劉浩然

（廣東海外建筑設(shè)計院有限公司 廣州 510030）

關(guān)鍵字：貼臨車輛段超限高層住宅；穿層剪力墻；基礎(chǔ)埋深；硬質(zhì)夾層

1 工程概況

佛山禪城區(qū)某超高層住宅項(xiàng)目貼鄰車輛段，與車輛段主體結(jié)構(gòu)僅用抗震縫脫離。包括A1～A6座塔樓，地上47 層，地下1 層，建筑高度為147.71 m，如圖1 所示。塔樓主要功能為住宅，僅在塔樓投影范圍內(nèi)設(shè)置地下室，功能為設(shè)備房。本項(xiàng)目抗震烈度為7度，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計基準(zhǔn)期為50 年，基本風(fēng)壓0.5 kN/m2，為剪力墻結(jié)構(gòu)，灌注樁基礎(chǔ)［1］。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

建筑平面為品字形，平面尺寸為31.0 m×20.2 m，中間核心筒公區(qū)到南戶型之間形成細(xì)腰走廊帶，為了使水平力有效傳遞，對細(xì)腰處樓板進(jìn)行加厚，且保證公區(qū)核心筒完整性，標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖2 所示。各棟塔樓由車輛段蓋體屋面花園入戶，下部兩層與車輛段同高度架空，形成16.9 m 穿層通高剪力墻，剪力墻厚度由穩(wěn)定性控制為600～800 mm，混凝土等級為C55，架空層以上兩層剪力墻厚度為250 mm，其他上部樓層剪力墻厚200 mm，混凝土等級由C55遞減至C30。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面Fig.2 Standard Floor Plan （mm）

本項(xiàng)目塔樓建筑高度為147.71 m，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［2］第12.1.8 條，高層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深要求：“樁基礎(chǔ)，不計樁長，可取房屋高度的1/18”［2］。基礎(chǔ)埋深為1/18×147.71=8.21 m，實(shí)際基礎(chǔ)埋深為3.6（地下室層高）-0.3（室內(nèi)外高差）+2.2（筏板厚度）=5.5 m，貼鄰車輛段位置的基礎(chǔ)埋深僅為3.4 m，需要采取有效措施對基礎(chǔ)埋深復(fù)核加強(qiáng)。

3 超限判別及抗震性能目標(biāo)

本工程的超限情況依照《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》［3］和《廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查實(shí)施細(xì)則》進(jìn)行判定，本項(xiàng)目建筑高度147.71 m，超A級不超B級高度，屬于高度超限；本工程還存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則（考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.26＞1.2）、凹凸不規(guī)則、局部不規(guī)則（底部架空層穿層通高剪力墻）等超限情況，結(jié)構(gòu)存在3項(xiàng)體型不規(guī)則項(xiàng)，屬于體型特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但不屬于特殊類型高層建筑及超限大跨空間結(jié)構(gòu)［3］。

根據(jù)本工程的超限情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性的要求，根據(jù)文獻(xiàn)［2］對抗震性能目標(biāo)的劃分，本工程建筑抗震性能目標(biāo)定為C 級，即小震滿足性能水準(zhǔn)1、中震滿足性能水準(zhǔn)3、大震滿足性能水準(zhǔn)4。

4 結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果

4.1 多遇地震作用下整體計算

本項(xiàng)目采用Satwe 及Midas Building 兩種三維空間結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計算比較，按振型分解反譜法進(jìn)行抗震計算及彈性時程補(bǔ)充分析計算，對Satwe 及Mi?das Building 的計算結(jié)果進(jìn)行比較分析，兩種計算軟件的周期、振型、總質(zhì)量、剪重比和地震傾覆力矩等計算結(jié)果基本一致。結(jié)構(gòu)整體周期比、位移角、位移比、剪重比、抗側(cè)剛度比、抗剪承載力等均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010》［4］和文獻(xiàn)［2］的要求，具體對比指標(biāo)如表1所示。

表1 彈性反應(yīng)譜計算主要結(jié)果匯總Tab.1 Summary of the Results of Elastic Reaction Spectrum Calculation

