曹孫勝

(福建省華地建筑設(shè)計有限公司 福建泉州 362000)

1 工程概況

福清市瑞亭小學(xué)教學(xué)實驗樓地上建筑面積為11 622.80m2，地下停車庫(兼核6常6人防)建筑面積1568.55m2，地下體育館建筑面積1249.26m2，建筑高度為19.2m。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑抗震設(shè)防類別為乙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.10g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別: Ⅱ類，特征周期Tg=0.45sec,按建筑類別及場地調(diào)整后用于確定抗震等級的烈度8度，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05[1]。該工程為框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級均為二級。教學(xué)樓與體育館地下室剖面示意圖如圖1所示。

2 場地工程與水文地質(zhì)情況

場地位于福清市龍山街道后山頂村玉峰村內(nèi)，地形相對開闊，地勢東北高、西南低，場地地面黃海標(biāo)高4.84m～10.27m之間，地貌上屬低丘剝蝕地貌單元。在鉆探控制深度范圍內(nèi)地基土自上而下可劃分為5層：粉質(zhì)粘土、凝灰?guī)r殘積粘性土、全風(fēng)化凝灰?guī)r、強風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r，持力層選擇粉質(zhì)粘土(承載力特征值為150kPa)和凝灰?guī)r殘積粘性土(承載力特征值為180kPa)?？辈炱陂g，地下水初見水位埋深0.60m～3.90m，地下水穩(wěn)定水位埋深0.30m～3.60m,黃海標(biāo)高為2.95m～6.67m，地下室抗浮設(shè)計水位采用6.80m(黃海高程)。場地內(nèi)地下水對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均具微腐蝕性。土層分布剖面圖如圖2所示。

圖1 教學(xué)樓與體育館地下室剖面示意圖

圖2 土層分布剖面圖

3 原有筏板基礎(chǔ)設(shè)計計算模型問題分析

筏板基礎(chǔ)有兩種計算模型：彈性地基梁板模型和倒樓蓋模型，原設(shè)計采用倒樓蓋模型計算，如圖3所示。倒樓蓋模型是一種近似或者說簡化的計算模型，是結(jié)構(gòu)設(shè)計手算時代應(yīng)運而生的一種筏板基礎(chǔ)計算方法，其計算誤差比較大且偏于保守。最大的缺陷是沒有考慮到地基土與筏板結(jié)構(gòu)的相互作用，并假定地基反力按直線分布。因此采用倒樓蓋模型計算必須符合一系列比較嚴(yán)格的條件才能采用，對此，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB5007-2012第8.4.14條有具體適用條件要求[2]。彈性地基梁板模型，能考慮土與結(jié)構(gòu)的相互作用，能比較真實模擬出地基反力的分布狀態(tài)。采用彈性地基梁板模型，計算出來的地基反力不再是直線分布，而是柱下(支座處)的地基反力較大，遠(yuǎn)離柱的跨中部位地基反力最小。因此，在這種分布狀態(tài)下地基反力作用下的筏板彎矩比地基反力直線分布的彎矩要小，相應(yīng)的筏板內(nèi)力與配筋計算結(jié)果更精確和經(jīng)濟。該項目采用框架結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)剛度較弱，荷載分布不均勻，采用倒樓蓋模型計算顯然不合適，應(yīng)采用彈性地基梁板模型計算，如圖3～圖4所示。

圖3 原筏板基礎(chǔ)平面布置圖

倒樓蓋模型計算結(jié)果 彈性地基梁板模型計算結(jié)果

4 筏形基礎(chǔ)的優(yōu)化

4.1 基礎(chǔ)方案的選擇

帶地下室多層建筑的基礎(chǔ)底板最常用的兩種形式，即整體式筏形基礎(chǔ)和柱下獨立基礎(chǔ)加防水板體系。整體式筏形基礎(chǔ)分梁板式和平板式兩種，以往不少結(jié)構(gòu)設(shè)計人員認(rèn)為梁板式筏形基礎(chǔ)比平板式筏形基礎(chǔ)經(jīng)濟性好，其實不然，就底板結(jié)構(gòu)自身而言，因梁板式筏形基礎(chǔ)的地梁需配箍筋及腰筋等構(gòu)造鋼筋，而平板式筏形基礎(chǔ)只有上下表面鋼筋。當(dāng)平板式筏形基礎(chǔ)的厚度取值適當(dāng)，配筋采用最小配筋率的鋼筋拉通并在不足處附加短筋的配筋方式時，平板式筏形基礎(chǔ)的用鋼量就很可能比梁板式少。結(jié)合地梁需開挖基槽，地梁完成后需回填材料，梁板的混凝土需分層澆筑，地梁還涉及到磚臺模等，無論成本與工期都沒有優(yōu)勢。根據(jù)地質(zhì)條件和整體結(jié)構(gòu)分析，該項目采用柱下獨立基礎(chǔ)加防水板體系具有明顯的經(jīng)濟效益，其優(yōu)勢有：

