土结构形式

2.2采用预应力混凝土结构形式：

经分析比较，采用预应力混凝土结构在造价上比型钢混凝土结构节省费用约600万。所以，尽管型钢混凝土结构具有延性好、可避免柱上开孔穿透等优点，但存在用钢量大，施工比较复杂，施工质量难以保证等问题。而预应力混凝土结构无论是经济性还是抗裂性、施工方便性都要优于型钢混凝土结构，因此顶板最终采用双向有粘结预应力混凝土结构。

三、二层楼面结构选型分析

东侧展厅为两层钢框架-支撑结构，局部有夹层。主要柱网尺寸分9mx9m和18mx18m两种。楼面结构的选型主要基于以下三点考虑：（1）结构合理；（2）建筑形式美观；（3）满足设备管线穿行需求。

柱网尺寸为9mx9m部分，框架梁和次梁采用焊接H形截面，上铺150mm厚钢筋桁架现浇混凝土楼面，不考虑次梁与楼板的组合作用。

四号展厅柱网尺寸为18mx18m，二层楼面荷载达12KN/m2，框架梁拟采用变截面楔形箱形梁（梁高1700mm～1250mm）；次梁采用双向井字组合梁（梁高800mm），上铺150mm厚钢筋桁架现浇混凝土楼面，考虑次梁与楼板的组合作用。

四号展厅柱网尺寸为18mx18m，二层楼面展厅的恒荷载为6KN/m2（包括楼板、管线、面层等自重），活荷载为12 KN/m2。

3.1四号展厅二层楼面框架梁形式比较

（1）框架梁采用空腹桁架

设备管线从桁架腹杆间穿越。桁架上弦与楼面次梁连接，保证上弦平面外稳定。桁架下弦靠支座节间为受压杆，布置下弦支撑减小压杆平面外计算长度。

桁架方案a:

跨中取消斜腹杆，便于穿风管，其余管线从腹杆间穿越。

(桁架右侧数值分别代表强度、绕弱轴稳定和绕强轴稳定应力比)

桁架方案b：

风管从桁架跨中下穿过，其余管线从腹杆间穿越。

方案比较:

方案比较 桁架方案a 桁架方案b

结构高度(mm) 2650 1350~3250

跨中挠度(mm) 20.8 18.4

应力比 如图 约0.85

每榀理论用钢量(t) 9.33 10.84

每平方米用钢量（kg） 57.6 66.9

18mx18m柱网楼面处采用空腹桁架的方案用钢省，便于设备管线穿越。但桁架杆件较多，外形不够简洁，与建筑整体风格不协调。桁架方案建筑不认可，考虑采用实腹箱梁方案。

（2）框架梁采用实腹箱梁

考虑建筑对于四号展厅二层楼面框架梁外形的要求，将空腹桁架方案改为实腹箱形梁方案，以下对几种箱形梁方案进行比较分析。直径小于300mm设备管线从箱梁腹板穿越，腹板局部开洞；风管从梁下穿越，且保证建筑净空要求。

箱梁方案a:

考虑到应力比主要由梁端控制，为了充分发挥材料性能，对方案a进行改进，得到以下两种方案。

箱梁方案b:

方案b采用楔形变截面箱梁，梁高由1700mm变为1250mm，可以充分发挥材料性能。考虑到风管从梁跨中下穿过，梁跨中高度比根部小，增加了建筑净空。

方案比较:

方案比较 方案a 方案b

结构高度(mm) 1700 19.96

跨中挠度(mm) 14.83 18.4

应力比 如图 如图

每榀理论用钢量(t) 14.80 13.24

每平方米用钢量（mm） 91.36 81.71

综合考虑，采用方案b－楔形变截面箱梁。

3.2次梁形式比较

建筑标准展位尺寸为3mx3m，为与设备管线留洞位置统一模数，楼面次梁采用3mx3m双向布置。次梁与次梁节点为刚接，次梁与主梁节点为铰接，次梁挠度按1/300控制，以下对几种次梁布置方案进行比较分析。

