濟南站大跨度風雨棚樁基礎設計

趙建強

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南 250022)

1 概況

1.1 現狀

濟南站位于京滬、膠濟兩大鐵路干線的交匯點，為華東地區重要的鐵路交通樞紐。隨著鐵道部跨越式發展戰略的提出和鐵路運輸服務質量的不斷提高，濟南站站內設施已不滿足要求，站內設施的改造勢在必行。

1.2 工程概況

濟南站既有站場為4臺10線，線間距均為5.10 m，其中Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ股分別為膠濟、京滬正線。無站臺柱風雨棚工程總建筑面積41 000 m2，其中風雨棚覆蓋面積38 000 m2。工程采用18榀單向受力鋼管桁架體系，每榀均為單跨，跨度隨線路變化為86 m至109.55 m不等，縱向柱距東西兩側分別為24 m及22 m。建筑整體設計一跨飛越南北，宏偉壯觀，氣勢磅礴，成為濟南站乃至周邊環境一大景觀。由于線間立柱不能滿足2.44 m正線限界要求，設計方案僅在基本站臺靠近站房處和10股線路外側設柱。

2 地質情況

2.1 勘察技術標準

該工程重要性等級為一級;場地等級為二級場地(中等復雜場地);地基等級為二級地基(中等復雜地基)，綜合分析，該工程的巖土工程勘察等級為乙級。

2.2 自然地理特征

該區的宏觀地貌單元為山前沖洪積平原，原始地形平坦開闊，由于既有站場的建設，原地貌形態已改變。

2.3 地質構造及地層巖性

(1)地質構造

本區在大地構造單元上隸屬華北地臺區之魯西斷隆區，本工程位于魯西斷塊、魯中南較強烈斷塊上升區北緣，地層屬魯西地層分區，區內地層從太古界至新生界地層均有分布。

(2)地層巖性

經勘探揭示，場地地表分布有第四系全新統人工填土(雜填土和素填土)，其下為第四系全新統沖洪積粉質黏土、姜石土，第四系上更新統沖洪積黏土，下伏中生代晚期輝長巖。

該區雜填土、素填土土質不均，結構松散，分布不均，厚度較大，且部分柱下為地下通道，輝長巖埋深較淺，故勘察單位建議采用摩擦端承樁，樁尖置于第4－2層全風化或第4－3層中等風化輝長巖中，各層巖土物理力學指標見表1。

表1 各層巖土物理力學指標

2.4 水文地質條件

該區地下水類型屬壤中潛水型，地下水埋深+0.20～5.10 m，高程14.50～15.60 m，主要受大氣降水補給，水位隨季節變化而變化，變化幅度約1～2 m。據本次水質分析結果及附近既有資料，該地下水對混凝土不具侵蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋無腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性。

3 上部結構計算結果

3.1 上部結構設計依據

(1)結構安全等級一級，設計使用年限50年。

(2)本工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第二組，水平地震影響系數最大值為0.04，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.4 s，建筑結構阻尼比0.05。

(3)基本風壓:0.45 kN/m2，地面粗糙度B類。基本雪壓:0.30 kN/m2。

(4)屋面活荷載:0.50 kN/m2

3.2 上部結構柱底反力

柱底反力最不利組合(1.2恒+1.4活+1.4溫度)計算結果見表2。

由表2可見，109 m跨柱底豎向、水平向反力數值對工程起控制作用，據此并適當取整，確定基礎設計按柱底豎向反力標準值為1 900 kN，水平反力設計值為2 700 kN。

4 基礎形式確定

濟南站位于濟南市中心區，站場北側緊鄰住宅區，南側為主站房。由于上部結構方案在基本站臺靠近站房處和10股線路外側設柱，建筑設計要求結構立柱盡可能靠近站房及10股外側圍墻，基礎設計條件十分苛刻。

