變剛度調(diào)平原理

1、高層建筑有相當比例的上部結(jié)構(gòu)為剛度相對較弱、荷載不均的框剪、框筒結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)采用樁筏、樁箱基礎(chǔ)，建成后其沉降呈蝶形分布，樁頂反力呈馬鞍形分布。這些工程的基礎(chǔ)設(shè)計多數(shù)沿用傳統(tǒng)理念，采用均勻布樁與厚筏（或箱形承臺）。這種傳統(tǒng)理念可以概括為四點：1、基樁的總承載力不小于總荷載，樁群形心與荷載重心重合或接近；即滿足力和力矩的平衡。2、樁的布置大體均勻，有的還主張在角部和邊部適當加密；因為實測樁頂反力角部最大，邊部次之，中部最??；3、沉降量和整體傾斜滿足規(guī)范要求；4、筏板厚度在滿足抗沖切的前提下隨建筑物層數(shù)和高度成正比增大，厚度達3-4m者鮮見，或為增加剛度而采用箱形承臺；常規(guī)設(shè)計計算方法只考慮靜力平衡

2、條件，而沒有考慮上部結(jié)構(gòu)、筏板、樁土的共同作用。而實際情況中，群樁效應(yīng)將導致樁的支承剛度由外向內(nèi)遞減；對于框剪、框筒結(jié)構(gòu)，荷載集度是內(nèi)大外小，而其上部結(jié)構(gòu)的剛度對變形的制約能力相對較弱。若采用傳統(tǒng)設(shè)計方法，則碟形差異沉降較明顯，易引起開裂，影響正常使用的要求。而采用變剛度調(diào)平設(shè)計理論調(diào)整樁基布置，使得基底反力分布模式與上部結(jié)構(gòu)的荷載分布一致，可減小筏板內(nèi)力，實現(xiàn)差異沉降、承臺(基礎(chǔ))內(nèi)力和資源消耗的最小化。 二、傳統(tǒng)設(shè)計理念的盲區(qū)傳統(tǒng)設(shè)計理念的盲區(qū)歸納起來有以下四個方面：1、設(shè)計中過分追求高層建筑基礎(chǔ)利用天然地基將箱基或厚筏應(yīng)用于荷載與結(jié)構(gòu)剛度極度不均的超高層框筒結(jié)構(gòu)天然地基，由此導

3、致基礎(chǔ)的整體彎矩和撓曲變形過大，差異變形超標，甚至出現(xiàn)基礎(chǔ)開裂。2、樁筏基礎(chǔ)中，忽視樁的選型應(yīng)與結(jié)構(gòu)形式、荷載大小相匹配的原則將小承載力擠土樁用于大荷載高層建筑的情況，由此導致超規(guī)范密布大面積擠土樁，既不能有效減小差異沉降和承臺內(nèi)力，又極易引發(fā)成樁質(zhì)量事故。3、樁筏基礎(chǔ)中，忽視合理利用復合樁基調(diào)整剛度分布、減小差異沉降的作用由于荷載分布不均，布樁必然稀密不一，承臺分擔荷載作用在疏樁區(qū)不予利用，必然導致該部分支承剛度偏高，既不利于調(diào)平，又不利于節(jié)材。4、樁筏設(shè)計中，對利用筏板剛度“調(diào)整荷載、樁反力分布及減小差異沉降”的期望值過高筏板對調(diào)整荷載和樁反力、減小差異沉降可起到一定作用，但這是以高投入為

4、代價，且效果不理想。三、基本概念住宅建筑多采用剪力墻結(jié)構(gòu)；辦公樓等公共高層建筑主要采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，部分采用框架-剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)、框支剪力墻結(jié)構(gòu)。這兩大類結(jié)構(gòu)體系的力學特性有很大差別。第二類結(jié)構(gòu)的整體剛度差，剛度與荷載分布不均，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)相互作用特性更復雜。就設(shè)計而言，第二類更復雜，工程實際中由于設(shè)計不當而引發(fā)的問題更多。 建筑樁基技術(shù)規(guī)范JGJ94-2008提出變剛度調(diào)平設(shè)計理念，其基本思路是：考慮地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用，對影響沉降變形場的主導因素樁土支承剛度分布實施調(diào)整，“抑強補弱”，促使沉降趨向均勻。具體包括：1、高層建筑內(nèi)部的變剛度調(diào)平；2、主裙房間