（1）方案a

双向井字次梁JGL1采用H800x250(350)x14x16(30)，考虑其与楼板组合作用；

双向井字次梁JGL2采用H800x250(350)x14x16(25)，考虑其与楼板组合作用。

（2）方案b

双向井字次梁JGL1采用H650x250(350)x12x16(30)，考虑其与楼板组合作用；

双向井字次梁JGL2采用H650x250(350)x12x16(25)，考虑其与楼板组合作用。

对JGL施加预应力，预应力筋采用高强度低松弛钢绞线,其抗拉强度标准值为，对每根JGL施加，钢绞线张拉至，预应力产生的反拱部分抵消施工阶段的变形。

（3）方案c

双向井字次梁JGL1采用H900x350x16x30，不考虑其与楼板组合作用；

双向井字次梁JGL2采用H900x350x16x25，不考虑其与楼板组合作用。

（4）方案比较

方案 方案a 方案b 方案c

结构高度（mm） 800 650 900

应力比 0.71 0.88 0.86

施工阶段挠度（mm） 27.5 43.5-22(反拱)=21.5

使用阶段挠度（mm） 31.4 37.8

总挠度（mm） 58.9（1/306） 59.3（1/303） 58.3（1/308）

每平方米用钢量（kg） 102.8 105.4 139.5

从上表可以看出，方案a用钢梁省，梁高较小，不需施加预应力，方便施工，可采用。

3.3四号展厅二层楼面活载不利分布的影响

四号展厅二层楼面的恒荷载为6KN/m2（包括楼板、管线、面层等自重），活荷载为12 KN/m2，竖向荷载组合下活荷载所占比例较高，活荷载分布形式对梁的内力（包括梁正、负弯距和剪力）有较大影响，需要考虑楼面活荷载不利分布。

（1）模型概况

根据整体计算结果，四号展厅二层楼面框架梁的应力比由竖向荷载组合（1.2恒载＋1.4活载）控制，取5x5跨局部模型分析活载不利分布的影响。

局部模型

工况一：活荷载满跨布置工况二：活荷载半跨布置

工况三：活荷载隔跨布置（1） 工况四：活荷载隔跨布置（2）

工况五：活荷载隔跨布置（3） 工况六：活荷载棋盘形布置（1）

工况七：活荷载棋盘形布置（2）

（2）框架梁内力比较

分别取一根典型的边跨框架梁（L1）和中跨框架梁（L2）进行分析，如模型图所示，得到是否考虑活载不利分布框架梁内力。可以看出，活载不利分布对框架梁的弯矩影响不可忽略，尤其是跨中正弯矩变化最显著，增大达43.2％；梁端弯矩增大约10％~20％；考虑活载不利分布对梁端剪力有所增加，本工程最大达13.8％；考虑活载不利分布的梁跨中出现负弯矩区域变长的现象。楼面结构设计已考虑活载不利分布的影响。

框架梁位置 中跨框架梁L1 边跨框架梁L2

框架梁内力 梁端弯矩(KN·m) 跨中弯矩

(KN·m) 梁端剪力

(KN) 梁端弯矩

(KN·m) 跨中弯矩

(KN·m) 梁端剪力

(KN)

考虑活载不利分布 10729 5079 2643 11752 5912 2830

满布布置 9001 3548 2323 10791 5013 2671

比值（考虑/不考虑） 1.192 1.432 1.138 1.089 1.179 1.060

四、屋盖体系结构选型与结构布置分析

4.1西展厅屋盖结构体系选型

根据主题馆屋面建筑造型、结构跨度以及下部结构可以提供的支承条件，对3种可行的屋面结构方案（图4.1）：双向预应力桁架方案、巨型折板框架方案、单向预应力桁架方案进行了对比分析：

a)双向预应力桁架方案

沿屋面南北向间隔18m布置一道预应力桁架，由于建筑造型的限制，沿东西向仅能在跨中布置一道预应力桁架，下部拉索沿球面双向布置，进而形成了双向预应力桁架方案。

分析结果表明，该方案结构竖向刚度增加不明显，并且双向拉索交叉节点构造复杂，拉索张拉难度高；沿球面布置的双向拉索建筑视觉效果差。

b)巨型框架方案

与屋面建筑机理对应，沿东西向布置巨型框架，其中桁架梁梁断面高8m，格构柱断面结合西侧展厅两侧辅助用房取9m，其腹杆采用交叉斜杆式布置方式，以有效传递水平剪力。

分析结果表明，该方案竖向刚度好，结构效率高，但在最不利荷载组合下，柱脚将产生2000KN的水平力，给基础设计带来了难度，更为不利的是，格构柱的交叉腹杆对建筑辅助用房使用功能有较大影响，结构布置与建筑功能冲突较多。

c)单向预应力桁架方案

该方案沿屋面南北向中间间隔18m布置一道预应力桁架。预应力桁架结构高11.5m，失跨比为1/11，上部刚性子结构断面为正三角形立体桁架，高3m、宽3m，下部距预应力桁架两端45m处各设置了两对独特V撑杆，撑杆高8.5，每对撑杆上端连接于立体桁架下弦，下端通过索夹与间距1.5m的两根平行拉索相连，为了确保索撑体系的平面外稳定性，每对撑杆的下端通过横撑联结在一起。与传统的张弦体系多道撑杆均匀布置相比，本设计两道撑杆近跨中布置，这样由拉索张拉而引起撑杆上顶作用将更为明显，从而对上弦桁架产生更为明显卸载作用，拉索的预应力效率得到明显提高。分析结果表明，通过对拉索施加适当的预应力，可以大大提高结构的承载性能。