建筑結構體系優化論證

繆冬生 張寶 戴玉偉

摘要：鳳凰谷（武進影藝宮）項目位于江蘇省常州市武進區核心區位，為建設部三星級綠色建筑項目,榮獲國家優質工程“魯班獎”。本文針對彈性層狀土地基，研究框架結構剛度變化、樁土支承體系剛度變化等因素對基礎沉降與框架內力的影響。并與常規法解答進行比較分析，對該工程結構的安全和經濟設計進行了總結優化。

關鍵詞：樁基、結構、選型

中圖分類號：O571文獻標識碼： A

一、基礎選型及經濟技術分析

1.1樁基選型方案的比較分析

（1）預應力混凝土管樁（PHC樁）

PHC管樁屬于擠土樁的一種，由于采用工廠預制加工，樁身質量

較穩定，目前在工程中大量運用。選用PHC管樁需注意以下技術要點：①應考慮沉樁擠土效應對鄰近樁、建筑物、道路和地下管線等產生的不利影響；②應考慮沉樁方式（錘擊或靜壓）對周邊環境的影響，并采取相應措施；③PHC管樁用于抗拔樁、錨樁或主要承受水平荷載時，應驗算樁身和接頭強度后選用；④當管樁用于摩擦型樁時，樁的長徑比不宜大于100，用于端承型樁時，樁的長徑比不宜大于80。

（2）預制鋼筋混凝土方樁

預制鋼筋混凝土方樁也屬于擠土樁的一種，由于采用工廠預制加工，樁身質量比較穩定，目前在工程中大量運用，但經濟性略不如PHC管樁。選用預制鋼筋混凝土方樁需注意以下技術要點：①應考慮沉樁擠土效應對鄰近樁、建筑物、道路和地下管線等產生的不利影響；②應考慮沉樁方式（錘擊或靜壓）對周邊環境的影響，并采取相應措施；③樁身穿過一定厚度的硬土層時，硬土層越厚沉樁越困難，錘擊應力或壓樁力越高；④作為抗拔樁使用時，設計人員應根據抗裂要求計算確定混凝土強度等級和縱向鋼筋配筋量；⑤對于錘擊樁，摩擦樁的長徑比不宜大于120，端承樁或摩擦樁需穿越一定厚度的硬土層時，其長徑比不宜大于100。

（3）鉆孔灌注樁

當場地周圍環境保護要求較高，估計采用預制樁難以控制沉樁擠土影響時，可采用鉆孔灌注樁，鉆孔灌注樁屬于非擠土樁，目前在上海地區的工程中大量運用，施工工藝比較成熟。選用鉆孔灌注樁需注意以下技術要點：①由于采用泥漿護壁的成孔方式，現場需要設置運送泥漿的送漿和回淤的溝和井，一般施工現場衛生條件較差；②設計樁徑宜大于550mm，設計樁徑即鉆頭直徑，且實際灌注高度應高出設計樁頂標高5％的樁長，且不小于2m；③鉆孔灌注樁施工前，必須試成孔，以便檢驗地質資料、檢驗設備、施工工藝及技術要求是否適宜；④鉆孔灌注樁作為摩擦樁的長徑比不宜大于120，作為端承樁其長徑比不宜大于100。

1.2推薦樁基選型方案

抗壓樁經濟性比較一覽

抗壓樁樁型 規格

(mm) 樁長

(m) 樁頂絕對標高

(m) 單樁豎向承載力

設計值(KN)

鉆孔灌注樁 Ф650 44.0 —6.200 3250

預制砼方樁 400x400 37.0 —6.200 2700

PHC管樁 Ф500 37.0 —6.200 2500

PHC管樁 Ф600 37.0 —6.200 3400

抗壓樁樁型 單價

(元/m) 樁長

(m) 單根樁綜合總價

(元) 每1000KN承載力

單位價格(元)

Ф650

鉆孔灌注樁 332 44.0 14608 4494

400x400

預制砼方樁 208 37.0 7696 2850

Ф500

PHC管樁 154 37.0 5698 2279

Ф600

PHC管樁 181 37.0 6697 1969

抗拔樁經濟性比較一覽

抗拔樁樁型 規格

(mm) 樁長

(m) 樁頂絕對標高

(m) 單樁豎向承載力

設計值(KN)

