基础变刚度调平设计应用探析

展双全

摘 要：文章阐述了桩基础变刚度调平的设计理念与设计原理，在对整体结构设计过程中，通过采用增加其内部的实际基桩长度、缩小内部桩距等措施，可以明显增强内部或者高负荷区域的刚度，同时弱化外围区域，从而达到降低桩基沉降差，减少基础内力及配筋、减少桩的数量，并有助于降低工程的整体造价，实现一定的经济效益。

关键词：桩基础;变刚度调平;设计应用

在《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）第3.3.4条中可以得到这样的思路，在同一结构单元内不适合采用天然地基的区域，可以运用桩基变刚度调平设计。在高层建筑工程建设过程中，一旦主楼与裙房之间相互连接，应当注重考虑使用不同的地基形式会出现的地基变形差异。变刚度调平的使用就是为了最大程度地降低桩基的沉降差，从而保证建筑工程的质量。

一、主楼与裙楼之间的变刚度调平

根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008第3.1.8条中可得出，对于主楼与裙楼之间相互连接的建筑物，当高层的主体建筑采用桩基时，裙房的基础刚度在设计时应考虑对其相对弱化些。在实际工程施工过程中，可以选择使用天然地基、疏桩或者短桩、复合地基的基础等[1]。对于大型的商业综合体项目建设过程中，由于商业综合楼大都是由多栋的塔楼、大底盘地下室、裙楼等多部分共同构成。采用传统的桩基设计主要是在结构单元下，设置一些等距离等长度的桩基。这种方式会导致群桩及地基在实际受力过程中，出现不同程度的强弱分化现象，最终呈现出内弱外强的现象，整体沉降的形状也会呈现蝶形分布。在传统的设计过程中，塔楼与底盘基础通常会采用设定沉降变形缝或者沉降后浇带，以此来降低沉降差给基础造成的影响。这种处理方式不仅增加了建筑的防水处理的难度，还严重影响了建筑的整体功能，对建筑的整体质量会产生比较大的影响。

二、塔楼变刚度调平设计

高层结构呈现核心筒位置的刚度及荷载较大，四周框架的刚度及荷载较小，结构的刚度以及荷载存在不均匀分布的现象[2]。在进行结构方案制定的过程中，往往采用均匀布置桩基以及厚筏板形式。针对高层建筑采用均匀桩基而造成的沉降差问题，通过采用变刚度调平设计理念，可以缓解桩基沉降问题。变刚度调平设计实际上就是通过分析，计算出基础沉降的等位线，然后改变基桩的距离、基桩的实际直径或者桩长，调整基桩的实际分布情况，这样能够增强荷载相对较大的桩基，降低荷载较弱位置的刚度。通过不断改善与优化桩基的刚度，最终沉降与内力之间达成力的协调与平衡，进而缩减沉降的差异值，不仅有助于降低实际上的基础内力，还有助于减少工程造价[3]。

三、基础设计

以笔者参与的杭州某项目为例，此项目为办公楼，采用框剪结构，2层地下室，塔楼主楼13层，底部裙房2层，塔楼柱底内力标准值约为9000KN，裙房柱底内力标准值约为2800KN，地质情况如表1所示，基础均采用PHC管桩，裙房桩端持力层为第2-2层砂质粉土层，主塔楼桩端持力层为第4-1层粉砂层，即裙房采用短桩约15m，塔楼采用长桩约45m，如示意图一所示。为比较沉降效果，本工程采用传统布桩和变刚度调平布桩两种方案，如示意图二（a）（b）所示，经整体沉降计算可知，第一种传统方案，塔楼与裙房沉降差为36.36mm，整体倾斜为0.0023;第二种变刚度调平方案，塔楼与裙房沉降差为28.26mm，整体倾斜为0.001。从上述工程中可知基础采用变刚度调平设计后，地基基础受力更加合理，在工程造价方面也有比较大的优势，由此可见此项设计理念具有非常实用的工程意义。

说明：1.沉降的单位位mm.

2.构件底压力单位为KN，单位底压力单位为kPa.

说明：1.沉降的单位位mm.

2.构件底压力单位为KN，单位底压力单位为kPa.

四、桩基础变刚度调平设计应用总结

（一）变刚度调平的设计思路可以遵循三种情况：首先，局部的增强。对于荷载集中度比较高的区域来说，应该采取局部增强的设计方法进行处理，例如，局部桩基或者局部刚性桩的复合地基;其次，桩基变刚度调平设计[4]。当整体都采用桩基时，内围区域的荷载就会变大，所以应该加强内围区域，适当减弱外围区域。再者，主楼以及裙楼同时进行变刚度设计。基础应该按照增强桩基，减弱裙楼的原则进行设计。由以上可知基础变刚度调平常用设计方法有：（a）塔楼+裙房变刚度调平;（b）天然基础+桩基变刚度调平;（c）长短桩或疏密樁变刚度调平。

（二）变刚度调平设计的主要流程是，对上部分的结构、基础以及地基等展开共同作用分析环节，并按照分析而获得的沉降差异的数值，对桩的分布情况加以调整，然后反复进行工作和计算，直到沉降数值的差异到达比较合理范围。

（三）应该根据基础的不同类型选择合适的变刚度调平设计方案。比如摩擦型的桩筏基础以及摩擦型的复合桩大多使用调整桩基的长度、桩基直径以及桩距的方式，以此来调整桩基刚度的分布情况。

（四）采用变刚度调平设计，可有效减少工程造价，在保证安全前提下达到经济合理的效果。

（五）选择变刚度调平设计时，可选择桩径较小，且单桩的承载能力比较强的桩型，如，使用后注浆技术中的灌注桩，便于布桩过程中的灵活性。凭借改变桩长进行变刚度调平设计时，应该尽可能采用压缩模量差别比较大，而承载能力的差别小的不同桩端持力层，以求更好的实现设计意图。

参考文献：

[1]朱锐， 周峰， 翟德志， et al. 可控刚度桩筏基础变刚度调平的工程实践[J]. 建筑科学， 2018， 34（7）.180-181

[2]闫鑫[1]， 赵健[1]， 胡长明[2]， et al. 软土地区重型设备桩筏基础变刚度调平设计[J]. 建筑结构， 2018， 46（11）：114-117.

[3]周 峰， 朱 锐， 郭天祥， et al. 可控刚度桩筏基础桩土共同作用的工程实践[J]. 岩石力学与工程学报， 2017， 36（12）：3075-3084.

[4]孙海忠， 张瑞， 张治国. 大底盘多塔楼结构桩筏基础优化设计[C]// 工业建筑2018年全国学术年会. 2018， 16（16）：150-151.