上海某廠房改造項目基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計研究

曾朝杰（上海同建強華建筑設(shè)計有限公司, 上海 200072）

1 樁基基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計的基本概念

基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計是指通過調(diào)整地基、承臺和基樁的剛度分布，使反力與荷載分布相協(xié)調(diào)，使沉降變形趨向均勻，從而使基礎(chǔ)所受整體彎矩、沖切力和剪力減至較小狀態(tài)的設(shè)計方法，本質(zhì)就是上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用理論的具體應(yīng)用，也是共同作用理論與目前結(jié)構(gòu)設(shè)計中的等強度設(shè)計原理相結(jié)合的設(shè)計思路。

理論計算及實測資料表明，變剛度調(diào)平方式地基剛度從大到小分別為：剛度最大是樁基，其次為復(fù)合樁基，剛度最小是天然地基。以樁為例，對樁基剛度影響最為顯著的是樁長。在一般情況下，樁長加長會顯著提高地基剛度，一般樁徑及布樁密度對于樁剛度的提高有限，且會增加樁基造價，因此僅僅作為輔助手段。

為使整個基礎(chǔ)變形、沉降均勻，而調(diào)整地基剛度，再通過迭代計算或者基礎(chǔ)相互影響進(jìn)行計算得出的基礎(chǔ)設(shè)計方案，就稱為變剛度調(diào)平設(shè)計。變剛度調(diào)平設(shè)計已經(jīng)逐步成為地基基礎(chǔ)設(shè)計的一種主流設(shè)計思路，在使基礎(chǔ)受力均勻的同時，增加了上部結(jié)構(gòu)的耐久性及舒適性，在建筑物正常使用極限狀態(tài)全生命周期內(nèi)，較大程度地避免了結(jié)構(gòu)傾斜、開裂及滲水等使用缺陷。

例如，632 m 高的上海中心大廈的基礎(chǔ)工程，在作者參與及建議下，采用 86 m 及 82 m 兩種入土深度鉆孔灌注樁及不同的布樁方式（核心筒下梅花形，其余采用矩形），調(diào)節(jié)核心筒與巨型框架柱下的樁基剛度，取得了很好的經(jīng)濟效益。

圖1 為幾種常用變剛度調(diào)平設(shè)計方式。在工程應(yīng)用中，選擇哪種基礎(chǔ)剛度調(diào)平，取決于工程具體情況，以及方案的比較，特別是技術(shù)人員的認(rèn)知水平。由于上海 681 商務(wù)中心項目結(jié)合使用了多種變剛度調(diào)平技術(shù)，因此值得深入研究。

圖1 常用變剛度調(diào)平設(shè)計方式示意圖

2 上海681商務(wù)中心基礎(chǔ)變剛度調(diào)平優(yōu)化設(shè)計

2.1 工程及改造概況

擬建工程上海 681 商務(wù)中心為高檔會務(wù)、娛樂及餐飲場所，為改建工程，原結(jié)構(gòu)為西門子華通開關(guān)廠，位于上海市廣中西路 191號，建設(shè)單位為上海華發(fā)企業(yè)發(fā)展有限公司，設(shè)計單位為上海同建強華建筑設(shè)計有限公司，施工總包為上海通用金屬結(jié)構(gòu)有限公司三分公司。原廠房內(nèi)景見圖2。

圖2 原廠房內(nèi)景圖

本工程改建主體為 8.0 m 三跨的5層建筑，改建后建筑面積約為 18 938 m2，內(nèi)部改造采用鋼結(jié)構(gòu)。本項目是在原有廠房主體結(jié)構(gòu)保留的情況下的改建工程，原主體結(jié)構(gòu)部分為單層高大空間鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，天然地基上的獨立基礎(chǔ)，廠房總高度 18.8 m，跨度為24.0 m，主體兩側(cè)有附屬多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)廠房。

根據(jù)建設(shè)單位要求，為減輕自重在高大空間單層廠房內(nèi)采用鋼結(jié)構(gòu)，從而改建為5層使用空間的多層建筑。改建后的層高為：1層高5.5 m，2 層高4 m，3 ～ 5 層的層高 3.5 m。改建后實景圖見圖3。