4.2 多遇地震作用下彈性時程分析

在多遇地震下彈性時程分析采用的地震波為5組天然波和2 組人工合成的加速度時程波，每組已包含2個方向的分量。在波形選擇上，除符合有效峰值、持續(xù)時間、頻譜特性等方面的要求外，還應(yīng)滿足文獻(xiàn)［4］對于底部剪力方面的相關(guān)要求。每條波的底部剪力均不小于反應(yīng)譜法的65% 且不大于135%，7 條波的底部剪力平均值不小于反應(yīng)譜法的80%且不大于120%［2］。

5 罕遇地震下動力彈塑性計算

采用2 組 天然波（DZ1 和DZ2）和1 組 人工波（RG1），各條波的加速度時程曲線及頻譜特性比較，結(jié)果表明，各條波的彈性反應(yīng)譜在基本振型周期點(diǎn)處與規(guī)范反應(yīng)譜相差不超過20%，滿足在統(tǒng)計意義上相符的要求。地震波峰值加速度取220g，各組波按主方向∶次方向=1∶0.85 雙向輸入，持續(xù)時間不小于25 s。動力彈塑性基底剪力與小震彈性時程分析基底剪力之比介于3.47 與5.68 之間（見表2），表明動力彈塑性分析基底剪力數(shù)量級合理且結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)以后地震能量得到有效耗散，最大彈塑性層間位移角滿足小于1/120的預(yù)設(shè)目標(biāo)。

表2 各地震工況結(jié)構(gòu)基底剪力Tab.2 Structural Base Shear under Various Seismic Conditions

根據(jù)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性動力時程分析結(jié)果包絡(luò)分析，最終時刻各構(gòu)件的塑性發(fā)展?fàn)顩r以DZ2 為例，在DZ2X（100%X+85%Y）工況下各構(gòu)件彈塑性狀態(tài)如圖3 所示，結(jié)合結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能分析得出如下結(jié)論：剪力墻混凝土受壓及鋼筋拉壓均處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，沒有發(fā)生抗壓及彎曲屈服；個別墻肢局部受剪屈服，但比例較小，受剪截面經(jīng)復(fù)核計算后，能滿足性能目標(biāo)要求，不會出現(xiàn)整片墻肢的剪切屈服和破壞，且底部穿層剪力墻基本處理彈性狀態(tài)，只有較少小墻肢出現(xiàn)屈服損傷。大部分樓層框架梁梁端進(jìn)入彎曲屈服狀態(tài)，框架梁未發(fā)生剪切屈服，部分連梁發(fā)生剪切屈服，結(jié)構(gòu)具有良好的耗能體系。

圖3 框架梁和剪力墻彈塑性狀態(tài)Fig.3 Elastic Plastic State of Frame Beam and Shear Wall

6 專項(xiàng)分析

6.1 基礎(chǔ)埋深分析

本項(xiàng)目貼鄰車輛段，與車輛段主體結(jié)構(gòu)僅用抗震縫脫離，導(dǎo)致本項(xiàng)目地下室臨空和基礎(chǔ)埋深不滿足文獻(xiàn)［2］要求，位置關(guān)系詳圖4所示。實(shí)際整體基礎(chǔ)埋深為5.5 m，貼鄰車輛段位置的基礎(chǔ)埋深僅為3.4 m，與文獻(xiàn)［2］要求基礎(chǔ)埋深8.21 m 相差較多，根據(jù)文獻(xiàn)［2］12.1.8 條條文說明，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗傾覆和抗滑移驗(yàn)算，采取有效措施對基礎(chǔ)埋深進(jìn)行復(fù)核加強(qiáng)。

圖4 住宅塔樓與車輛段的位置和基礎(chǔ)交界示意Fig.4 Location and Foundation Junction of Residential Tower and the Rail Transit Vehicle Base （mm）

6.1.1 整體穩(wěn)定性（抗傾覆）驗(yàn)算

采用PKPM 對結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了小震、中震、大震等效彈性分析，抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果如表3所示，結(jié)構(gòu)在小震和風(fēng)作用下傾覆穩(wěn)定性大于3，均未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，在中震Y方向下雖然零應(yīng)力區(qū)占比20.63%，抗傾覆安全系數(shù)仍有2.12；在大震Y方向作用下抗傾覆安全系數(shù)為0.98＜1，零應(yīng)力區(qū)占比103.5%，單靠結(jié)構(gòu)自身無法滿足大震作用下的結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定，需要在外圍設(shè)置抗拔樁，增加Y向結(jié)構(gòu)抗傾覆力矩［5-6］。