預制砼方樁 250x250 12.0 —5.700 285

預制砼方樁 300x300 24.0 —5.700 580

預制砼方樁 350x350 24.0 —5.700 680

PHC管樁 Ф300 12.0 —5.700 285

PHC管樁 Ф400 24.0 —5.700 570

PHC管樁 Ф500 26.0 —5.700 750

抗拔樁樁型 單價

(元/m) 樁長

(m) 單根樁綜合總價

(元) 每1000KN承載力

單位價格(元)

250x250

預制砼方樁 82 12.0 984 3452

300x300

預制砼方樁 117 24.0 2808 4841

350x350

預制砼方樁 159 24.0 3816 5611

Ф300

PHC管樁 80 12.0 960 3368

Ф400

PHC管樁 109 24.0 2616 4589

Ф500

PHC管樁 154 26.0 4004 5338

從每1000KN承載力的單位價格的比較可見，PHC管樁為預制混凝土方樁的80％左右，為鉆孔灌注樁的50％左右，結合本工程的地質狀況并考慮施工工期的因素，我們認為承壓樁應首先考慮采用PHC管樁。本工程最終選擇 Φ500和Φ600PHC管樁作為承壓工程樁，樁長37m，持力層為第⑤2-2層（粉砂夾粉質粘土層）。

由于PHC管樁用于抗拔樁時，其單樁價格和制作周期有著明顯優勢，但樁頭接樁構造比較復雜，一般選用抗拔樁時宜優先考慮預制方樁，如選用350×350或300×300的兩節樁。但考慮到本工程施工工期緊、造價控制嚴的特點，經綜合比較后采用Φ500PHC兩節管樁（上節AB型13m，下節A型13m）作為抗拔樁，持力層為第⑤2-1層（砂質粉土夾粉質粘土）。為確保上下節樁的接樁質量，擬對接樁接頭進行特殊處理，詳見下圖。

根據擬建場地的詳細地質勘探報告及周圍環境的情況，確定采用靜壓沉樁方式施工。同時要求沉樁施工必須合理安排打樁順序，施工過程中應加強對周邊環境進行監測，確保擠土效應不對鄰近建筑物及管道等產生不良影響。

1.3地下室底板結構選型

對地下室底板的結構平面布置方案，設計中比較分析了兩種方案：

（1）、3mx3m均勻布置抗拔樁+柱下獨立承臺；

（2）、集中布置抗拔樁+柱下獨立承臺+基礎梁；

兩種方案布置詳見下圖：

經比較，采用方案（1）的綜合經濟性明顯優于方案（2），總造價可節省20%左右，且樁基制作及沉樁工期大大縮短，故本工程最終擬采用方案（1）進行施工圖深化設計。

二、地下室頂板結構選型分析

地下室頂板柱網尺寸為18x18m，且活荷載較大達20KN/m2，為了選取最優結構方案，設計中預應力混凝土結構與型鋼混凝土結構兩種結構形式進行了分析比較，具體內容如下：

2.1采用型鋼混凝土結構形式

2.2采用預應力混凝土結構形式：

經分析比較，采用預應力混凝土結構在造價上比型鋼混凝土結構節省費用約600萬。所以，盡管型鋼混凝土結構具有延性好、可避免柱上開孔穿透等優點，但存在用鋼量大，施工比較復雜，施工質量難以保證等問題。而預應力混凝土結構無論是經濟性還是抗裂性、施工方便性都要優于型鋼混凝土結構，因此頂板最終采用雙向有粘結預應力混凝土結構。

三、二層樓面結構選型分析

東側展廳為兩層鋼框架-支撐結構，局部有夾層。主要柱網尺寸分9mx9m和18mx18m兩種。樓面結構的選型主要基于以下三點考慮：（1）結構合理；（2）建筑形式美觀；（3）滿足設備管線穿行需求。

柱網尺寸為9mx9m部分，框架梁和次梁采用焊接H形截面，上鋪150mm厚鋼筋桁架現澆混凝土樓面，不考慮次梁與樓板的組合作用。

四號展廳柱網尺寸為18mx18m，二層樓面荷載達12KN/m2，框架梁擬采用變截面楔形箱形梁（梁高1700mm～1250mm）；次梁采用雙向井字組合梁（梁高800mm），上鋪150mm厚鋼筋桁架現澆混凝土樓面，考慮次梁與樓板的組合作用。

