轉換梁、樁筏、箱樁等基礎在跨線工程的應用

1 引言

隨著城市土地資源愈加緊缺， 地鐵周邊地塊開發越來越受到重視。 地鐵交通的便捷，增加了上蓋的開發價值[1-2]。 跨線結構在以后的開發中會越來越多，而針對跨線結構，由于基礎均涉及轉換，基礎受力復雜，基礎設計成為重中之重。 從既有開發案例總結，跨線結構基礎一般有轉換梁、樁筏、箱樁等基礎形式。

2 工程概況

為對比分析各種形式基礎的優缺點， 本文以佛山某跨線項目為例。 建筑總平面圖如圖1 所示。

圖1 建筑總平面圖

本項目塔樓部分為17 層公寓，無地下室，首層板結構標高為-1.100 m，塔樓下穿地鐵線路，詳見圖1。根據地勘提供的土質剖面， 為避免基礎產生過多的附加荷載對下穿隧道產生影響[3-5]，基礎形式擬采用灌注樁基礎，由于下穿地鐵線路的影響， 樁布置受到局限， 樁定位需距離區間隧道不小于3 m，因此，宜采用轉換梁基礎托換上部結構。

3 轉換梁基礎

根據相關規范[6-8]及限制條件，轉換梁基礎布置如圖2 所示，由于地鐵線路設置，樁基礎僅能沿著線路布置。 根據上部結構布置局部調整樁位， 并根據受力直接簡單的原則布置轉換梁。 根據抗彎和抗剪計算得到的Y 向轉換梁截面為2 000 mm×2 400 mm，混凝土強度為C40，截面為抗剪控制。 建筑高度為57.00 m，則基礎埋深為57/18=3.17 m，轉換梁高度滿足埋深要求。

根據JGJ 3—2010 《高層建筑混凝土結構技術規程》10.2.8 條，由抗剪控制的轉換梁截面的剪力設計值應符合下列規定。

持久、短暫設計狀況：

地震設計狀況：

式中，V 為轉換梁截面組合的剪力設計值，kN；βc為混凝土強度影響系數， 混凝土強度不大于C50 時取1.0；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，kN/m2；b 為轉換梁寬度，m；h0為轉換梁有效高度，m；γRE為轉換梁抗剪承載力抗震調整系數。

4 基礎對比分析

為對比轉換梁、樁筏、箱樁基礎的優缺點，在建筑條件保持不變的情況下，擬采用有限元分別分析計算3 種基礎方案，并對比分析3 種基礎方案的計算結果。

轉換梁基礎：基礎方案詳見上節。

樁筏基礎：保持樁基布置與轉換梁基礎相同，筏板厚度擬采用2 000 mm，混凝土強度為C40。

箱樁基礎：保持樁基布置與轉換梁基礎相同，頂板厚度采用300 mm，底板厚度采用500 mm，內外墻厚度800 mm，內墻間距為3 500 mm，基礎高度3 000 mm，混凝土強度均為C40。采用某有限元軟件， 分別建立上部塔樓及基礎的有限元模型如圖3 所示。

圖3 上部塔樓及轉換梁基礎有限元模型

豎向荷載作用下樁反力對比如圖4 所示。

圖4 轉換梁、樁筏、箱樁基礎樁反力

對比有限元計算得出的3 種基礎樁反力， 樁筏基礎及箱樁基礎樁反力均比轉換梁樁反力均勻， 這是由于樁筏及箱樁基礎剛度更大，更能平均樁反力。

有限元計算得出的3 種基礎相關部位應力及變形對比，詳見表1。

表1 應力及變形對比表

分析表1 可知，箱樁基礎在跨度較大的Y 向，可認為等效為工字梁，而進行有限元計算的內墻間距為3 500 mm，即工字梁間距為3 500 mm。 轉換梁基礎為矩形梁，Y 向梁間距為7 000 mm，梁間距是內墻間距的2 倍，但根據表1 發現同一墻肢下箱樁基礎墻底的拉應力卻遠小于轉換梁基礎梁底的拉應力， 證明箱樁基礎的底板分擔了很大一部分由豎向荷載作用下彎矩產生的拉應力。 箱樁基礎在整體抗彎時，底板主要承擔拉力。