5、的變剛度調(diào)平。對于前者，主導原則是強化中央，弱化外圍。對于荷載集中、相互影響大的核心區(qū)，實施增大樁長（當有兩個以上相對堅硬持力層時）或調(diào)整樁徑、樁距；對于外圍區(qū)，實施少布樁、布較短樁，發(fā)揮承臺承載作用。對于主裙房間的變剛度調(diào)平，主導原則是強化主體，弱化裙房。裙房采用天然地基時首選方案，必要時采取增沉措施。當主裙房差異沉降小于規(guī)范容許值，不必設(shè)沉降縫，連后澆帶也可取消。最終達到筏板上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載與樁土反力不僅整體平衡，而且實現(xiàn)局部平衡。由此，最大限度地減小筏板內(nèi)力，使其厚度減薄變?yōu)槿嵝员“濉?#160;調(diào)平設(shè)計過程就是調(diào)整布樁，進行共同作用迭代計算的過程。變剛度調(diào)平設(shè)計的標準定義是：通過調(diào)整

6、基樁的豎向支承剛度分布，使樁基沉降趨于均勻，基礎(chǔ)或承臺內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力顯著降低的設(shè)計方法。 四、變剛度調(diào)平的基本原理高層建筑地基(樁土)作為上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基(樁土)體系中的組成部分，其沉降受三者共同的制約。共同作用的總體平衡方程為：    要使沉降趨于均勻，唯有依靠調(diào)整樁土支承剛度Ks(p,s)，使之與荷載分布和相互作用效應(yīng)相匹配。這也是優(yōu)化高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計、減少乃至消除差異沉降的有效、可行而又經(jīng)濟的途徑。        五、影響差異沉降的因素 

7、;   1、荷載大小及分布   （1）對相同地質(zhì)、基礎(chǔ)尺寸和埋深條件，沉降量隨荷載增大而增加，差異沉降隨之增大。對高層建筑而言，其差異沉降問題較多層建筑更為突出。   （2）荷載分布的不均，導致沉降分布不均；而且往往成為差異沉降的主因。   （3）荷載分布特征，與高層建筑主體的結(jié)構(gòu)形式及建筑體型有關(guān)，而且這兩者是決定荷載分布的主要因素。體型變化包含：建筑主體的體型，主體與裙房相連形成主裙連體體型；而主裙連體是荷載差異最大的建筑體型。   

8、0;2、上部結(jié)構(gòu)剛度    上部結(jié)構(gòu)剛度主要指結(jié)構(gòu)的整體剛度，最制約差異沉降起到一定的作用，也就是所謂對基礎(chǔ)剛度的貢獻。    （1）落地剪力墻體系（簡稱剪力墻結(jié)構(gòu)）由于其剛度大且分布均勻連續(xù)，對基礎(chǔ)剛度的貢獻最大；    （2）框架-核心筒（簡稱框筒）體系，雖然核心筒的剛度很大，但外圍框架的剛度相對較小，因而對制約基礎(chǔ)內(nèi)外差異變形的剛度貢獻不大。    （3）筒中筒結(jié)構(gòu)體系，其外筒為密集框架（間距不大于4m）構(gòu)成，主要目的在于增強結(jié)構(gòu)

9、的抗側(cè)力性能，對基礎(chǔ)的剛度貢獻略大于框筒結(jié)構(gòu)。    3、地基、樁基條件    對于天然地基上筏板基礎(chǔ)，地基的均勻性是制約差異沉降的關(guān)鍵因素，地基土的壓縮性是影響沉降量和差異沉降的主要因素。天然地基承載力滿足建筑物荷載要求，但沉降變形不見得滿足，因而在這種情況下，變形控制分析十分重要。    樁基是高層建筑的主要基礎(chǔ)形式，然而不是樁基就能圓滿解決差異沉降問題?！镜珮妒钦{(diào)整支承剛度分布的、靈活有效的豎向支承體，因此變剛度調(diào)平設(shè)計是樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計的核心內(nèi)容】  