(1)防水板以獨立柱基邊緣作為邊界條件，底板的計算跨度可大幅降低；

(2)在有人防的區(qū)域，可降低底板上的人防等效靜荷載[3]?；A(chǔ)優(yōu)化后鋼筋、混凝土用量指標(biāo)對比，如表1所示。

表1 基礎(chǔ)優(yōu)化后鋼筋、混凝土用量指標(biāo)對比

4.2 防水板設(shè)計與計算

防水板的荷載與邊界條件均比較復(fù)雜，想要得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，需要采用有限元法，而該方法最好采用通用有限元軟件來計算，將柱下獨立基礎(chǔ)一同模擬進(jìn)去，此時只要荷載及荷載組合正確，將柱、墻作為點、線剛性支座即可得到滿意的內(nèi)力計算結(jié)果。當(dāng)柱網(wǎng)比較規(guī)則時，可采用簡化計算方法，如取幾處典型內(nèi)力進(jìn)行截面驗算及配筋計算即可。采用簡單計算方法時，可提取圖5中的兩種典型板塊模型進(jìn)行計算，并采用差別化配筋方式，其一是兩獨立柱基間的單向板模型(矩形陰影區(qū)域，根據(jù)獨立柱基與防水板的厚度比決定是采用固接于基礎(chǔ)還是鉸接于基礎(chǔ))；其二是4個獨立柱基間的雙向板模型(正方形陰影區(qū)域)，即假定該雙向板在4個角點支撐于獨立柱基，查靜力計算手冊的彎矩系數(shù)求得內(nèi)力并配筋[4]。

圖5 兩種典型板塊計算模型

4.3 抗浮錨桿優(yōu)化布置

抗浮錨桿的設(shè)計總體原則，既要保證結(jié)構(gòu)整體的總體平衡，又要兼顧各區(qū)域、各部位的局部平衡，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下盡量做到經(jīng)濟。由于與柱、墻相連接的梁板一定范圍內(nèi)具有一定的剛度，水浮力可直接與上部結(jié)構(gòu)自重平衡，而上部自重很難傳遞至遠(yuǎn)離梁、柱、墻的區(qū)域。該項目體育館地下室抗浮的做法為減去上部結(jié)構(gòu)恒載后的水浮力由錨桿平均承擔(dān)，存在安全隱患。因為，體育館地下室中間區(qū)域的錨桿實際受力不會減去上部結(jié)構(gòu)恒載的凈水浮力(整體抗浮的凈水浮力)，而是作用于底板底面的水壓力減去底板及其面層自重后的凈水浮力(局部抗浮的凈水浮力)。解決的方法是：抗浮力與水浮力平衡計算分成兩個區(qū)域，即梁、柱、墻影響區(qū)域和純底板抵抗區(qū)域。純底板抵抗區(qū)域的計算方法應(yīng)是抗浮錨桿設(shè)計承載力除以每平方米凈水浮力，得到抗浮錨桿的受力面積及間距，梁、柱、墻影響區(qū)域應(yīng)充分利用上部建筑自重進(jìn)行抗浮，驗算傳遞的上部建筑自重是否能平衡該區(qū)域的水浮力，或者根據(jù)整體平衡所需的錨桿總數(shù)及純底板抵抗區(qū)域的錨桿總數(shù)的差值確定，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后基礎(chǔ)平面布置圖

5 地下室高低差過渡節(jié)點優(yōu)化

采用結(jié)構(gòu)手段處理地下室高低差過渡問題，有關(guān)規(guī)范及參考書沒有對此做出規(guī)定或給出建議，因此如何在總體方案不變的情況下妥當(dāng)解決地下室高低差處的構(gòu)造問題，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟合理、施工方便同時兼顧，考核著結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的膽識與智慧。不同設(shè)計人員根據(jù)其價值取向不同，在安全與經(jīng)濟之間的傾向性也大不相同，其實施代價往往也差異極大。此外，地下室高低差較大時，可能存在施工期間放坡與支護(hù)等臨時措施是否能與永久合一，以降低造價等問題。

