福清瑞亭小學基礎設計優化

曹孫勝

(福建省華地建筑設計有限公司 福建泉州 362000)

1 工程概況

福清市瑞亭小學教學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。結構設計使用年限為50年，建筑抗震設防類別為乙類，建筑結構安全等級為二級，所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.10g，設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整后用于確定抗震等級的烈度8度，建筑結構的阻尼比取0.05[1]。該工程為框架結構，框架抗震等級均為二級。教學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情況

場地位于福清市龍山街道后山頂村玉峰村內，地形相對開闊，地勢東北高、西南低，場地地面黃海標高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地基土自上而下可劃分為5層：粉質粘土、凝灰巖殘積粘性土、全風化凝灰巖、強風化凝灰巖、中風化凝灰巖，持力層選擇粉質粘土(承載力特征值為150kPa)和凝灰巖殘積粘性土(承載力特征值為180kPa)。勘察期間，地下水初見水位埋深0.60m～3.90m，地下水穩定水位埋深0.30m～3.60m,黃海標高為2.95m～6.67m，地下室抗浮設計水位采用6.80m(黃海高程)。場地內地下水對混凝土結構及鋼筋混凝土結構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 原有筏板基礎設計計算模型問題分析

筏板基礎有兩種計算模型：彈性地基梁板模型和倒樓蓋模型，原設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，是結構設計手算時代應運而生的一種筏板基礎計算方法，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構的相互作用，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格的條件才能采用，對此，《建筑地基基礎設計規范》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，能考慮土與結構的相互作用，能比較真實模擬出地基反力的分布狀態。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，遠離柱的跨中部位地基反力最小。因此，在這種分布狀態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，相應的筏板內力與配筋計算結果更精確和經濟。該項目采用框架結構，上部結構剛度較弱，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 原筏板基礎平面布置圖

倒樓蓋模型計算結果 彈性地基梁板模型計算結果

4 筏形基礎的優化

4.1 基礎方案的選擇

帶地下室多層建筑的基礎底板最常用的兩種形式，即整體式筏形基礎和柱下獨立基礎加防水板體系。整體式筏形基礎分梁板式和平板式兩種，以往不少結構設計人員認為梁板式筏形基礎比平板式筏形基礎經濟性好，其實不然，就底板結構自身而言，因梁板式筏形基礎的地梁需配箍筋及腰筋等構造鋼筋，而平板式筏形基礎只有上下表面鋼筋。當平板式筏形基礎的厚度取值適當，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，平板式筏形基礎的用鋼量就很可能比梁板式少。結合地梁需開挖基槽，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勢。根據地質條件和整體結構分析，該項目采用柱下獨立基礎加防水板體系具有明顯的經濟效益，其優勢有：

(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)在有人防的區域，可降低底板上的人防等效靜荷載[3]。基礎優化后鋼筋、混凝土用量指標對比，如表1所示。

表1 基礎優化后鋼筋、混凝土用量指標對比

4.2 防水板設計與計算

防水板的荷載與邊界條件均比較復雜，想要得到比較準確的結果，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，將柱下獨立基礎一同模擬進去，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力計算結果。當柱網比較規則時，可采用簡化計算方法，如取幾處典型內力進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(矩形陰影區域，根據獨立柱基與防水板的厚度比決定是采用固接于基礎還是鉸接于基礎)；其二是4個獨立柱基間的雙向板模型(正方形陰影區域)，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求得內力并配筋[4]。

圖5 兩種典型板塊計算模型

4.3 抗浮錨桿優化布置

抗浮錨桿的設計總體原則，既要保證結構整體的總體平衡，又要兼顧各區域、各部位的局部平衡，在滿足結構安全的前提下盡量做到經濟。由于與柱、墻相連接的梁板一定范圍內具有一定的剛度，水浮力可直接與上部結構自重平衡，而上部自重很難傳遞至遠離梁、柱、墻的區域。該項目體育館地下室抗浮的做法為減去上部結構恒載后的水浮力由錨桿平均承擔，存在安全隱患。因為，體育館地下室中間區域的錨桿實際受力不會減去上部結構恒載的凈水浮力(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域，即梁、柱、墻影響區域和純底板抵抗區域。純底板抵抗區域的計算方法應是抗浮錨桿設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、墻影響區域應充分利用上部建筑自重進行抗浮，驗算傳遞的上部建筑自重是否能平衡該區域的水浮力，或者根據整體平衡所需的錨桿總數及純底板抵抗區域的錨桿總數的差值確定，如圖6所示。

圖6 優化后基礎平面布置圖

5 地下室高低差過渡節點優化

采用結構手段處理地下室高低差過渡問題，有關規范及參考書沒有對此做出規定或給出建議，因此如何在總體方案不變的情況下妥當解決地下室高低差處的構造問題，能夠將結構安全、經濟合理、施工方便同時兼顧，考核著結構設計人員的膽識與智慧。不同設計人員根據其價值取向不同，在安全與經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構方案中，應用較多的是采用類似于基坑底面加混凝土斜坡面的構造做法，即在基礎底板底面采用結構斜坡實現高低底板間的過渡，斜坡坡度可采用45°或60°，采用這種構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構安全問題，但這種構造做法應用于地下室間高低差較大處，如圖7所示，不但斜坡構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點

優化后的做法，即連接教學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。墻體側土壓力除土壓力處，并考慮教學樓的基底壓力，將主樓的基底壓力作為地面超載對待。由于連接墻與教學樓及體育館底板厚度相近，故連接墻在教學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圖進行配筋，這樣進行模型簡化計算既簡單易行又萬無一失，構造措施也更加經濟合理，如圖7所示，計算模型示意如圖8所示。圖中的荷載p為教學樓的基底壓力乘以靜止土壓力系數后轉化為側向壓力，q為墻側土作用于體育館地下室墻上的靜止土壓力，計算跨度(取教學樓底板中線到體育館底板中線之間的距離)[4]。節點優化后鋼筋、混凝土用量指標對比，如表2所示。

表2 高低差節點優化后鋼筋、混凝土用量指標對比

6 結論

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

(2)地下室高低差采用基坑底面加混凝土斜坡面的構造做法，不需要計算就能滿足結構安全，是結構設計人員普遍做法。這種構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濟。

(3)水浮力是以均布荷載方式滿布于基礎底板，抗浮錨桿的存在改變了水浮力的傳遞路徑，錨桿受荷范圍內水浮力會直接傳給錨桿。中間區域的錨桿實際受力不會減去上部結構荷載后的凈水浮力，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，很容易引發連續破壞，造成失衡，輕者造成底板局部隆起、開裂，重者引發整個地下室上浮。

圖8 原地下室高低差過渡節點和計算模型

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

(5)經優化后，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顯著降低，工期可節省15d左右，綜合經濟效益明顯。

[1] GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[2] GB5007-2012 建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[3] GB50038-2005 人民防空地下室設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2005.

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

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