表2 柱底反力最不利組合

上部結構反力巨大，最適合的基礎形式應該是底面積較大的獨立基礎或群樁基礎。淺層地基承載力較差，2－2姜石土承載力較好但埋深已達5 m，獨立基礎需要大面積開挖顯然不合理。群樁基礎能發揮深層地基良好的承載力，又適合抵抗較大水平力。但由于濟南站基本站臺縱向設置通長暖氣地溝，靠站房側無法實現群樁基礎。10股外側設有行包地道，也無法實現群樁基礎。

柱下單樁基礎能承擔豎向荷載，但抵抗較大水平力工程實例很少，文獻［1］中僅提供了不同樁身配筋率單樁水平承載力估算公式，其中大量數據是依托現場試驗數據統計得來。本次設計大膽采用柱下大直徑單樁基礎，分別按豎向承載力控制及水平承載力控制進行設計。

5 單樁承載力試算(按豎向承載力控制)

考慮樁徑D取2.0 m，按大直徑灌注樁進行設計。

5.1 單樁豎向承載力標準值計算

大直徑灌注樁側阻力尺寸效應系數及端阻力尺寸效應系數按表3取值。

表3 Ψsi及Ψp取值

按最不利位置Z－5計算(深入中風化1.5 m，樁長15 m)

Quk=11 000 kN ＞2×1 900=3 800 kN，滿足豎向承載力要求。

5.2 單樁水平承載力設計值計算

根據《建筑樁基技術規范》JGJ94—94之5.4.2.5條樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁單樁水平承載力設計值估算公式(樁基按C25混凝土計算)

其中EI為樁身抗彎剛度

X0a為樁頂允許水平位移，當以位移控制時，取為10 mm。

X0a=1×10－2m

根據《建筑樁基技術規范》JGJ94—94之5.4.5.1條，水平變形系數

故樁身計算寬度b0=0.9(d+1)=2.7 m

根據《建筑樁基技術規范》JGJ94—94之附錄B中之公式B－1及本工程地質勘察報告

取h1=h2=3.0 m，

影響深度范圍內土層分別為:

1－2、素填土，以粉質黏土為主，軟塑—可塑，局部硬塑;

2－1、粉質黏土，可塑—硬塑。

由于暫無靜載試驗資料，根據《建筑樁基技術規范》JGJ94—94之表5.4.5，

取 m1=10，m2=20;

m=17.5 MN/m4;

0.4m=7 MN/m4;

αh=3.78 m。

柱下單樁樁頂約束情況為鉸接，根據文獻［1］表5.4.2中鉸接欄內插得γx=2.470

計算得Rh=1 210 kN＜2 700 kN，不滿足豎向承載力要求。由此可見該工程應由水平承載力控制。

6 單樁承載力試算(按水平承載力控制)

考慮樁徑D取2.5 m，按大直徑灌注樁進行設計。

6.1 單樁豎向承載力標準值計算

計算過程同上，從略。

按最不利位置Z－5計算(深入全風化1.5 m，樁長9.2 m)

Quk=14 618 kN＞2×1 900=3 800 kN，滿足豎向承載力要求。

6.2 單樁水平承載力設計值計算

I0=1.92 m4

EI=0.85EI0=48.87×106kN·m2

X0a=1 ×10－2m

d=2.5 m ＞1.0 m，故 b0=0.9(d+1)=3.15 m。

根據附錄B中之公式B－3及地質勘察報告，Hm=2(d+1)=7.0 m

取 m1=10，m2=20

m=17.5 MN/m4

0.4m=7 MN/m4

αh=3.86 m。

柱下單樁樁頂約束情況為鉸接，根據文獻［1］表5.4.2中鉸接欄內插得γx=2.458

計算得Rh=3 375 kN＞2 700 kN，滿足豎向承載力要求。

7 試驗樁測試

為確保樁基達到設計要求，保證樁基安全可靠，從而保證整個結構體系的安全，根據規范要求，對樁基進行現場承載力試驗。

7.1 豎向承載力測試

單樁豎向承載力特征值為5 951 kN，滿足設計要求。

7.2 水平承載力測試

水平靜載荷試驗考慮加載荷載值較大，采用現場兩樁對推方式進行。同時進行樁身應力、應變、樁側土壓力、樁頂位移進行檢測。

單樁豎向承載力特征值為5 951 kN，滿足設計要求。單樁水平承載力特征值為3 038 kN，m=14.6 MN/m4，與計算取值基本一致，測試結果滿足設計要求。

