框筒结构复合地基设计计算分析4

1、框筒结构复合地基设计计算分析摘 要 本文通过清华科技园科技大厦工程实例介绍了框筒结构建筑物的工程特点和复合地基设计计算方法。关键词 高层建筑 框筒结构 核心筒 地基处理 设计计算 1 前言 目前，城市高层和超高层写字楼的大量出现，采用框筒结构型式也越来越多。由于框筒结构荷载分布不均匀，使其受力不同于剪力墙结构，根据结构型式和功能要求，框筒结构具有如下特点：（1）为了尽可能减少在水平力作用下的扭转，框筒结构设计时通常采用具有对称轴的简单规则平面，如方形或长方形。（2）荷载分布不均匀性。外框内筒结构，核心筒面积约占楼面面积的20，而核心筒荷载却占塔楼总荷载的50左右，核心筒和外框柱的荷载差异，使控

2、制核心筒与外框柱之间的差异变形以及核心筒对底板的冲切验算成为框筒结构地基设计计算的突出问题。框筒结构以前多采用桩基础，或采用变刚度调整原理调整核心筒区域和外框架的桩长、桩间距来解决变形协调问题。随着地基处理技术的发展，采用施工便捷、费用低廉的刚性桩复合地基来解决外框内筒结构的地基问题成为可能。本文介绍了框筒结构建筑物的工程特点和复合地基设计计算方法，供类似工程设计时参考。2 工程概况清华科技园科技大厦位于北京市海淀区清华大学东门西侧，清华科技园内。该工程总建筑面积约18.8万m2，为大底盘四塔结构（图1），底盘尺寸为128124m，地上主体为四栋25层塔楼，地面至檐口高度99.9m；裙房一至四

3、层不等；地下三层，基础底板底标高为17.4m。该工程高层部分采用现浇混凝土框架核心筒结构体系，筏板基础。该工程 0.00为51.00m，基底标高为33.6m，基础底板设置在第四纪冲洪积沉积土层的粉质粘土层，该层承载力特征值粉粉fka为190kpa，由于高层部分承载力和变形不能满足设计要求，拟采用cfg桩复合地基进行处理。图 1 科技大厦基础平面布置图3 工程特点(一)建筑结构特点清华科技园科技大厦为大底盘四塔结构，结构型式为外框内筒结构，核心筒面积占楼面面积的20，核心筒荷载占塔楼总荷载的49.7（南塔）和54.5（北塔）。地基处理的重点是控制核心筒与外框柱之间的沉降差、外框柱和裙房之间的沉降

4、差，系按变形控制进行复合地基设计。核心筒荷载占的比例很大，核心筒对底板的冲切验算是结构和地基处理设计的一项重要内容。结构设计提出的复合地基设计条件如下：（1）承载力复合地基承载力特征值需满足见表1的荷载要求，同时应使复合地基抗力中心应与高层部分荷载作用中心基本重合。表1复合地基设计条件楼座基础底面处的平均压力标准值(kn/m2)核心筒及外扩部分高层框架柱及外扩部分北塔620.0420南塔630.0470 (2)变形a.高层部分在附加应力作用下最终沉降量40mm;b.高层核心筒与外框柱在不考虑底板调节时沉降差不大于1; (二)地基土物理力学性质清华科技园科技大厦场地各层土的物理力学指标和剖面图见

5、表2和图2。表2 土的物理力学指标统计表(平均值) 土的物理力学指标 土层 编号含水量(%)天然重度 (kn/m3)孔隙比e液性指数il压缩模量es(mpa)标准贯入试验 锤击数n各层土 承载力标准值(kpa)+100+200 +300 粉砂(20)20210粉质粘土22.020.40.620.507.18.39.54150粉质粉土21.620.40.620.4110.912.013.217190卵石(50)35*450粉质粘土23.020.10.660.3514.515.416.6230卵石(55)1175001粉细砂 (35)152602粉质粘土 25.519.70.740.4020.22

6、1.423.42803砾砂 (35)52604粘质粉土 24.020.00.670.3131.431.435.3280图2 场地典型地质剖面根据勘察报告，本工程基础底面以下至层卵石顶面以上（厚度约20m）为中低压缩性的粉质粘土层、卵石层、粉质粘土层，这一范围土层以粉质粘土为主，液性指数在0.4左右，孔隙比在0.550.65之间，土层分布较均匀，层卵石以下基本以卵石为主，低压缩性。如在基底与层卵石之间打设cfg桩，cfg桩和原土一起可形成良好的复合地基，可使地基承载力较大提高，以满足建筑物荷载的要求。层卵石为良好的桩端持力层，对桩端下卧层的应力扩散及变形控制起着非常有利的作用。4 cfg桩复合地

7、基设计(一) 设计方案本工程采用cfg桩复合地基方案，施工工艺采用长螺旋钻管内泵压施工工艺。cfg桩复合地基以第层卵石为桩端持力层。各楼座的设计参数见表3。表3 各楼座cfg桩复合地基设计参数楼座有效桩长 (m)桩径(mm)桩间距(m)桩数(根)褥垫层厚度(cm)桩身强度等级核心筒外框柱北楼（a、b）22.54151.301.75704220c25南楼（c、d）22.54151.301.55722220c25cfg桩复合地基设计考虑了以下几方面：(1)本工程为 外框内筒结构，荷载分布不均匀。 (2)考虑外框内筒结构荷载传递特点，可将地基处理范围划分为四个区域：核心筒冲切区域、核心筒荷载平衡区域