總之，建設(shè)和諧企業(yè)過程中，政工工作需要充分發(fā)揮積極的引導(dǎo)和指導(dǎo)作用，不斷適應(yīng)新的形式，不斷加強對工作機制進(jìn)行創(chuàng)新和調(diào)整，堅持以人為本的理念，將員工的需要作為工作的核心和重要基礎(chǔ)，應(yīng)更加深入細(xì)致地關(guān)心愛護(hù)員工，真正意義上將他們生活工作中遇到的問題進(jìn)行解決，讓員工放心工作，不斷激發(fā)員工積極性和工作熱情，為建設(shè)和諧企業(yè)奠定堅實的基礎(chǔ)。

圖3 改建后實景圖

本工程為減少基礎(chǔ)荷載，內(nèi)部采用了鋼結(jié)構(gòu)框架形式，鋼梁與原排架柱子采用剛結(jié)節(jié)點，樓面次梁采用樓層鋼桁架，桁架間距 1.25 m，樓板混凝土厚度 60～100 mm，進(jìn)一步減輕了自重。同濟大學(xué)出具的“廣中西路 191號房屋質(zhì)量檢測報告”（2008-196）以及“廣中西路 191號房屋抗震鑒定報告”（2008-072）顯示，原房屋質(zhì)量整體性較好，改建后能滿足 7 度抗震設(shè)防要求。根據(jù)抗震計算，改造設(shè)計均滿足現(xiàn)行國家相關(guān)規(guī)范的要求，對于局部配筋超限均進(jìn)行了截面加大及粘鋼加固，增補加強了抗側(cè)力支撐體系。原建筑基礎(chǔ)平面圖見圖4，原結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)剖面見圖5。

圖4 原建筑基礎(chǔ)平面圖

圖5 原結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)剖面圖

2.2 上部結(jié)構(gòu)主要原設(shè)計荷載及新設(shè)計荷載準(zhǔn)永久值的確定

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計算底層 D+L（恒載+活載）設(shè)計值，由手算確定準(zhǔn)永久值荷載組合之下的原來柱子荷載準(zhǔn)永久值及改造后的柱子荷載準(zhǔn)永久值如下。

（1）原設(shè)計荷載準(zhǔn)永久值。A 軸單柱原廠房荷載準(zhǔn)永久值為 1 089.8 kN，計算按照1 100 kN 考慮；B 軸單柱原廠房荷載準(zhǔn)永久值為 1 402.6 kN，計算按照 1 402 kN 考慮；C軸單柱原廠房荷載準(zhǔn)永久值為 765.7 kN，計算按照 770 kN考慮；E 軸單柱原廠房荷載準(zhǔn)永久值為 394.7 kN，計算按照400 kN 考慮。

（2）新設(shè)計荷載準(zhǔn)永久值。A 軸新加荷載之一為 1 600 kN，A 軸新加荷載之二（邊上 2 軸、3 軸或15 軸、16軸 2個軸力較大的基礎(chǔ))為 2 000 kN，A 軸新加荷載之三（中間 7～11 軸5個軸力較大的基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)有懸挑)為 2 295 kN；B 軸新加荷載為 1 800 kN、2 000 kN 2 種；D 軸新加荷載為 1 000 kN、1 200 kN 2 種；E 軸新加荷載為 600 kN、700 kN 2 種。

2.3 計算理論依據(jù)及要點

本工程地質(zhì)地層參數(shù)如表1所示。

表1 本工程地質(zhì)地層參數(shù)表

（1）設(shè)計計算依據(jù)。本工程采用多種基礎(chǔ)混合的形式，依據(jù) JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第3.1.8 條進(jìn)行基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計，在地基強度滿足的前提下以差異沉降的控制作為設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，采用樁基、不同復(fù)合度的PHC 復(fù)合樁基、錨桿靜壓樁復(fù)合樁基以及天然地基相結(jié)合的方式，使得各柱的沉降及差異沉降都控制在規(guī)范許可的范圍以內(nèi)。

