上海某厂房改造项目基础变刚度调平设计研究

2018-04-03曾朝杰上海同建强华建筑设计有限公司上海200072

建筑科技 2018年4期

曾朝杰（上海同建强华建筑设计有限公司, 上海 200072）

1 桩基基础变刚度调平设计的基本概念

基础变刚度调平设计是指通过调整地基、承台和基桩的刚度分布，使反力与荷载分布相协调，使沉降变形趋向均匀，从而使基础所受整体弯矩、冲切力和剪力减至较小状态的设计方法，本质就是上部结构与地基基础共同作用理论的具体应用，也是共同作用理论与目前结构设计中的等强度设计原理相结合的设计思路。

理论计算及实测资料表明，变刚度调平方式地基刚度从大到小分别为：刚度最大是桩基，其次为复合桩基，刚度最小是天然地基。以桩为例，对桩基刚度影响最为显著的是桩长。在一般情况下，桩长加长会显著提高地基刚度，一般桩径及布桩密度对于桩刚度的提高有限，且会增加桩基造价，因此仅仅作为辅助手段。

为使整个基础变形、沉降均匀，而调整地基刚度，再通过迭代计算或者基础相互影响进行计算得出的基础设计方案，就称为变刚度调平设计。变刚度调平设计已经逐步成为地基基础设计的一种主流设计思路，在使基础受力均匀的同时，增加了上部结构的耐久性及舒适性，在建筑物正常使用极限状态全生命周期内，较大程度地避免了结构倾斜、开裂及渗水等使用缺陷。

例如，632 m 高的上海中心大厦的基础工程，在作者参与及建议下，采用 86 m 及 82 m 两种入土深度钻孔灌注桩及不同的布桩方式（核心筒下梅花形，其余采用矩形），调节核心筒与巨型框架柱下的桩基刚度，取得了很好的经济效益。

图1 为几种常用变刚度调平设计方式。在工程应用中，选择哪种基础刚度调平，取决于工程具体情况，以及方案的比较，特别是技术人员的认知水平。由于上海 681 商务中心项目结合使用了多种变刚度调平技术，因此值得深入研究。

图1 常用变刚度调平设计方式示意图

2 上海681商务中心基础变刚度调平优化设计

2.1 工程及改造概况

拟建工程上海 681 商务中心为高档会务、娱乐及餐饮场所，为改建工程，原结构为西门子华通开关厂，位于上海市广中西路 191号，建设单位为上海华发企业发展有限公司，设计单位为上海同建强华建筑设计有限公司，施工总包为上海通用金属结构有限公司三分公司。原厂房内景见图2。

图2 原厂房内景图

本工程改建主体为 8.0 m 三跨的5层建筑，改建后建筑面积约为 18 938 m2，内部改造采用钢结构。本项目是在原有厂房主体结构保留的情况下的改建工程，原主体结构部分为单层高大空间钢筋混凝土排架结构，天然地基上的独立基础，厂房总高度 18.8 m，跨度为24.0 m，主体两侧有附属多层钢筋混凝土框架结构厂房。

根据建设单位要求，为减轻自重在高大空间单层厂房内采用钢结构，从而改建为5层使用空间的多层建筑。改建后的层高为：1层高5.5 m，2 层高4 m，3 ～ 5 层的层高 3.5 m。改建后实景图见图3。

总之，建设和谐企业过程中，政工工作需要充分发挥积极的引导和指导作用，不断适应新的形式，不断加强对工作机制进行创新和调整，坚持以人为本的理念，将员工的需要作为工作的核心和重要基础，应更加深入细致地关心爱护员工，真正意义上将他们生活工作中遇到的问题进行解决，让员工放心工作，不断激发员工积极性和工作热情，为建设和谐企业奠定坚实的基础。

图3 改建后实景图

本工程为减少基础荷载，内部采用了钢结构框架形式，钢梁与原排架柱子采用刚结节点，楼面次梁采用楼层钢桁架，桁架间距 1.25 m，楼板混凝土厚度 60～100 mm，进一步减轻了自重。同济大学出具的“广中西路 191号房屋质量检测报告”（2008-196）以及“广中西路 191号房屋抗震鉴定报告”（2008-072）显示，原房屋质量整体性较好，改建后能满足 7 度抗震设防要求。根据抗震计算，改造设计均满足现行国家相关规范的要求，对于局部配筋超限均进行了截面加大及粘钢加固，增补加强了抗侧力支撑体系。原建筑基础平面图见图4，原结构及基础剖面见图5。

