某填方區框架結構設計要點淺析

楊宗宇 柴 健

(1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082； 2.北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037)

0 引言

本工程位于寧夏回族自治區銀川市，建設場地自然地面較設計點低約6 m～7 m，需要對整個廠區地基進行強夯處理。然后在建筑位置重新開挖至持力層。待基礎施工完畢之后，重新回填，分層壓實。由于基礎及地下柱施工完成后，回填較困難，容易造成地面不均勻沉降。另外本工程大部分建筑較一般工程埋深較大，首層柱計算長度較高。計算模型取地下室層數為0或者取地下室層數為1，以及嵌固部位的選取對結構計算結果影響很大。本文以本工程A樓為例，通過地基基礎設計及上部結構分析，選取合適的地基與結構設計方案，減少地基沉降，保證結構安全。對于同類場地條件下建筑基礎的合理選型及上部框架結構的計算，具有一定的參考意義。

1 結構概況

根據地勘報告，本場地抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第二組，基本地震動加速度反應譜特征周期為0.40 s。本場區各巖土層整體穩定性較好，除表層人工填土及①-2層粉質黏土(含結晶鹽)質隨環境及時間變化力學性能變化較大外(設計對該層應謹慎使用)，其他土層作為持力層承載力較好。部分建筑建議持力層局部存在粉土粉砂互層或粉質黏土夾層。本工程A樓單體為地上3層，結構類型為框架結構，現澆鋼筋混凝土樓蓋，無地下室。抗震設防類別為丙類，建筑結構抗震等級為二級。A樓平面軸線尺寸為24.05 m×52.5 m，縱向為4柱3跨，橫向為8柱7跨，最大跨度為7.5 m。首層平面布置圖如圖1所示。

2 地基基礎

2.1 防腐蝕設計

根據水、水腐蝕性評價結果，本場區地下水、土對建筑材料腐蝕性較強。根據《工業建筑防腐蝕設計標準》[1]，本工程原設計基礎墊層為C20瀝青混凝土，實際施工中發現瀝青凝固較快，只能通過專用機械運輸至基底。本工程基坑深度超過6 m，專用瀝青運輸車輛行動不便，瀝青鋪設困難，施工極為不便。而且瀝青需要通過施工機械壓實，對已經完成的基底擾動較大。因此根據規范[1]，并結合現場實際情況，可采用C20摻加抗硫酸鹽阻銹防腐劑的混凝土。基礎外側與水土接觸部位采用環氧瀝青涂層，厚度不小于500 μm。

另外，參考規范[2]8.1.15條規定，強腐蝕環境下，基礎設計時需驗算裂縫。根據規范[3]，基礎裂縫控制寬度可取0.3 mm，裂縫計算時混凝土的保護層厚度取30 mm。

2.2 基礎設計

A樓基礎底標高為-6.3 m，±0.000對應的絕對標高為1 066.600 m。根據詳勘，以2層～3層為基礎持力層，局部進行換填處理，采用級配砂石回填，地基承載力特征值為fak=170 kPa。采用獨立基礎。由于基礎埋深較大，為防止室內地面沉降，基礎施工完畢后，地面以下800 mm厚度內回填級配碎石，800 m以下采用素土分層壓實回填，回填土壓實系數不小于0.96。回填完畢后方可進行上部結構施工。

3 結構計算

采用YJK系列結構計算軟件YJKS2.0.0版進行計算。

3.1 首層是否設置為地下室

本工程基礎埋深較大，首層層高如圖2所示，若按照無地下室計算，會造成首層層高較大，進而導致整個建筑的實際高度增加。下面對兩種計算方法的結果進行對比分析。

按1層地下室計算，根據計算結果，首層的Ratx和Raty為1.0，均大于0.5時，嵌固端只能取在基礎頂。經過計算，首層中間框架柱截面取500×500，邊跨框架柱取600×600，角柱取600×750，滿足計算要求。

按地下室取0計算，嵌固端在基礎頂。經過計算，首層中間框架柱截面取600×750，邊跨框架柱取600×800，角柱取800×1 000，滿足計算要求。

比較兩個模型計算結果(見表1)。有地下室及無地下室的建筑物整體剛度存在差異，無地下室計算模型的自振周期變大。根據地震系數影響曲線[4](見圖3)，兩種情況下，結構的自振周期均位于Tg～5Tg曲線下降段，隨著周期的增大，地震力隨之降低。實際計算的地震力也與該結論符合。

表1 有無地下室計算模型結果對比

圖4～圖7所示為兩種計算模型下的樓層剪力，如比較兩種情況下底部剪力，按地下室為1的結果為5 874 kN，按地下室層數為0結果為5 791 kN。實際上0.000 m以下部分與土體直接接觸，地震波通過介質(土)已經傳播出去。按有地下室計算時的地震剪力不小于按無地下室模型計算的地震剪力，計算按地下室層數為1輸入認為合理可行。

而且通過對比工程量及斷面配筋，按地下室為1層計算，能夠顯著降低工程造價。

3.2 基礎埋深較大時框架結構的計算

埋深較大時，地下柱的彎曲變形主要集中在土體以下一定深度內。因此嵌固端不能取在地面層。本工程計算基礎嵌固部位取在基礎底，按地下室計算時，YJK軟件并不能模擬周邊土體對柱側的剛度貢獻，這樣會造成結果又偏于保守，并造成某些計算指標不滿足規范的情況發生。本工程計算結果顯示，地下室所在層受剪承載力之比為0.63，不滿足規范[4]中3.4.4-2-3條，但是規范中尚不明確該條是否適用于地下室層。為保證結構安全，針對該情況下，對結構做如下處理：1)在地面層設置地梁及剛性地坪。本工程剛性地坪做法為：200 mm厚C20混凝土，內配8@150×150雙向鋼筋網。2)計算時應保證地梁層以下的框架柱配筋按不低于地面層以上的配筋的1.1倍設置。3)地下部分與土直接接觸，土體對于地震波擴散及對框架柱的約束情況實際存在，可以考慮回填土對地下柱側向剛度的貢獻。本文參考文獻[5]取剛度放大系數3倍～5倍，現考慮按增大柱截面方法增加柱側向剛度3倍。通過等代剛度EI，增大剛度后的截面為1.4a×1.4b(a,b分別為原柱截面長寬尺寸)。通過重新計算整體指標，得到地下室層受剪承載力比為0.75，能夠滿足規范要求。

4 結語

通過對強腐蝕地區深埋無地下室框架結構的計算對比分析，得出幾點合理化建議，實際工程計算時可按照圖8實施。

1)地基土對鋼筋混凝土結構有強腐蝕性時，采用瀝青混凝土墊層施工不便，應采用摻加抗硫酸鹽阻銹防腐劑的混凝土。為防止沉降，地面以下2 m范圍內應采用級配砂石回填壓實。

2)基礎埋深較大時的無地下室框架結構，結構計算可按照帶一層地下室框架結構計算。前提為帶地下室模型計算時，首層地震剪力不小于按無地下室計算時的地震剪力。

3)基礎埋深較大時的無地下室框架結構，嵌固端可取在基礎頂，計算整體指標時，應考慮回填土對地下柱側向剛度的貢獻，并通過等效剛度的處理方式，增大地下柱的截面，核算整體指標。