四號展廳柱網尺寸為18mx18m，二層樓面展廳的恒荷載為6KN/m2（包括樓板、管線、面層等自重），活荷載為12 KN/m2。

3.1四號展廳二層樓面框架梁形式比較

（1）框架梁采用空腹桁架

設備管線從桁架腹桿間穿越。桁架上弦與樓面次梁連接，保證上弦平面外穩定。桁架下弦靠支座節間為受壓桿，布置下弦支撐減小壓桿平面外計算長度。

桁架方案a:

跨中取消斜腹桿，便于穿風管，其余管線從腹桿間穿越。

(桁架右側數值分別代表強度、繞弱軸穩定和繞強軸穩定應力比)

桁架方案b：

風管從桁架跨中下穿過，其余管線從腹桿間穿越。

方案比較:

方案比較 桁架方案a 桁架方案b

結構高度(mm) 2650 1350~3250

跨中撓度(mm) 20.8 18.4

應力比 如圖 約0.85

每榀理論用鋼量(t) 9.33 10.84

每平方米用鋼量（kg） 57.6 66.9

18mx18m柱網樓面處采用空腹桁架的方案用鋼省，便于設備管線穿越。但桁架桿件較多，外形不夠簡潔，與建筑整體風格不協調。桁架方案建筑不認可，考慮采用實腹箱梁方案。

（2）框架梁采用實腹箱梁

考慮建筑對于四號展廳二層樓面框架梁外形的要求，將空腹桁架方案改為實腹箱形梁方案，以下對幾種箱形梁方案進行比較分析。直徑小于300mm設備管線從箱梁腹板穿越，腹板局部開洞；風管從梁下穿越，且保證建筑凈空要求。

箱梁方案a:

考慮到應力比主要由梁端控制，為了充分發揮材料性能，對方案a進行改進，得到以下兩種方案。

箱梁方案b:

方案b采用楔形變截面箱梁，梁高由1700mm變為1250mm，可以充分發揮材料性能?？紤]到風管從梁跨中下穿過，梁跨中高度比根部小，增加了建筑凈空。

方案比較:

方案比較 方案a 方案b

結構高度(mm) 1700 19.96

跨中撓度(mm) 14.83 18.4

應力比 如圖 如圖

每榀理論用鋼量(t) 14.80 13.24

每平方米用鋼量（mm） 91.36 81.71

綜合考慮，采用方案b－楔形變截面箱梁。

3.2次梁形式比較

建筑標準展位尺寸為3mx3m，為與設備管線留洞位置統一模數，樓面次梁采用3mx3m雙向布置。次梁與次梁節點為剛接，次梁與主梁節點為鉸接，次梁撓度按1/300控制，以下對幾種次梁布置方案進行比較分析。

（1）方案a

雙向井字次梁JGL1采用H800x250(350)x14x16(30)，考慮其與樓板組合作用；

雙向井字次梁JGL2采用H800x250(350)x14x16(25)，考慮其與樓板組合作用。

（2）方案b

雙向井字次梁JGL1采用H650x250(350)x12x16(30)，考慮其與樓板組合作用；

雙向井字次梁JGL2采用H650x250(350)x12x16(25)，考慮其與樓板組合作用。

對JGL施加預應力，預應力筋采用高強度低松弛鋼絞線,其抗拉強度標準值為，對每根JGL施加，鋼絞線張拉至，預應力產生的反拱部分抵消施工階段的變形。

（3）方案c

雙向井字次梁JGL1采用H900x350x16x30，不考慮其與樓板組合作用；

雙向井字次梁JGL2采用H900x350x16x25，不考慮其與樓板組合作用。

（4）方案比較

方案 方案a 方案b 方案c

結構高度（mm） 800 650 900

應力比 0.71 0.88 0.86

施工階段撓度（mm） 27.5 43.5-22(反拱)=21.5

使用階段撓度（mm） 31.4 37.8

總撓度（mm） 58.9（1/306） 59.3（1/303） 58.3（1/308）

每平方米用鋼量（kg） 102.8 105.4 139.5

從上表可以看出，方案a用鋼梁省，梁高較小，不需施加預應力，方便施工，可采用。

3.3四號展廳二層樓面活載不利分布的影響

四號展廳二層樓面的恒荷載為6KN/m2（包括樓板、管線、面層等自重），活荷載為12 KN/m2，豎向荷載組合下活荷載所占比例較高，活荷載分布形式對梁的內力（包括梁正、負彎距和剪力）有較大影響，需要考慮樓面活荷載不利分布。