在解決地下室高低差的結(jié)構(gòu)方案中，應(yīng)用較多的是采用類似于基坑底面加混凝土斜坡面的構(gòu)造做法，即在基礎(chǔ)底板底面采用結(jié)構(gòu)斜坡實現(xiàn)高低底板間的過渡，斜坡坡度可采用45°或60°，采用這種構(gòu)造措施基本不需要計算就能滿足施工期間及正常使用期間的結(jié)構(gòu)安全問題，但這種構(gòu)造做法應(yīng)用于地下室間高低差較大處，如圖7所示，不但斜坡構(gòu)造處的混凝土用量大大增加，鋼筋用量也有會增加，這種做法顯然不可取[5]。

圖7 原地下室高低差過渡節(jié)點

優(yōu)化后的做法，即連接教學(xué)樓與體育館底板的墻體采用直立的做法，其厚度及配筋由計算確定。墻體側(cè)土壓力除土壓力處，并考慮教學(xué)樓的基底壓力，將主樓的基底壓力作為地面超載對待。由于連接墻與教學(xué)樓及體育館底板厚度相近，故連接墻在教學(xué)樓筏板與車庫底板處的支承條件，既不是固接，也不是鉸接，而是彈性轉(zhuǎn)動約束。從計算方便及偏于安全考慮，可按兩端固接及兩端鉸接模型分別計算后按二者的彎矩包絡(luò)圖進(jìn)行配筋，這樣進(jìn)行模型簡化計算既簡單易行又萬無一失，構(gòu)造措施也更加經(jīng)濟合理，如圖7所示，計算模型示意如圖8所示。圖中的荷載p為教學(xué)樓的基底壓力乘以靜止土壓力系數(shù)后轉(zhuǎn)化為側(cè)向壓力，q為墻側(cè)土作用于體育館地下室墻上的靜止土壓力，計算跨度(取教學(xué)樓底板中線到體育館底板中線之間的距離)[4]。節(jié)點優(yōu)化后鋼筋、混凝土用量指標(biāo)對比，如表2所示。

表2 高低差節(jié)點優(yōu)化后鋼筋、混凝土用量指標(biāo)對比

6 結(jié)論

(1)該項目將梁板式筏形基礎(chǔ)優(yōu)化為獨基加防水板，除在2-A軸處(地下室高低差位置)設(shè)基礎(chǔ)梁外，其余地梁全部取消，底板厚教學(xué)樓處由500mm減少至250mm，體育館處由650mm減少至300mm，相應(yīng)的用鋼量明顯減少。

(2)地下室高低差采用基坑底面加混凝土斜坡面的構(gòu)造做法，不需要計算就能滿足結(jié)構(gòu)安全，是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員普遍做法。這種構(gòu)造做法最大弊病就是增加混凝土用量，其實合理分析受力情況后，通過簡化模型計算，完全可以做到既安全又經(jīng)濟。

(3)水浮力是以均布荷載方式滿布于基礎(chǔ)底板，抗浮錨桿的存在改變了水浮力的傳遞路徑，錨桿受荷范圍內(nèi)水浮力會直接傳給錨桿。中間區(qū)域的錨桿實際受力不會減去上部結(jié)構(gòu)荷載后的凈水浮力，而是作用于底板的水浮力減去底板及面層自重后的凈水浮力。如布置不合理，引起局部不平衡，很容易引發(fā)連續(xù)破壞，造成失衡，輕者造成底板局部隆起、開裂，重者引發(fā)整個地下室上浮。

圖8 原地下室高低差過渡節(jié)點和計算模型

(4)項目竣工驗收時實測最大沉降量為35mm,最大沉降差為12mm，均滿足規(guī)范要求。

(5)經(jīng)優(yōu)化后，既解決了抗浮錨桿不合理布置帶來的安全問題，又使鋼筋和混凝土用量指標(biāo)顯著降低，工期可節(jié)省15d左右，綜合經(jīng)濟效益明顯。

[1] GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2] GB5007-2012 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[3] GB50038-2005 人民防空地下室設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[4] 姚諫，建筑結(jié)構(gòu)靜力計算實用手冊(第2版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[5] 中國有色工程有限公司.混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(第五版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015.