（2）設(shè)計要點。考慮應(yīng)力歷史，計算變形時，考慮原有地基附加應(yīng)力作用下的沉降經(jīng)過 17 a 應(yīng)力變形，在原來廠房基底壓力下的應(yīng)力固結(jié)已經(jīng)完成，對于勘察報告中所提出的參數(shù)，按超固結(jié)土考慮（超固結(jié)比＞1），因此具體計算是采用總地基附加應(yīng)力作用下計算變形，尚需要扣除原來廠房地基附加壓力作用下變形，以此作為新增地基變形，并以新增地基變形作為基礎(chǔ)實際變形。

3 基礎(chǔ)變剛度調(diào)平計算結(jié)果及基礎(chǔ)設(shè)計

本工程設(shè)計時，采用作者編制的上海地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范配套計算軟件“超明星地基強度及沉降計算軟件”（2.1版）進(jìn)行基礎(chǔ)變剛度調(diào)平計算，嚴(yán)格遵守 DGJ 08-11—2010《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的要求，并考慮相鄰基礎(chǔ)的影響。計算時基于以下假設(shè)：一般考慮 2～4 個相鄰基礎(chǔ)的影響（3 倍基礎(chǔ)寬度以外即不考慮），由于樁尖較深，所以一般不考慮天然地基對樁基、復(fù)合樁基中樁基部分變形的影響。對該改造項目的基礎(chǔ)沉降進(jìn)行了上百次反復(fù)計算（詳細(xì)計算書限于篇幅從略），得出下面的計算結(jié)果。

3.1 老基礎(chǔ)的沉降計算

老基礎(chǔ)的沉降計算（應(yīng)力歷史沉降）如下：A 軸老基礎(chǔ)，考慮 5 個 1 100 kN，計算沉降為 4.2 cm；B 軸老基礎(chǔ)，考慮 5 個 1 402 kN，計算沉降為 5.81 cm；D 軸老基礎(chǔ)，考慮 5 個 770 kN，計算沉降為 2.97 cm；E 軸老基礎(chǔ)，考慮 5個 400 kN，計算沉降為1.63 cm。

3.2 新基礎(chǔ)的沉降計算

新基礎(chǔ)的沉降計算（扣除老基礎(chǔ)的應(yīng)力歷史沉降）如下。

（1）A 軸新加荷載之一，考慮 5 個1 600 kN，計算沉降為 8.58 cm，扣除老基礎(chǔ)后的計算沉降為 4.38 cm。

（2）A 軸新加荷載之二（邊上 2 軸、3 軸或 15 軸、16軸兩個軸力較大的基礎(chǔ))，考慮 2 個 2 000 kN，計算沉降為9.16 cm，扣除老基礎(chǔ)后的計算沉降為 4.96 cm。若考慮 5個(8 563/5)1 713 kN，計算沉降為 9.92 cm，扣除老基礎(chǔ)后的沉降為 5.72 cm。

（3）A 軸新加荷載之三(中間 7～11 軸 5 個軸力較大的基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)有懸挑)，若考慮 5 個(1 1476/5) 2 295 kN，計算沉降 17.53 cm，扣除老基礎(chǔ)后計算沉降為 13.33 cm。因此，不可能采用天然地基，而采用進(jìn)入持力層 6號 ±1 m的復(fù)合樁基，小方樁 250 mm×250 mm× 20 000 mm。同理，計算 5 個基礎(chǔ)的計算沉降為 9.01 cm，扣除老基礎(chǔ)后的計算沉降為 4.81 cm。符合要求。

（4）B 軸新加荷載之一，考慮 5 個 1 800 kN，計算沉降為 9.87 cm，扣除老基礎(chǔ)后的計算沉降為 4.06 cm。

（5）B 軸新加荷載之二，考慮 5 個 2 000 kN，計算沉降為 12.35 cm，扣除老基礎(chǔ)后的計算沉降為 6.54 cm。

（6）D 軸新加荷載，考慮 5 個1 000 kN，計算沉降為4.92 cm，扣除老基礎(chǔ)后的計算沉降為 1.95 cm；考慮 5 個1 200 kN，計算沉降為 7.30 cm，扣除老基礎(chǔ)后的計算沉降為 4.33 cm；考慮 3 個 1 200 kN，計算沉降為 6.66 cm，扣除老基礎(chǔ)后的計算沉降為 3.69 cm。