（1）模型概況

根據整體計算結果，四號展廳二層樓面框架梁的應力比由豎向荷載組合（1.2恒載＋1.4活載）控制，取5x5跨局部模型分析活載不利分布的影響。

局部模型

工況一：活荷載滿跨布置工況二：活荷載半跨布置

工況三：活荷載隔跨布置（1） 工況四：活荷載隔跨布置（2）

工況五：活荷載隔跨布置（3） 工況六：活荷載棋盤形布置（1）

工況七：活荷載棋盤形布置（2）

（2）框架梁內力比較

分別取一根典型的邊跨框架梁（L1）和中跨框架梁（L2）進行分析，如模型圖所示，得到是否考慮活載不利分布框架梁內力?？梢钥闯?，活載不利分布對框架梁的彎矩影響不可忽略，尤其是跨中正彎矩變化最顯著，增大達43.2％；梁端彎矩增大約10％~20％；考慮活載不利分布對梁端剪力有所增加，本工程最大達13.8％；考慮活載不利分布的梁跨中出現負彎矩區域變長的現象。樓面結構設計已考慮活載不利分布的影響。

框架梁位置 中跨框架梁L1 邊跨框架梁L2

框架梁內力 梁端彎矩(KN·m) 跨中彎矩

(KN·m) 梁端剪力

(KN) 梁端彎矩

(KN·m) 跨中彎矩

(KN·m) 梁端剪力

(KN)

考慮活載不利分布 10729 5079 2643 11752 5912 2830

滿布布置 9001 3548 2323 10791 5013 2671

比值（考慮/不考慮） 1.192 1.432 1.138 1.089 1.179 1.060

四、屋蓋體系結構選型與結構布置分析

4.1西展廳屋蓋結構體系選型

根據主題館屋面建筑造型、結構跨度以及下部結構可以提供的支承條件，對3種可行的屋面結構方案（圖4.1）：雙向預應力桁架方案、巨型折板框架方案、單向預應力桁架方案進行了對比分析：

a)雙向預應力桁架方案

沿屋面南北向間隔18m布置一道預應力桁架，由于建筑造型的限制，沿東西向僅能在跨中布置一道預應力桁架，下部拉索沿球面雙向布置，進而形成了雙向預應力桁架方案。

分析結果表明，該方案結構豎向剛度增加不明顯，并且雙向拉索交叉節點構造復雜，拉索張拉難度高；沿球面布置的雙向拉索建筑視覺效果差。

b)巨型框架方案

與屋面建筑機理對應，沿東西向布置巨型框架，其中桁架梁梁斷面高8m，格構柱斷面結合西側展廳兩側輔助用房取9m，其腹桿采用交叉斜桿式布置方式，以有效傳遞水平剪力。

分析結果表明，該方案豎向剛度好，結構效率高，但在最不利荷載組合下，柱腳將產生2000KN的水平力，給基礎設計帶來了難度，更為不利的是，格構柱的交叉腹桿對建筑輔助用房使用功能有較大影響，結構布置與建筑功能沖突較多。

c)單向預應力桁架方案

該方案沿屋面南北向中間間隔18m布置一道預應力桁架。預應力桁架結構高11.5m，失跨比為1/11，上部剛性子結構斷面為正三角形立體桁架，高3m、寬3m，下部距預應力桁架兩端45m處各設置了兩對獨特V撐桿，撐桿高8.5，每對撐桿上端連接于立體桁架下弦，下端通過索夾與間距1.5m的兩根平行拉索相連，為了確保索撐體系的平面外穩定性，每對撐桿的下端通過橫撐聯結在一起。與傳統的張弦體系多道撐桿均勻布置相比，本設計兩道撐桿近跨中布置，這樣由拉索張拉而引起撐桿上頂作用將更為明顯，從而對上弦桁架產生更為明顯卸載作用，拉索的預應力效率得到明顯提高。分析結果表明，通過對拉索施加適當的預應力，可以大大提高結構的承載性能。