大直徑樁基轉換層的設計與探討

【摘 要】本文對上部為剪力墻結構，基礎采用大直徑灌注樁的轉換層設計進行了探討，提出科學實用的設計方法，可為同類結構設計參考。

【關鍵詞】剪力墻結構；大直徑樁；轉換層設計

1 概述

在抗震設防高烈度地區(qū)的多高層建筑剪力墻結構設計中，除核心筒區(qū)域（樓梯間、電梯間）外，其余剪力墻肢長一般都控制在1600～3000mm左右。對這類剪力墻結構，有時，根據(jù)地勘的實際情況，可能采用大直經人工挖孔或鉆孔灌注樁基礎。這樣的結構形式對這樣的基礎形式，除核心筒區(qū)域外，大部分采用墻下單樁或雙樁的基礎布置形式即可滿足承載力和變形要求。這樣的布樁形式，有時給承臺的布置帶來困難，特別是墻下單樁在結構傳力途徑上，必須通過承臺懸臂受彎、剪、扭來傳遞上部荷載與地震作用，使樁與承臺的受力和配筋構造都很復雜，并不直觀。針對這種情況，設置基礎轉換梁使上部結構傳力明確也是一種不錯的選擇。因此，本文對基礎轉換梁的設計進行詳盡的探討，提出科學實用的設計方法，可為同類結構設計提供參考。

2 大直徑灌注樁的轉換層設計

大直徑灌注樁轉換層由大直徑灌注樁和轉換梁構成。大直徑灌注樁的布置、設計、構造已有成熟經驗[1][2]，不再贅述，只需設計人員按工程設計中剪力墻平面布置的實際情況，上部荷載及地震作用大小，再根據(jù)單樁承載力設計值、變形和最小中心距等要求布樁即可。這種情況，大部分墻下只能布置單樁，只有局部剪力墻比較長及樓梯、電梯間核心筒位置可以布雙樁或多樁。對于普通柱下單樁承臺本身只是一個結構連接構造上的要求，且大直徑樁還可不設承臺（樁帽）。對于墻下布置單樁的情況，即使單樁剛心與墻肢剛心重合，而剪力墻肢在實際受力工作狀態(tài)中，其各種荷載組合的質心是變化的，一般很難與剛心重合，其墻下單樁承臺的設置很難達到合理水平。因此，在兩樁之間的剪力墻（肢）下設置基礎梁來將上部剪力墻（肢）承擔的荷載傳遞到大直徑樁上的基礎結構形式就應運而生。實際上這種結構形式，是在建筑物上部結構與地基基礎之間設置了一道轉換梁。從廣義上講，這本身就是一種轉換層結構[3]，只是這種轉換概念要考慮到地基土和基礎的共同作用，同時，剪力墻（肢）下布樁不受使用功能的限制，可能兩樁之間的剪力墻（肢）具有連續(xù)性等特殊情況。

轉換梁主要承受豎向荷載，轉換梁的受力特征主要表現(xiàn)為在豎向荷載作用下的受力規(guī)律。可采用SATWE或底層框架程序對轉換層的計算，用其它方法（如人工）復核。在模型輸入過程中，把大直徑樁以框支柱的形式輸入，然后輸入框支梁以及上部剪力墻結構。當兩樁之間的剪力墻（肢）具有連續(xù)性時，輸入的框支梁至少按一層樓高的深梁輸入，并按深梁的構造要求配置鋼筋。因轉換層在地下，計算時可不考慮抗震作用。

在這里把樁當做框支柱來考慮，實際上樁本身的受力特征是有別于框支柱的，框支柱主要是承擔上部框支梁傳來的豎向荷載、水平風荷載與地震作用，側向沒有約束，因此，要求其側向剛度較大。而樁在承受轉換梁傳來的上部荷載外，同時受到土的水平約束而其側摩阻力將發(fā)揮作用。大直徑樁的土層水平側阻力來自樁土間土層的剪切錯動時產生的剪切力，而決定剪切力大小的水平有效應力與土層的有效壓力（樁側土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m）成非線性關系，但當大直徑樁的樁頂水平位移在變形的某一范圍（研究表明是在3~8mm）內時[4]，樁側水平摩阻力是隨樁頂位移的增大而增大，當超出這一范圍時，樁頂水平位移繼續(xù)增大則樁側水平摩阻力卻會減小。因此，當設有地下室或當樁周地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m（樁周地基土承載力）較大時，大直徑樁基轉換層可視為水平嵌固的計算模型。

要控制樁頂水平位移，除要求樁側土剛度外，還要求樁及轉換梁都要具有一定的剛度。一般情況，剪力墻（肢）下大直經灌注樁的直徑（含護壁）均大于1米，截面剛度I都較大。但計算模型中樁的計算長度取值直接影響其線剛度。根據(jù)規(guī)范[1]條文說明軸向受壓樁，其受壓承載力主要受縱向主筋、箍筋及成樁工藝系數(shù)影響，樁周受土的約束，側阻力使軸向荷載隨深度遞減，箍筋起水平抗剪作用且使側向約束增強。有關文獻[1][2][5]規(guī)定在樁頂3~5d（d為樁徑）或1.0~1.5米范圍內螺旋箍加密。因此，樁的計算長度取值建議：當有地下室時取1.0m左右，無地下室時取1.5m左右為宜。