（7）E 軸新加荷載：考慮 5 個 600 kN，計算沉降為3.87 cm，扣除老基礎(chǔ)后的計算沉降為 2.24 cm；考慮 5 個700 kN，計算沉降為 5.27 cm，扣除老基礎(chǔ)后的計算沉降為3.64 cm。

（8）1/A、2/A 軸復(fù)合樁基，樁選 PHC AB 300 60 1111（PHC 樁，AB 型，300 mm，壁厚 60 mm，11 m+11 m兩節(jié)樁），進(jìn)入持力層第⑥ 層土 3 m。由于 2 ～ 4 軸為暗浜分布區(qū)，其天然地基的承載力部分由單節(jié)短樁 PHC AB 300 60 12 提供： 6 個柱子，6×1 100 kN，計算沉降為 3.30 cm；6個柱子，6×1 200 kN，計算沉降為 3.61 cm。

（9）1/C 軸復(fù)合樁基，樁選 PHC AB 300 60 1111，進(jìn)入持力層第⑥ 層土 3 m。設(shè)計值為 833 kN，準(zhǔn)永久值為586 kN；5 個柱子計算沉降為 3.37 cm，3 個柱子計算沉降為3.75 cm。符合要求。

（10）1/C 軸附近的 5 個新加天然地基（1 個雙柱)，準(zhǔn)永久值為 2 177 kN，設(shè)計值為2 988 kN；變形計算分別為3.30、2.90、2.80、2.95、3.43 cm，由于最后 1 個基礎(chǔ)附加壓力稍大，因此按該基礎(chǔ)增加附加壓力，變形計算為 3.90 cm。

3.3 地基承載力驗算

本項目地基承載力經(jīng)驗算后滿足要求。本項目實施的變剛度樁基及基礎(chǔ)平面示意見圖6。改造后結(jié)構(gòu)和變剛度樁基及基礎(chǔ)剖面見圖7。

圖6 實施的變剛度樁基及基礎(chǔ)平面示意圖

圖7 改造后結(jié)構(gòu)和變剛度樁基及基礎(chǔ)剖面圖

圖8 沉降值計算結(jié)果及相應(yīng)軸力圖

沉降值計算結(jié)果及相應(yīng)軸力見圖8。圖8中每個樁基上標(biāo)注的數(shù)值為“沉降值（單位：mm）-軸力（單位：kN）”。

4 實測結(jié)果及經(jīng)濟效益

本工程于 2009年7月結(jié)構(gòu)封頂。2010年建成使用后實測最大沉降在 B 軸東北側(cè)，與預(yù)估沉降的趨勢一致，實測沉降值約為 30 mm ，小于預(yù)估沉降值（45～60 mm）的最小值。主樓范圍不均勻沉降小于 10 mm，局部傾斜遠(yuǎn)小于4‰。該工程裝修完畢并投入使用多年，完全達(dá)到設(shè)計預(yù)期目的。

本工程通過舊廠房改造，充分利用了原來廠房的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)，整個土建工程造價含加固（不含裝修)在內(nèi)共計 2 140 萬元，按照建筑面積 18 938 m2計算，單位建筑面積造價為 1 130 元/m2。如果新造618商務(wù)中心，造價將高達(dá) 1 800 元/m2以上，還不包括原建筑的拆除及垃圾清運處理費用等。因此，本改造工程按照單位面積節(jié)約工程造價670 元/m2計算，共節(jié)約工程造價 1 266 萬元。

5 結(jié) 語

本舊廠房改造項目采用變剛度調(diào)平設(shè)計方式， 新增結(jié)構(gòu)及原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用 PHC 樁基、 PHC 復(fù)合樁基、錨桿靜壓樁復(fù)合樁基、天然地基多種基礎(chǔ)形式進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計及加固，建成后運營多年，滿足正常使用要求。本項目取得了良好的經(jīng)濟效益及社會效益，成為城市更新的典型案例，可供類似改造項目參考。