表3 結(jié)構(gòu)各工況下抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果Tab.3 Anti Overturning Checking Calculation Results of the Structure under Various Working Conditions

6.1.2 各工況下樁反力

中國水利：從一個產(chǎn)品單一的軍工廠到一個擁有多項(xiàng)專有技術(shù)的上市公司，新興鑄管不斷取得跨越式發(fā)展，請問企業(yè)是如何實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的？

計算各地震工況作用下的樁基礎(chǔ)拔力如表4 所示，大震工況下外圍樁最大拔力為3 052 kN。

表4 各工況下最小樁反力Tab.4 Minimum Pile Reaction under Various Working Conditions

將大震工況下Y方向外圍出現(xiàn)拔力的基樁設(shè)計為直徑為1 m 的抗拔樁，如圖5 所示。取單樁抗拔極限承載力Rtu為3 100 kN，能夠滿足大震工況下的抗拔承載力，樁身配筋取鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行確定，Rtu=Asfyk［7］，保證結(jié)構(gòu)在大震作用下的抗傾覆穩(wěn)定性。

圖5 抗拔樁布置Fig.5 Layout of Uplift Pile

6.1.3 基礎(chǔ)抗滑移驗(yàn)算

因大震工況結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，基樁的水平承載力在彈性極限值的基礎(chǔ)上乘以1.25 的調(diào)整系數(shù)［7］。本次計算未考慮承臺底部土的摩擦力［8］。根據(jù)基礎(chǔ)施工圖，采用灌注樁基礎(chǔ)，100 根直徑D=0.8 m 的樁，29 根直徑D=1 m 的樁，總樁數(shù)為129 根。根據(jù)地質(zhì)情況和樁身配筋，參考文獻(xiàn)［7］單樁水平力特征值RHa計算公式，求得D=0.8 m 時，RHa=230 kN；D=1 m 時，RHa=300 kN，則樁的總抗水平承載力為100×230+29×300=31 700 kN（不考慮群樁效應(yīng)的有利影響），由表5 可知，各工況下樁基礎(chǔ)的水平承載力均滿足要求。

表5 結(jié)構(gòu)抗滑移驗(yàn)算結(jié)果Tab.5 Structural Anti Slip Checking Results

6.1.4 基礎(chǔ)埋深的分析結(jié)果和加強(qiáng)措施

結(jié)構(gòu)在小震和中震作用下滿足抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算，針對大震作用下結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定不足的情況，在筏板外圍設(shè)置抗拔樁，單樁抗拔極限承載力大于大震工況下的單樁拔力。

采取樁筏基礎(chǔ)，適當(dāng)加厚筏板基礎(chǔ)，保證基礎(chǔ)的整體性。地下室回填土的被動土壓力可以作為安全儲備。

6.2 穿層剪力墻分析

結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足文獻(xiàn)［2］5.4.1 要求，本工程首層、二層穿層剪力墻高達(dá)16.91 m（F1～F2），穿層剪力墻截面根據(jù)穩(wěn)定性控制，厚度為600～800 mm，如圖6所示。為考察這些穿層剪力墻是否發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞，采用Midas GEN 軟件的整體結(jié)構(gòu)模型對剪力墻進(jìn)行屈曲分析，樓板按彈性板考慮，屈曲分析荷載組合工況：1.0DL（常量）+1.0LL（可變），如圖6 所示，得到穿層剪力墻對應(yīng)的屈曲因子為88.4，根據(jù)歐拉公式Fcr=π2EI（μ L）2，可求得計算長度系數(shù)μ=0.75。根據(jù)屈曲分析表明，穿層剪力墻的計算長度系數(shù)均小于1.0，因此在計算穿層剪力墻時，采用PKPM 的計算長度系數(shù)安全。

圖6 穿層剪力墻模型和屈曲示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Shear Wall Model through Floors

6.3 穿層剪力墻加強(qiáng)措施

針對穿層剪力墻，除補(bǔ)充屈曲分析以外，控制相關(guān)樓層的剛度比，受剪承載力均滿足文獻(xiàn)［2］要求，保證豎向剛度的連續(xù)和平穩(wěn)過渡；設(shè)定為關(guān)鍵構(gòu)件，滿足小震彈性，中震彈性，大震不屈服；控制中震作用下剪力墻平均名義拉應(yīng)力小于2ftk；考慮穿層剪力墻層頂樓板的平面內(nèi)彎曲變形，樓板板厚加厚至150 mm，雙層雙向加強(qiáng)配筋，加強(qiáng)對剪力墻墻頂?shù)募s束。

