摘要：高层建筑结构设计的重点是减少结构自重，降低钢筋用量。本文根据工程案例，对桩型选择与上部结构的设计优化提出建议。
关键词：高层住宅；桩型选择；结构优化
一、工程概况
某高层住宅项目总面积15.55万m2，其中1#~6#楼为地面以上层数为32~33层，楼高100米以内的剪力墙结构。墙下最大标准组合轴力约为3850KN/m；作为人防及地下车库的地下室为两层，采用框架结构。
本项目所在地抗震设防烈度为6度，场地类别为II类，基本风压为0.55kPa，场地粗糙度类别为B类；
二、场地概况及基础设计
（1）场地地质情况
建筑场地位于广东省中南部沿海、富饶的珠江三角洲平原地带。地基土自上而下分别为素填土①-1、杂填土①-2、黏土②、淤泥质粉质粘土③、砾砂④、含砾黏土⑤、砾质黏性土⑥、全风化粗粒花岗岩⑦、强风化粗粒花岗岩⑧、中风化粗粒花岗岩⑨、微风化粗粒花岗岩⑩。其中力学性能较差的填土及淤泥质粉质粘土经基坑开挖后全部挖除。场地典型土层剖面如图1所示。.png)
图1场地典型土层剖面图
（2）桩型选择
目前高层建筑的桩基使用中最常见的主要有钻孔灌注桩、高强预应力管桩、人工挖孔桩等。
钻孔灌注桩对周围环境要求低，对邻近建筑及管线的影响小，场地适应性好，成桩可行性高，单桩承载力高。但造价较高且成桩质量难以控制，桩底沉渣厚度的控制要求高。
预应力管桩在工厂预制，桩身质量及成桩质量容易保证，其摩阻力和端承力均比灌注桩大，施工方便工期短，经济性较好。由于场地周围有居民区，不能采用成桩效果较好的锤击式预应力管桩，可采用静压成桩的方式。
人工挖孔桩施工设备简单，施工时没有挤土效应，无噪音和泥浆污染，对孔底易清除干净。但施工时应注意工人安全，避免流沙、塌孔、缺氧、触电和上面掉下重物危险而造成伤亡事故。考虑到安全等原因，挖孔桩桩长一般不超过20m，只适用于基岩埋藏较浅的情况。其造价较高，且存在一定的危险性，不建议采用。
高层住宅剪力墙下最大荷载约3850KN/m，强风化层埋深基本在16~22m以范围内，综合各基础类型的经济性以及规范对桩间距的要求和布桩的合理性，我们在高层塔楼下面采用了高强预应力管桩。桩身直径500，以强风化花岗岩作为持力层，桩长约17.5~23.5m，单桩抗压承载力特征值为2200kN。
地下室柱子柱底轴力标准值约3000～4300kN，柱底所受浮力约4000kN左右，基础需要同时考虑抗压及抗浮要求。考虑到预应力管桩的桩长较长，可以同时兼顾抗压及抗浮的要求；而如果采用锚杆作为结构的抗浮基础，不仅造价会增加不少，而且锚杆基础与底板处的防水构造要求较高，而施工质量比较难以控制；所以最终采用高强预应力管桩作为地下室结构的基础，桩身直径400，以强风化花岗岩作为持力层，桩长约17.5~23.5m，单桩抗压承载力特征值为1400kN，单桩抗拔承载力特征值为300kN。
本工程采用了经济性较好且质量比较容易控制的高强预应力管桩作为塔楼及地下室的基础，根据受力大小区分了400及500两种桩径，取得了比较好的效果，为避免产生挤土效应的不利影响，要求施工时采用从里向外的顺序。
（3）基础设计
高层塔楼内部剪力墙间距近、墙下荷载大，布桩尽可能布置在墙下，且尽可能少布联合承台以降低承台的造价。5#楼桩基及承台布置见图2。承台高度由抗冲切及抗剪计算要求控制在1.5米左右，根据最小配筋率0.15%的要求以及YJK软件的基础模块计算结果配筋。.png)
图2桩基及承台布置图
三、上部结构设计及优化
（1）结构布置