10、;  4、相互作用效應(yīng)    承臺-樁-土的相互作用效應(yīng)導致：    （1）均布荷載下樁、土反力分布呈內(nèi)小外大的馬鞍形分布；    （2）基礎(chǔ)應(yīng)力場隨面積增大而加深；    （3）群樁沉降隨樁距減小和樁數(shù)增加而增大；    （4）基礎(chǔ)或承臺的沉降呈中部大外圍小的蝶形分布；    （5）相鄰基礎(chǔ)因相互影響而傾斜；  &#

11、160; （6）核心筒不僅因荷載集度高而且受外圍框架區(qū)應(yīng)力場的相互影響而導致沉降加大；    等等。     六、變剛度調(diào)平設(shè)計原則    總體思路：    以調(diào)整“樁土支承剛度分布”為主線，根據(jù)荷載、地質(zhì)特征和上部結(jié)構(gòu)布局，考慮相互作用影響，采取增強與弱化結(jié)合，減沉與增沉結(jié)合，剛?cè)岵?，局部平衡，整體協(xié)調(diào)，實現(xiàn)差異沉降、承臺（基礎(chǔ)）內(nèi)力和資源消耗的最小化。    1、調(diào)整樁土

12、支承剛度，使之與荷載匹配· 根據(jù)建筑物體型、結(jié)構(gòu)、荷載及地質(zhì)條件，選擇樁基、復合樁基、剛性樁復合地基，合理布局，調(diào)整樁土支承剛度，使之與荷載匹配。· 對于荷載分布極度不均的框筒結(jié)構(gòu)，核心筒區(qū)宜采用常規(guī)樁基，外框架區(qū)宜采用復合樁基；· 對于中低壓縮性地基，高度不超過60m的框筒結(jié)構(gòu)，高度不超過100m的剪力墻結(jié)構(gòu)，可采用剛性樁復合地基或核心筒區(qū)局部剛性樁復合地基；· 通過變化樁長、樁距調(diào)整剛度分布。    2、減小各區(qū)位應(yīng)力場影響    為減小各區(qū)位應(yīng)力場的相互重疊對核心區(qū)有效

13、剛度的削弱，樁土支承體布局宜做到豎向錯位或水平向拉開。采取長短樁結(jié)合、樁基與復合樁基結(jié)合、復合地基與天然地基結(jié)合以減小相互影響，優(yōu)化剛度分布。    3、考慮樁土相互作用影響，采取強化指數(shù)    考慮樁土的相互作用效應(yīng)，支承剛度的調(diào)整宜采用強化指數(shù)進行控制。    （1）核心區(qū)強化指數(shù)宜為1.051.30；外框為二排柱者應(yīng)大于一排柱，滿堂布樁者應(yīng)大于柱下和筒下布樁，內(nèi)外樁長相同者應(yīng)大于樁長不同、樁底豎向錯位、水平間距較大的布局。    

14、（2）外框區(qū)的弱化指數(shù)宜為0.950.85；外框區(qū)的弱化指數(shù)根據(jù)核心區(qū)強化指數(shù)越大，相應(yīng)的弱化指數(shù)越小的關(guān)系確定。在全筏總承載力特征值與總荷載標準值平衡的條件下，控制核心區(qū)強化指數(shù)，外框區(qū)的弱化指數(shù)隨之實現(xiàn)。    核心區(qū)強化指數(shù) ：為核心區(qū)【抗力比 】與【荷載比 】之比： R核心區(qū)抗力比Rak-c核心區(qū)的承載力特征值；核心區(qū)指：核心筒及核心筒邊至相鄰框架柱跨距的1/2范圍Rak全筏基的承載力特征值； F荷載比Fk-c核心區(qū)荷載標準值；Fk全筏荷載標準值；    4、主裙連體設(shè)計原則 

15、   對主裙連體建筑，應(yīng)按增強主體、弱化裙房的原則設(shè)計，裙房宜優(yōu)先采用天然地基、疏短樁基；對于較堅硬地基，可采用改變基礎(chǔ)形式加大基底壓力、設(shè)置軟墊等增沉措施。    5、基樁選型和樁端持力層的確定    樁基的基樁選型和樁端持力層確定，應(yīng)有利于應(yīng)用后注漿增強技術(shù)，應(yīng)確保單樁承載力具有較大的調(diào)整空間。    基樁宜集中布置于柱、墻下，以降低承臺內(nèi)力，最大限度發(fā)揮承臺底地基土分擔荷載作用，減小柱下樁基與核心筒樁基的相互作用。  &