7 抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施

通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震、中震和大震作用下的計算分析，保證結(jié)構(gòu)能達(dá)到性能C 的抗震性能目標(biāo)，抗震構(gòu)件進(jìn)行小震、中震配筋包絡(luò)設(shè)計。

采取樁筏基礎(chǔ)，適當(dāng)加厚筏板基礎(chǔ)，保證基礎(chǔ)的整體性，驗(yàn)算各工況下樁的最小反力（最大拔力），對外圍出現(xiàn)拔力的樁采用抗拔設(shè)計。

將底部加強(qiáng)區(qū)提高至六層樓面，穿過所有的局部架空層。設(shè)置約束邊緣構(gòu)件上兩層為過渡層，適當(dāng)提高該處的配箍率，提高結(jié)構(gòu)延性。

提高穿層剪力墻的性能目標(biāo)，保證其抗震性能。考慮穿層剪力墻層頂樓板的平面內(nèi)彎曲變形，樓板板厚加厚至150 mm，雙層雙向加強(qiáng)配筋。

8 硬質(zhì)夾層場地灌注樁經(jīng)濟(jì)性分析

本項(xiàng)目場地覆蓋較厚淤泥質(zhì)土與粉細(xì)砂互層，平均厚度25.26 m，基巖主要為第三系華涌組泥巖、砂巖。巖性為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，粉砂質(zhì)泥巖屬軟質(zhì)巖；粉砂巖屬較硬巖。在揭露深度范圍內(nèi)，按其風(fēng)化程度可分為巖石強(qiáng)風(fēng)化帶、巖石中風(fēng)化帶、巖石微風(fēng)化帶，粉砂質(zhì)泥巖的埋深一般相對較深且風(fēng)化程度不一，其中夾層分布中、微風(fēng)化粉砂巖，因而場地巖層出現(xiàn)上硬下軟的分布情況，場地典型柱狀圖如圖7所示，其中L1為單一巖層作為持力層時所需厚度，L2為當(dāng)以硬質(zhì)夾層做持力層時，驗(yàn)算軟弱下臥層需要滿足樁端應(yīng)力擴(kuò)散的厚度，L為以硬質(zhì)夾層做持力層時的最小厚度。

圖7 場地典型柱狀圖和基樁下臥層應(yīng)力擴(kuò)散示意Fig.7 Typical Site Histogram and Stress Diffusion of Underlying Layer of Foundation Pile

經(jīng)過基礎(chǔ)選型，確定采用灌注樁基礎(chǔ)，根據(jù)地勘報告提供的嵌巖樁承載力數(shù)據(jù)，如表6所示，整體是上硬下軟的巖層強(qiáng)度分布，中風(fēng)化〈5-3〉層和微風(fēng)化〈5-4〉層天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度僅為2.57 MPa和5.00 MPa。

表6 嵌巖樁承載力數(shù)據(jù)一覽Tab.6 List of Bearing Capacity Data of Rock Socketed Pile

8.1 以硬質(zhì)夾層作為持力層

若取上部硬質(zhì)夾層做持力層，〈4-3〉層和〈4-4〉層單一巖層做持力層時入巖深度如表7 所示L1，此時需要驗(yàn)算下臥軟巖層的承載力和變形量。根據(jù)下臥層的承載力和變形量控制要求反推上部硬質(zhì)夾層的厚度。

表7 各巖層做持力層時厚度Tab.7 Thickness Determination of Rock Stratum as Bearing Stratum

上覆土層的提供的側(cè)阻為Rsa，P為扣除樁身側(cè)阻后的樁端壓力，D為樁身直徑。

當(dāng)硬質(zhì)夾層最小厚度為L=L1+L2時，軟弱下臥層的承載力滿足要求。根據(jù)此硬質(zhì)夾層厚度，還需驗(yàn)算軟弱下臥層的變形是否滿足要求，由于中風(fēng)化巖層壓縮性低，灌注樁計算變形均較小，且整個項(xiàng)目基礎(chǔ)形式一致且樁身變形和持力層變形為其它樁所共有，所以復(fù)核局部孔位基礎(chǔ)變形后，認(rèn)為單一樁基的整體最大沉降和沉降差均滿足文獻(xiàn)［6］要求［9］。