根據表1 數據， 同一墻肢下箱樁基礎內墻支座處剪應力小于轉換梁支座處剪應力， 且大于轉換梁支座處剪應力的一半。根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）中6.3 節計算工字梁截面抗剪時，僅考慮腹板截面，而工字梁間距是轉換梁間距的一半，因此，理論上箱樁基礎墻支座處的剪應力應為轉換梁支座處剪應力的一半， 但考慮到箱樁基礎的僅部分內墻直接承受剪力墻豎向荷載， 部分內墻為非直接受力，因此，內墻承受的豎向荷載是分布不均的，直接承受剪力墻豎向荷載的內墻底部拉應力較大，這與表1 中結果是吻合的。 根據JGJ 6—2011《高層建筑筏形與箱形基礎技術規范》[9]6.1.1 條，內墻截面抗剪公式如下：

式中，V＇為內墻截面組合的剪力設計值，kN；b＇為內墻截面寬度，m；h＇0為內墻截面有效高度，m。

此公式與上文給出的轉換梁截面抗剪公式一致，因此，當內墻截面與轉換梁截面由抗剪控制時，截面應基本一致，因此對于跨線基礎而言，由于存在托換，當轉換梁截面為抗剪控制時，轉換梁基礎應比箱樁基礎更加經濟。

根據表1 中變形數據可知，2 000 mm×2 400 mm 的轉換梁基礎剛度最小變形最大，3 m 高的箱樁基礎剛度要大于2 m 厚的筏板基礎， 即3 m 高的箱樁基礎在豎向荷載下變形最小。

5 樁筏及箱樁基礎變形對比分析

根據上文分析，3 m 高箱形基礎變形小于2 m 厚的筏板基礎，為研究同等厚度下的箱形基礎及筏板基礎的變形，現分別計算2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m 厚度兩種基礎的變形，得出基礎變形隨厚度變化的曲線圖如圖5 所示。

圖5 箱樁基礎及樁筏基礎的變形趨勢圖

根據圖5 可發現，同等基礎厚度的情況下，箱樁基礎變形略大于樁筏基礎， 兩種基礎形式基礎變形均隨著基礎厚度的增加，變形越來越小，但隨著基礎厚度越來越大，基礎自重也越來越大，基礎變形減小的趨勢也越來越緩。

同等厚度的情況下，箱樁基礎剛度明顯是小于樁筏基礎，但加密箱樁基礎內墻間距厚可明顯提升基礎剛度，減小基礎變形，分別計算3 m 高度下內墻間距為7 m、3.5 m、2.4 m、1.75 m這4 種箱樁基礎的變形，得到如圖6 所示曲線。

圖6 3 m高箱樁基礎隨內墻間距變化的基礎變形趨勢圖

由圖6 可發現，內墻間距加密后，箱樁基礎的變形隨著間距的加密不斷變小，并無限趨近于樁筏基礎。

6 結論及建議

本文以某跨線項目為依托， 采用有限元分析對比了轉換梁基礎，樁筏基礎及箱樁基礎的樁反力，彎曲應力及基礎變形等。 根據分析結果可總結出跨線項目3 種基礎的優缺點如下。

轉換梁基礎：受力直接，開挖量小，施工方便，但整體性較差，當需要布置多樁共同受力時，樁反力利用率較低，基礎變形較大。

箱樁基礎：整體性較好，多樁布置時反力可均勻利用，撓度對比轉換梁能夠得到較好控制，材料費用比樁筏節省，但開挖量大，施工復雜，對上部結構有要求，適合上部較為規則的建筑。

樁筏基礎：整體性好，多樁布置時反力可均勻利用，撓度能夠得到較好控制，但開挖量大，基礎費用較高，適合樓層數較高，樁布置較多，上部結構布置不規則轉換梁及箱基均難以實現的基礎。