变刚度调平在塔台桩基设计中的应用

摘 要：影响高层建筑桩基沉降的因素很多，在既有实际经验基础上，桩基布置方式为重要影响因素，本文通过介绍变刚度调平设计理念的基本概念，阐述了一种可以有效减少高层建筑桩基沉降特别是核心筒结构的设计方法，并通过在实际工程中的运用，取得了良好的经济效益。

关键词：桩基；变刚度调平；沉降

中图分类号：TU44.7 文献标识码：A

1 概述

影响桩基沉降的因素包括：（1）土层参数。土质固结程度越高沉降越少。（2）上部结构荷载。上部结构荷载越高，承臺底有效应力越大，沉降越大。（3）桩基布置形式，群桩需考虑桩.土协同作用。（4）承台尺寸，承台或筏板面积大可以有效减少建筑物各部分不均匀沉降。传统的桩基设计桩基布置大体均匀，均匀布桩的地基变形特征为中间变形大，外围变形小，呈明显的碟形。桩顶反力则表现为马鞍形分布，在此类型的受力系统中的不均匀地基变形与结构所受到外部力同样也是一种主动作用，土体在该主动作用下会产生有效应力。在严重变形筏板基础或桩基布置不合理的桩承台的土体下面的变形呈碟形分布，土体的变形又进一步引起结构基础和结构主体的额外底部反力，整个结构呈进一步变形破坏趋势。我们在结构设计思路中通常只考虑静力平衡，往往会忽略建筑主体、桩基、地基土协同受力。变刚度调平设计理念提出的目的就是用来改变上述不利因素的。

2 基本原理

变刚度调平概念设计旨在根据建筑主体、桩基、地基土协同受力规律人为的调整桩基布置间距、长度、桩径等来减小房屋建筑下土体的不均匀变形、同时有效使用承台内部应力和削弱上部结构额外内力，以节约资源，突破传统，提高建筑物受力合理性以延长其安全寿命。

在不做任何处理的情况下，荷载均匀分布的上部结构和桩基均匀分布的下部结构其变形方式是内大外小的规律，这是因为由于土与土、桩之间、土与桩的相互作用导致同样的地基土在地板的不同位置其抵抗变形的能力也就是刚度产生了明显差异，即外强内弱。这种效应实质是一种场效应，也可称之为群桩效应，是不利于建筑结构本身的。对于框剪、框架核心筒结构这种结构荷载分布外小内大的情况尤为明显，若还采用传统设计方法布置桩基，则碟形变形会被放大，需修改。

为避免上述不利因素，现引入变刚度调平设计理念，合理布置基础与桩基可以使差异沉降减到最小，使得基地反力分布模式与上部结构荷载分布相适应。实现变形、内力、资源消耗更加优化。具体做法有：

1）局部加密加强布置基础或桩基。每个结构对土体的作用根据结构类型不尽相同，具体体现在结构的对土体作用的重心位置不同，在结构对土体作用的重心部位，可对其下的基础或者桩基做一个加密处理或者加大桩径或加长等方式处理。特殊情况下还可使用复合地基。

2）主楼与裙楼相连情况下变刚度调整。对于主楼与裙楼或此楼连体的建筑基础，同样可以根据变刚度调平理念原则来强化主楼弱化裙楼的基础或桩基达到效果。必要时可采用增沉措施以达到两者间差异沉降小于安全值。

3 工程案例

随着我国机场建设步伐加快，各种大跨度、大偏心、高耸结构相继涌现。其中又以空管工程中的高耸构筑物塔台为典型代表。本文计算模型采用武汉新塔台：建筑高度115米，地下1层，地上共22层，主体为筒体结构。1层筒体短边方向8.6m，长边方向14.2m，负一层层高7.5m，设消防水池、集水坑，长边方向23.2m，短边方向16m，采用桩筏基础，桩基布置如图，有效桩长32m。分析过程采用Midas building 有限元分析软件对整个桩基及其底板的内力进行迭代分析，并在布置过程中尝试了多种桩基布置方案，最终以下图的桩基布置图为最优。从图中可以看到，塔台核心筒下面的底板、剪力墙其内力相应较大，在此位置调整桩基，适当加密。远离塔台核心筒处底板内力相应较小，在此处位置调整桩基，适当减小桩长，分析得出沉降满足规范要求。上述分析过程即是运用变刚度调平原理减少不均匀沉降的案例，后期通过沉降监测结果表明实测值与理论计算值相接近。

4 结论与展望

规范初次提出变刚度调平概念，其理论与计算不足够直接套用实际工程，现阶段只能在工程中慢慢摸索，用理论、概念指导设计与施工。

适当减少筏板外围桩基可以更好的利用筏板与上部结构与土体三者共同作用。不但减少了沉降，同时取得了很好的经济效果。

参考文献：

[1]杨小平.土力学及地基基础[M].2005，26（3）：441.444.

[2]建筑桩基技术规范（JGJ94.2018）.56.58.

作者简介：万瑜，男，江西宜春人，硕士，中级职称，研究方向为岩土地下结构。