上部结构采用剪力墙结构，以剪力墙作为抵抗风荷载和地震荷载的抗侧力构件。本项目塔楼结构高度不超过100m，地处6度区，基本风压为0.55kPa，场地粗糙度类别为B类；体型相对较好，考虑规范要求以及经济性，计算中主要以剪力墙轴压比及结构侧向位移做为控制指标。
结合建筑空间使用的要求，标准层墙厚主要控制在200，尽量少布剪力墙，墙长控制在1.7米左右，不形成短肢剪力墙的前提下使墙长最短，仅对个别无法做长的剪力墙做加厚处理，建筑方案设计中建议尽量采用剪力墙对齐成榀的户型，混凝土强度C50～C30；其中5#楼标准层剪力墙布置如图3所示。.png)
图3 标准层结构平面图
（2）结构计算结果
本工程采用SATWE软件对项目中的高层结构进行弹性分析。其中5#楼结构前6阶自震周期及阵型系数如表1所示。第一扭转周期Tt与第一平动周期T1的比值为0.76满足国家《高规》中的相关要求，虽然广东省《高规》已经不再对结构的周期进行控制，但平动与扭转周期的明显拉开反映了结构具有良好的扭转刚度，是比较经济的结构形式。
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地震作用下5#楼结构侧向位移和位移角分布如图4、图5所示。从图中可看到结构没有位移突变，为典型的弯曲型。5#楼结构各工况下位移、位移角、位移比见表2。从表中可见结构位移由风荷载控制，X向风荷载作用下最大位移角为1/839，满足广东省《高规》要求结构最大位移角不大于1/800的要求，偶然偏心作用下结构最大位移比为1.21，证明结构是相对比较规则的。.png)
图4 地震作用下结构侧向位移曲线 图5 地震作用下结构侧向位移角曲线
（3）对结构优化
高层剪力墙结构中剪力墙的面积占比越高，经济性越差，剪力墙结构设计优化的其中一个最主要的目标就是减少剪力墙的数量级长度。
本项目中高层结构设计剪力墙厚度按标准层为200、底部层高较高的架空层为300；根据结构所处场地及建筑布局，在设计中将剪力墙面积做到尽量少，为建设单位节约了墙的混凝土及钢筋用量，减小了墙下荷载，取得了很好的经济效应，同时也为建筑使用的灵活性创造了最大可能。
在方案及施工图设计阶段，结合建筑要求对剪力墙进行了优化，尽可能将错位的剪力墙对齐，分散剪力墙的布置（削弱核心筒，增加周边刚度），合理确定墙长度，选择长度适宜的剪力墙，并且尽可能多的使用L型，T型，避免使用一字墙。结构的优化为建设单位节约了造价，使得结构更加合理。
表 2 结构水平位移.png)
四、结束语
综上所述，我们结合场地情况，根据不同桩型的特点，选择了高强预应力管桩作为高层及地下室的基础。小区高层采用全剪力墙结构，经过SATWE软件的计算分析表明本工程在高度接近规范限值的情况下，结构具有有足够的刚度和延性，能满足规范的要求。
参考文献：
[1]顾晓鲁.地基与基础（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版杜，2003
[2]金问鲁.地基基础实用设计施工手册 [M].北京：中国建筑工业出版社，1995
[3]方鄂华.多层及高层建筑结构设计 [M].北京：地震出版社，1992
[4]JGJ3―2010高层建筑混凝土结构技术规程
[5] DBJ15-92―2013广东省标准高层建筑混凝土结构技术规程
[6]广东省建筑设计研究院《结构优化设计》资料
论文作者:曾俊丽
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2016/10/14
标签：结构论文; 位移论文; 剪力墙论文; 场地论文; 预应力论文; 荷载论文; 基础论文; 《基层建设》2016年13期论文;