图4 原建筑基础平面图

图5 原结构及基础剖面图

2.2 上部结构主要原设计荷载及新设计荷载准永久值的确定

根据上部结构计算底层 D+L（恒载+活载）设计值，由手算确定准永久值荷载组合之下的原来柱子荷载准永久值及改造后的柱子荷载准永久值如下。

（1）原设计荷载准永久值。A 轴单柱原厂房荷载准永久值为 1 089.8 kN，计算按照1 100 kN 考虑；B 轴单柱原厂房荷载准永久值为 1 402.6 kN，计算按照 1 402 kN 考虑；C轴单柱原厂房荷载准永久值为 765.7 kN，计算按照 770 kN考虑；E 轴单柱原厂房荷载准永久值为 394.7 kN，计算按照400 kN 考虑。

（2）新设计荷载准永久值。A 轴新加荷载之一为 1 600 kN，A 轴新加荷载之二（边上 2 轴、3 轴或15 轴、16轴 2个轴力较大的基础)为 2 000 kN，A 轴新加荷载之三（中间 7～11 轴5个轴力较大的基础，上部结构有悬挑)为 2 295 kN；B 轴新加荷载为 1 800 kN、2 000 kN 2 种；D 轴新加荷载为 1 000 kN、1 200 kN 2 种；E 轴新加荷载为 600 kN、700 kN 2 种。

2.3 计算理论依据及要点

本工程地质地层参数如表1所示。

表1 本工程地质地层参数表

（1）设计计算依据。本工程采用多种基础混合的形式，依据 JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》第3.1.8 条进行基础变刚度调平设计，在地基强度满足的前提下以差异沉降的控制作为设计的目标函数，采用桩基、不同复合度的PHC 复合桩基、锚杆静压桩复合桩基以及天然地基相结合的方式，使得各柱的沉降及差异沉降都控制在规范许可的范围以内。

（2）设计要点。考虑应力历史，计算变形时，考虑原有地基附加应力作用下的沉降经过 17 a 应力变形，在原来厂房基底压力下的应力固结已经完成，对于勘察报告中所提出的参数，按超固结土考虑（超固结比＞1），因此具体计算是采用总地基附加应力作用下计算变形，尚需要扣除原来厂房地基附加压力作用下变形，以此作为新增地基变形，并以新增地基变形作为基础实际变形。

3 基础变刚度调平计算结果及基础设计

本工程设计时，采用作者编制的上海地基基础设计规范配套计算软件“超明星地基强度及沉降计算软件”（2.1版）进行基础变刚度调平计算，严格遵守 DGJ 08-11—2010《上海市地基基础设计规范》的要求，并考虑相邻基础的影响。计算时基于以下假设：一般考虑 2～4 个相邻基础的影响（3 倍基础宽度以外即不考虑），由于桩尖较深，所以一般不考虑天然地基对桩基、复合桩基中桩基部分变形的影响。对该改造项目的基础沉降进行了上百次反复计算（详细计算书限于篇幅从略），得出下面的计算结果。

3.1 老基础的沉降计算

老基础的沉降计算（应力历史沉降）如下：A 轴老基础，考虑 5 个 1 100 kN，计算沉降为 4.2 cm；B 轴老基础，考虑 5 个 1 402 kN，计算沉降为 5.81 cm；D 轴老基础，考虑 5 个 770 kN，计算沉降为 2.97 cm；E 轴老基础，考虑 5个 400 kN，计算沉降为1.63 cm。

3.2 新基础的沉降计算

新基础的沉降计算（扣除老基础的应力历史沉降）如下。

（1）A 轴新加荷载之一，考虑 5 个1 600 kN，计算沉降为 8.58 cm，扣除老基础后的计算沉降为 4.38 cm。

（2）A 轴新加荷载之二（边上 2 轴、3 轴或 15 轴、16轴两个轴力较大的基础)，考虑 2 个 2 000 kN，计算沉降为9.16 cm，扣除老基础后的计算沉降为 4.96 cm。若考虑 5个(8 563/5)1 713 kN，计算沉降为 9.92 cm，扣除老基础后的沉降为 5.72 cm。