16、#160; 6、共同作用分析    宜在概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)（承臺）-樁土的共同作用分析，優(yōu)化細化設(shè)計；差異沉降控制宜嚴于規(guī)范值，以提高耐久性可靠度，延長建筑物正常使用壽命。     七、樁基變剛度設(shè)計細則    1、框筒結(jié)構(gòu)    （1）核心筒和外框柱的基樁宜按集團式布置于核心筒和柱下，以減小承臺內(nèi)力和減小各部分的相互影響。    荷載高集度區(qū)得核心筒，樁數(shù)多

17、，樁距小，不考慮承臺分擔荷載效應(yīng)。    對于非軟土地基，外框區(qū)應(yīng)按復合樁基設(shè)計，既充分發(fā)揮承臺分擔荷載效應(yīng)，減少用樁量，又可降低內(nèi)外差異沉降。當存在2個以上樁端持力層時，宜加大核心筒樁長，減小外框區(qū)樁長，形成內(nèi)外樁基應(yīng)力場豎向錯位，以減小相互影響，降低差異沉降。    （2）以樁筏總承載力特征值與總荷載效應(yīng)標準組合值平衡為前提，強化核心區(qū)，弱化外框區(qū)。    核心區(qū)強化指數(shù)：    對于核心區(qū)與外框區(qū)樁端平面豎向錯位或外框區(qū)柱下樁數(shù)不

18、超過5根時，宜取1.051.15，外框架為一排柱取低值，二排柱取高值；    對于樁端平面處在同一標高且柱下樁數(shù)超過5根時，核心區(qū)強化指數(shù)宜取1.21.3，一排柱取低值。    外框區(qū)弱化指數(shù)根據(jù)核心區(qū)強化指數(shù)越高、弱化指數(shù)越低的關(guān)系確定；或按總承載力特征值與總荷載標準值平衡，由單獨控制核心區(qū)強化指數(shù)，使外框區(qū)相應(yīng)弱化。    （3）對于框剪、框支剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)形式，可參照框筒結(jié)構(gòu)變剛度調(diào)平原則布樁。對荷載集度高的電梯井、樓梯間予以強化，其強化指數(shù)按其荷載分布特征確定。&

19、#160;   2、剪力墻結(jié)構(gòu)    剪力墻結(jié)構(gòu)不僅整體剛度好，且荷載由墻體傳遞于基礎(chǔ)，分布較均勻。對于荷載集度較高的電梯井和樓梯間應(yīng)強化布樁?；鶚兑瞬贾迷趬ο拢瑢τ趬w交叉、轉(zhuǎn)角處應(yīng)予以布樁。當單樁承載力較小，按滿堂布樁時，應(yīng)適當強化內(nèi)部、弱化外圍。    3、樁基承臺設(shè)計    由于按前述變剛度調(diào)平原則優(yōu)化布樁，各分區(qū)自身實現(xiàn)抗力與荷載平衡，促使承臺所受沖切力、剪切力和整體彎矩降至最小，因而承臺厚度可相應(yīng)減小?！景磦鹘y(tǒng)設(shè)計理念，樁筏基礎(chǔ)的筏式

20、承臺往往采用與天然地基相同要求確定其最小板厚、梁高等】    對變剛度調(diào)平設(shè)計的承臺，應(yīng)按計算結(jié)果確定截面和配筋。    最小板厚和梁高：    （1）對于柱下梁板式承臺，梁的高跨比和平板式承臺板的厚跨比，宜取1/8（相當于天然地基最小板厚1/6的3/4）；    （2）梁板式筏式承臺的板厚與最大雙向板格短邊凈跨之比，不宜小于1/16，且不小于400mm；    （3）對于墻下平板式承臺，厚跨比不宜小于1/20，且厚度不小于400mm。    （4）筏板最小配筋率應(yīng)符合規(guī)范要求。    筏形承臺的選型：    （1）對于框筒結(jié)構(gòu)，核心筒和柱下集團式