8.2 以下部軟巖層作為持力層

上部硬質(zhì)夾層厚度小于L時，以下部〈5-3〉和〈5-4〉軟弱巖層作為持力層，此時考慮硬質(zhì)夾層的側(cè)阻有利作用，通過以側(cè)阻等效為原則進(jìn)行硬質(zhì)夾層厚度換算持力層深度，進(jìn)而減小進(jìn)入軟巖的持力層深度，優(yōu)化樁長。

式中：hrc為1 m硬質(zhì)夾層相當(dāng)于持力層厚度。

8.3 灌注樁樁底標(biāo)高確定（流程見圖8）

圖8 灌注樁樁底標(biāo)高確定流程Fig.8 Determination Process of Cast-in-place Pile Bottom Elevation

8.4 沉降觀測與軟件模擬結(jié)果

根據(jù)《建筑變形測量規(guī)程：JGJ 8—2016》要求，對塔樓封頂后持續(xù)進(jìn)行沉降觀測。沉降觀測結(jié)果如圖9所示，結(jié)果表明，建筑物沉降總體均勻，未發(fā)生明顯的差異沉降，塔樓的沉降量均值為15 mm，單體建筑沉降變化規(guī)律基本一致［10］。

圖9 A1～A6沉降觀測結(jié)果Fig.9 A1～A6 Settlement Observation Calculation Results

輸入實(shí)際土、巖層參數(shù)，采用YJK 軟件對基礎(chǔ)沉降進(jìn)行計算模擬，塔樓樁的最大沉降量為11 mm，剪力墻之間的沉降差最大值為0.13%＜0.2%（文獻(xiàn)［6］允許值）。實(shí)際沉降觀測的主體建筑沉降與計算值較為接近，且均滿足文獻(xiàn)［6］要求。

8.5 灌注樁基礎(chǔ)結(jié)論

針對場地上覆較厚淤泥且有硬質(zhì)夾層的情況，當(dāng)以硬質(zhì)夾層為持力層時，根據(jù)下臥層的承載力和變形驗(yàn)算，反推硬質(zhì)夾層的最小厚度，判定硬質(zhì)夾層是否可以作為持力層。

當(dāng)以下部軟巖層為持力層時，上覆硬質(zhì)夾層與持力層進(jìn)行側(cè)阻力換算厚度，充分發(fā)揮樁側(cè)摩阻力，減小軟巖持力層厚度，兼顧結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求，目前該項(xiàng)目使用正常，樁基一項(xiàng)節(jié)約投資約200萬元。

9 結(jié)語

⑴經(jīng)過小震、中震及大震下的分別計算分析，查找結(jié)構(gòu)薄弱部位并予以加強(qiáng)，達(dá)到了預(yù)期的抗震性能目標(biāo)要求。并補(bǔ)充穿層剪力墻的屈曲模態(tài)分析和基礎(chǔ)抗滑移和抗傾覆等專項(xiàng)分析，確保結(jié)構(gòu)整體的安全性。

⑵由于場地限制導(dǎo)致基礎(chǔ)埋深無法滿足規(guī)范要求時，保證大震下結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體傾覆破壞，可采取筏板外圍設(shè)置抗拔樁來增強(qiáng)抗傾覆力矩；傾覆和滑移計算時不考慮回填土的被動土壓力及周邊與之相連結(jié)構(gòu)的有利作用，將其作為建筑的安全儲備。

⑶本文為穿層剪力墻的計算分析提供了常用的計算方法，運(yùn)用Midas GEN 進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)力計算，通過線性屈曲分析，結(jié)合歐拉公式求得相應(yīng)的臨界荷載和對應(yīng)的計算長度系數(shù)，再與實(shí)際的支座條件和受荷情況進(jìn)行判斷分析，保證薄弱豎向構(gòu)件的安全富裕度。

⑷本文為超A 級高度和貼臨車輛段的高層住宅建筑工程提供了常用的超限分析計算思路和分析方法，對其它類似的超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考意義。

⑸本文針對有硬質(zhì)夾層場地的灌注樁基礎(chǔ)，提出結(jié)合超前鉆的結(jié)果，根據(jù)硬質(zhì)夾層厚度確定持力層位置，且通過側(cè)阻換算進(jìn)行樁長優(yōu)化，達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性兼顧的目的，可為類似場地上工程項(xiàng)目的設(shè)計提供有價值的參考。