8、、外框柱荷载平衡区域，核心筒荷载平衡区域和外框柱荷载平衡区域之间的过渡区域。在这四个区域中，核心筒冲切区域包括在核心筒荷载平衡区域内， 核心筒冲切区域和核心筒荷载平衡区域 范围大小主要取决于底板厚度。(3)底板冲切验算是外框内筒结构基础设计时保证结构安全的重要环节，也是计算确定核心筒冲切区域的地基反力以及复合地基承载力的重要步骤。（4）大底盘多塔楼结构型式以及框筒结构自身结构特性使变形协调成为地基基础设计时需主要解决的问题，包括核心筒和外框柱之间的变形协调、外框柱和周围裙房间的变形协调。(二） 复合地基承载力和变形计算(1)承载力计算外框内筒结构复合地基承载力计算包括两方面内容：一方面需根据核

9、心筒和外框柱荷载确定地基处理各区域地基处理需达到的承载力值；另一方面根据勘察报告和计算来确定桩长、桩间距等参数来保证地基处理后能够达到确定的承载力值。确定各区域地基处理后需达到的承载力值a. 核心筒冲切区域在已知底板厚度、底板混凝土强度和荷载效应基本组合时的核心筒所承受的轴力设计值f，可根据建筑地基基础设计规范gb500072002 第8.4.8条按下式求得筏板冲切破坏锥体内的地基反力设计值r（地基反力值r应扣除板的自重）。在假设核心筒冲切区域反力为均匀分布的条件下，可求得筏板在给定厚度条件下满足抗冲切所需的承载力值. (1) (2) 式中各符号意义相见建筑地基基础设计规范gb50007200

10、2 第8.4.8条。 b. 核心筒荷载平衡区域核心筒荷载平衡区域是指沿核心筒外沿向边外扩2.5倍板厚的区域，在这个区域可认为核心筒荷载能够向外均匀的扩散，地基反力为线性均匀分布(图3)。当沿核心筒外沿向边外扩2.5倍板厚范围超过核心筒外沿和外框柱内侧的一半时，可取核心筒外沿和外框柱内侧的一半包围的区域为核心筒荷载平衡区域。该区域的地基处理后的承载力为核心筒的轴力除以核心筒荷载平衡区域的面积。图3 核心筒荷载冲切区域和荷载平衡区域示意图核心筒荷载平衡区域包含核心筒冲切区域，由于核心筒及其周围的反力分布规律还有待于进一步研究，建议取这两个区域确定的承载力大值对这两个区域进行布桩。c. 外框柱荷载平

11、衡区域外框内筒结构的外框柱由于受平面布置在水平力作用下具有剪力滞后的特性，造成角柱荷载最大，各柱之间具有荷载不平衡的特点，对各个柱可根据其荷载大小在沿柱2.5倍板厚的区域进行荷载平衡，当各柱之间荷载平衡区域基本相连时，可沿柱取一定宽度的板带作为外框柱的荷载平衡区域，外框柱荷载平衡区域的承载力由外框柱轴力除以确定的外框柱荷载扩散区域的面积。需要特别说明的是验算最大轴力外框柱的冲切也是确定外框柱承载力的一个重要步骤。d. 核心筒荷载平衡区域和外框柱荷载平衡区域之间的过渡区域在多数情况下,核心筒荷载平衡区域和外框柱荷载平衡区域连接在一起，过渡区域不存在。可根据结构特点进行构造布桩。本工程根据上述原则

12、确定的各区域承载力需大于表1的荷载值。2、确定设计参数和复合地基承载力。根据图2的地质剖面图和表2的物理力学指标，cfg桩有效桩长22.5m时，计算单桩极限承载力值为2630kn,取安全系数为2，计算单桩承载力特征值为1315kn。 由于cfg桩桩身混凝土强度等级为c25,cfg桩承载力特征值是由桩身强度来控制，根据经验，对于桩径400mm 、桩身混凝土强度等级为c25的cfg桩，按桩身强度控制单桩承载力特征值可取800kn。基底天然地基承载力标准值为190kpa。通过复合地基承载力计算，南塔和北塔核心筒及外扩部分桩间距取1.3m, 南塔框架柱部分桩间距取1.55m，北塔框架柱部分桩间距取1.

13、75m。(2)变形计算框筒结构变形研究较少，参考均匀布桩筏板变形计算方法，可近视采用线性理论分层总和法计算模式，在加固区模量取桩土复合模量，核心筒范围和外框架采取不同的桩土复合模量，应用荷载叠加原理对不同区域变形进行计算。控制建筑物的总沉降量以及核心筒与外框柱之间的沉降差。对清华科技园科技大厦南北塔楼进行计算，在附加应力作用下沉降计算结果为沉降量小于40mm，沉降差小于1，变形计算满足设计要求。5 cfg桩复合地基加固效果及评价清华科技园科技大厦cfg桩施工完毕，进行静载荷试验和低应变检测。静载荷试验检测结果见图4图5，核心筒及外扩部分和外框柱及外扩部分cfg桩复合地基承载力均满足设计要求。各

14、楼座低应变检测结果表明桩身完整。图4 核心筒及外扩部分单桩复合地基ps曲线a. 单桩q-s曲线b. 桩间土p-s曲线图5 外框柱及外扩部分单桩qs曲线和桩间土p-s曲线在结构施工过程中,业主委托专业的测量单位对四栋塔楼进行了沉降观测，北塔a沉降时间曲线见图6。在结构封顶时，四栋高层建筑物沉降量均在25mm左右。建筑物装修基本完成时沉降量在40mm，从沉降时间曲线来看，沉降还未稳定，预估建筑物最终沉降量将在50mm（包括回弹再压缩变形）。从图6还可以看出，核心筒沉降量略大于外框柱，但其沉降值基本趋于一致。核心筒和外框柱之间的沉降差很小。能够满足设计要求。可见清华科技园科技大厦采用cfg桩复合地基处理是成功的。图6 建筑物沉降时间曲线7 结语1、框筒结构