（3）A 轴新加荷载之三(中间 7～11 轴 5 个轴力较大的基础，上部结构有悬挑)，若考虑 5 个(1 1476/5) 2 295 kN，计算沉降 17.53 cm，扣除老基础后计算沉降为 13.33 cm。因此，不可能采用天然地基，而采用进入持力层 6号 ±1 m的复合桩基，小方桩 250 mm×250 mm× 20 000 mm。同理，计算 5 个基础的计算沉降为 9.01 cm，扣除老基础后的计算沉降为 4.81 cm。符合要求。

（4）B 轴新加荷载之一，考虑 5 个 1 800 kN，计算沉降为 9.87 cm，扣除老基础后的计算沉降为 4.06 cm。

（5）B 轴新加荷载之二，考虑 5 个 2 000 kN，计算沉降为 12.35 cm，扣除老基础后的计算沉降为 6.54 cm。

（6）D 轴新加荷载，考虑 5 个1 000 kN，计算沉降为4.92 cm，扣除老基础后的计算沉降为 1.95 cm；考虑 5 个1 200 kN，计算沉降为 7.30 cm，扣除老基础后的计算沉降为 4.33 cm；考虑 3 个 1 200 kN，计算沉降为 6.66 cm，扣除老基础后的计算沉降为 3.69 cm。

（7）E 轴新加荷载：考虑 5 个 600 kN，计算沉降为3.87 cm，扣除老基础后的计算沉降为 2.24 cm；考虑 5 个700 kN，计算沉降为 5.27 cm，扣除老基础后的计算沉降为3.64 cm。

（8）1/A、2/A 轴复合桩基，桩选 PHC AB 300 60 1111（PHC 桩，AB 型，300 mm，壁厚 60 mm，11 m+11 m两节桩），进入持力层第⑥ 层土 3 m。由于 2 ～ 4 轴为暗浜分布区，其天然地基的承载力部分由单节短桩 PHC AB 300 60 12 提供： 6 个柱子，6×1 100 kN，计算沉降为 3.30 cm；6个柱子，6×1 200 kN，计算沉降为 3.61 cm。

（9）1/C 轴复合桩基，桩选 PHC AB 300 60 1111，进入持力层第⑥ 层土 3 m。设计值为 833 kN，准永久值为586 kN；5 个柱子计算沉降为 3.37 cm，3 个柱子计算沉降为3.75 cm。符合要求。

（10）1/C 轴附近的 5 个新加天然地基（1 个双柱)，准永久值为 2 177 kN，设计值为2 988 kN；变形计算分别为3.30、2.90、2.80、2.95、3.43 cm，由于最后 1 个基础附加压力稍大，因此按该基础增加附加压力，变形计算为 3.90 cm。

3.3 地基承载力验算

本项目地基承载力经验算后满足要求。本项目实施的变刚度桩基及基础平面示意见图6。改造后结构和变刚度桩基及基础剖面见图7。

图6 实施的变刚度桩基及基础平面示意图

图7 改造后结构和变刚度桩基及基础剖面图

图8 沉降值计算结果及相应轴力图

沉降值计算结果及相应轴力见图8。图8中每个桩基上标注的数值为“沉降值（单位：mm）-轴力（单位：kN）”。

4 实测结果及经济效益

本工程于 2009年7月结构封顶。2010年建成使用后实测最大沉降在 B 轴东北侧，与预估沉降的趋势一致，实测沉降值约为 30 mm ，小于预估沉降值（45～60 mm）的最小值。主楼范围不均匀沉降小于 10 mm，局部倾斜远小于4‰。该工程装修完毕并投入使用多年，完全达到设计预期目的。

本工程通过旧厂房改造，充分利用了原来厂房的结构构件及围护结构，整个土建工程造价含加固（不含装修)在内共计 2 140 万元，按照建筑面积 18 938 m2计算，单位建筑面积造价为 1 130 元/m2。如果新造618商务中心，造价将高达 1 800 元/m2以上，还不包括原建筑的拆除及垃圾清运处理费用等。因此，本改造工程按照单位面积节约工程造价670 元/m2计算，共节约工程造价 1 266 万元。