8 構造措施

8.1 樁身構造及成樁工藝

本工程采用人工挖孔樁，樁端持力層為中風化輝長巖，下部全風化及中風化采用爆破。

根據柱底傳來的彎矩進行樁身抗彎承載力計算，樁基按配筋率不小于0.65%構造配筋即能滿足要求。縱筋根據應力分布情況，在跨度方向盡可能多布置，在垂直跨度方向滿足最大間距。

8.2 承臺構造及配筋

上部格構式鋼管混凝土柱采用可靠度高的埋入式柱腳方式，柱腳頂面、底面采用環形加勁板，側面設置栓釘抗剪。按照承臺剛度不小于柱剛度，鋼管深入承臺不小于3倍管徑，并結合鋼管柱腳構造，滿足承臺抗彎、抗剪、抗沖切等因素，綜合確定承臺高度3 m，平面尺寸為3 m×2.8 m，其中2.8 m為垂直線路方向，可減少對既有線路的影響。

9 工程樁觀測及測試

為確保樁基達到設計要求，保證樁基安全可靠，從而保證整個結構體系的安全，根據規范要求，選取3處工程樁對樁基進行水平承載力測試、m值、樁頂位移、樁身彎矩分布、樁側土壓力分布鋼筋應力及應變、樁側土壓力的檢測，檢測于主體完工及完工后40天分別檢測一次，以后每半年檢測一次。竣工后40天檢測結果樁頂位移36 mm，經長期檢測樁頂位移穩定，其他各項參數與設計基本相符，說明計算理論安全可靠，設計合理并有一定安全儲備。

10 結束語

濟南站風雨棚改造工程已于2006年8月建成，通過多年持續不斷觀測，濟南站大直徑柱下單樁所有指標符合規范及設計要求。通過該工程設計，有如下體會及思考:

對于大跨度拱形鋼結構，樁基水平承載力往往比豎向承載力更起控制作用。

抵抗較大水平力采用大直徑單樁方案可行，可滿足場地環境等要求，人工挖孔成樁質量有保證，易控制入巖深度。

大直徑單樁承載力計算相對于小直徑樁而言，靜載試驗更為重要，必須特別重視靜載試驗結果。

大直徑單樁與承臺連接屬于鉸接，但仍需可靠連接，增加連接剛度可有效提高水平承載能力。

場地有條件時盡可能采用群樁，樁頂可按固結考慮，通過樁基與承臺以及樁間土共同作用抵抗水平力，可大大提高單樁水平承載力。

說明:本工程設計階段采用《建筑樁基技術規范》版本為JGJ94—94，新版規范 JGJ94—2008于2008年10月1日起執行。按新版規范校核，樁基、水平承載力由設計值換用特征值抵抗荷載效應標準組合下反力。計算公式稍有差異，但設計結果基本無變化。

［1］ JGJ94—94 建筑樁基技術規范［S］

［2］ JGJ94—2008 建筑樁基技術規范［S］

［3］ JGJ106—2003 建筑基樁檢測技術規范［S］

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［8］ 梅季魁，劉德明，姚亞雄．大跨建筑結構構思與結構選型［M］．北京:中國建筑工業出版社，2002

［9］ 藍天，張毅剛．大跨度屋蓋結構抗震設計［M］．北京:中國建筑工業出版社，2000

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