在樁基轉換層的設計中，除考慮樁土共同作用外，還應考慮轉換梁與剪力墻（肢）組成壁式框架梁和樁節(jié)點的剛域作用、上部結構起拱效應的卸載作用、滿跨剪力墻的深梁作用等。當室內地坪至轉換梁頂還有地下空間時，可將該無剪力墻（肢）部分，用剪力墻連通，這可增大起拱效應的卸載作用，同時增大轉換梁的剛度，減少轉換梁的配筋。根據(jù)筆者多年的設計研究經驗：上部結構起拱效應的卸載作用可達上部荷載的15%~20%。滿跨剪力墻按一層高（3~4m）的深梁設計，其地梁僅需滿足承擔一層剪力墻自重及施工荷載和構造要求，樓面處的梁按臥梁構造設置；考慮轉換梁與剪力墻（肢）組成壁式框架梁的剛域作用可減少轉換梁跨度。轉換梁的剛域長度為：

lb=hc/2-hb/4（1）

式中：hc為剪力墻（肢）邊到樁中心線的距離，hb為轉換梁的截面高。

對于普通的樁基承臺，當?shù)亓号c承臺連接，則承臺與樁之間的連接一般按鉸接考慮，通過承臺，地梁傳至樁的彎矩大約為節(jié)點處彎矩的20%，其余彎矩須由承臺和地梁消耗。當采用轉換梁形式時，如果樁與轉換梁之間采用樁頂與梁頂平齊，樁頂與梁頂?shù)匿摻铄^固按屋面框架梁的錨固方式，并要求樁的線剛度是轉換梁線剛度的3~5倍左右時，可考慮按半剛接選取計算模型。并在樁頂上設置雙向轉換（地）梁來抵抗樁頂彎矩，這樣，按剛度分配的計算結果來配置轉換梁及樁頂部分的配筋，既減小了對轉換梁的剛度要求，又減小了對樁頂部分的配筋量。

在不考慮地基土的作用時，轉換梁與上部墻體是作為一個整體共同作用變形，轉換梁處于這個整體彎曲變形的受拉翼緣區(qū)域，轉換梁會出現(xiàn)軸向拉力；由于轉換梁與上部剪力墻（肢）形成拱的傳力作用，上部的豎向荷載傳到轉換梁時，很大一部分荷載以斜向荷載的形式通過轉換梁作用于樁支座，則形成了在轉換梁跨中一定區(qū)域內承受軸向拉力，而在支座區(qū)域內承受軸向壓力的現(xiàn)象。因此，轉換梁的最終受力狀態(tài)是由于上述兩種因素綜合影響的結果，故在轉換梁的配筋構造中上、下部縱向鋼筋應盡可能連通。

轉換梁的截面尺寸一般由剪壓比控制，其承載力一般由剪力墻（肢）邊的斜截面（受剪承載力）控制。因此，在轉換梁范圍內配置足夠數(shù)量的箍筋、在剪力墻（肢）邊的截面內設附加橫向鋼筋對于控制斜裂縫都是非常重要的。當轉換梁跨度較大時，撓度、裂縫也是控制轉換梁的重要因素，這就要求轉換梁具有足夠的強度和剛度。對于基礎轉換梁承托上部剪力墻（肢），考慮地基土的彈性地基梁作用，則梁上部及下部應均勻布置足夠數(shù)量的縱向鋼筋，這與上述轉換梁受力分析的配筋要求一致；同時由于有些墻肢與轉換梁形成偏心，在增大箍筋的同時還要在梁側面設置足夠的抗扭筋或縱向構造鋼筋[5]。

3 結束語

在剪力墻（肢）下布置大直徑灌注樁，當部分為墻下單樁時，在保證計算樁長內配置足夠的縱筋及箍筋并具有一定的剛度情況下，本文對轉換層的計算模型，轉換梁的受力狀態(tài)及配筋要求進行了詳盡分析和探討，認為：采用轉換梁的形式從力學分析的角度，傳力路線明確、清晰，當考慮剪力墻（肢）和樁的剛域及起拱效應等多種因素，經工程實例分析比較，當剪力墻（肢）的長度超出樁基較多時，采用轉換梁較承臺更為安全適用、經濟合理。

參考文獻

[1]建筑樁基技術規(guī)范（JGJ94-2008）中國建筑工業(yè)出版社2008

[2]大直徑擴底灌注樁技術規(guī)程（JGJ225-2010）中國建筑工業(yè)出版社2010

[3]徐培福復雜高層建筑結構設計中國建筑工業(yè)出版社2005

[4]建筑地基基礎設計方法及實例分析中國建筑工業(yè)出版社2008

[5]全國民用建筑工程設計技術措施（2009）結構（地基與基礎）中國計劃出版社2010

[6]高層建筑混凝土結構技術規(guī)程（JGJ3-2010）中國建筑工業(yè)出版社2010