上海中心超高層建筑基礎設計與分析

一、工程概況1、技術經(jīng)濟指標z

建筑總高度：632mz

結構高度：583.4mz

高寬比：7.0z

樓層：122層z

用地面積：30370m2z

地上建筑面積：38萬m2z

地下建筑面積：16萬m2z

容積率：12.51TJAD陸家嘴三幢超高層立面對比功能上海中心超高層建筑基礎設計與分析主要內容1結構概況2地質條件3軟弱地基超高層建筑基礎設計的分析與對策3.1

后注漿鉆孔灌注樁3.2

變剛度調平設計3.3

共同作用分析方法—變基床系數(shù)迭代法3.4

筏板內力分析—考慮上部結構剛度影響3.5

施工全過程分析3.6

收縮徐變對筏板內力的影響3.7

基礎沉降分析1

結構概況上海中心大廈由122層塔樓和5層商業(yè)裙房組成，塔樓結構高度583m，建筑頂高度632m。整個場地下設5層地下室，基礎埋深約為30m。上部結構采用核心筒-巨型框架結構，地下部分在核心筒和巨型框架之間有翼墻連接。基礎采用樁筏基礎，塔樓下筏板厚度6米，樁總數(shù)955根，樁徑1m，采用變剛度調平法布樁。根據(jù)布樁方式不同，整個塔樓筏板可分為四個區(qū)域：A、C區(qū)采用梅花布樁，B、D區(qū)采用矩形布樁；A區(qū)有效樁長56米，B、C、D區(qū)有效樁長52米（見下圖）。2

地質條件建筑場地位于上海市浦東新區(qū)，場地各土層的物理力學參數(shù)見表1。基礎底面樁底基坑開挖深度已進入第6層粉質粘土，局部集水井位置進入7-1層砂質粉土夾粉砂層?；鶐r陸家嘴地區(qū)基巖的深度達約240米如何在深軟的地基中安全經(jīng)濟的實施基礎設計？3.1

后注漿鉆孔灌注樁3軟弱地基超高層建筑基礎設計的分析與對策3.1.1

上海中心試樁分析上海中心現(xiàn)場試驗共有試樁4根，錨樁9根，具體試樁數(shù)據(jù)參見表2。單樁豎向抗壓靜載荷試驗采用錨樁法，慢速維持荷載法進行，并在鋼筋籠主筋上鋪設應變計獲得抗壓靜載荷試驗時各土層的應變數(shù)據(jù)。3.1

后注漿鉆孔灌注樁PA01，PA02均進行樁端樁側聯(lián)合注漿。每根樁設置4道注漿斷面，標高分別為-34.0m，-44.0m，-54.0m，-64.0m。PB01為僅樁端注漿，PC01表示常規(guī)灌注樁，PC02在PC01靜載試驗后進行樁端后注漿的樁。3.1

后注漿鉆孔灌注樁1）樁極限承載力分析根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以得到各樁的荷載—位移曲線(圖1)，并依此得到各樁的極限承載力。通過樁身的應變計可以測得樁身的應變值(假定鋼筋與混凝土變形一致)，并結合土工參數(shù)進而求得樁身的軸力、樁側摩阻力和樁端摩阻力。最終結果匯總于表3。3.1

后注漿鉆孔灌注樁由結果可以看出，未注漿樁PC01在8

000kN時就達到其極限承載力，靜載試驗還顯示繼續(xù)加荷導致其樁端沉降急劇加大，發(fā)生樁端刺入型破壞。而其余四根注漿樁，樁身周圍土體的強度和剛度均得到一定程度的提高，其極限承載力較未注漿樁均提高2.25～2.89倍，且樁端沉降增加不大。3.1

后注漿鉆孔灌注樁2）樁端樁側聯(lián)合注漿與樁端注漿提高樁側摩阻力的比較在同樣的樁端注漿量和注漿壓力條件下，樁端樁側聯(lián)合注漿樁PA01和PA02的平均極限承載力與PB01相等，樁側注漿并未提高樁的承載能力。由表3看出，在超長鉆孔灌注樁中，同樣是樁端樁側聯(lián)合注漿的樁PA01和PA02，前者樁側摩阻力比后者約增大28％

?？梢钥闯觯瑯秱茸{土體對土層的摩阻力有增大作用，但注漿的好壞不易檢測，注漿后土層對樁承載力的作用機理仍不清楚，離散性較大。因此，在工程實踐中估算單樁極限承載力時，僅樁側注漿時應慎重考慮樁側摩阻力的增強系數(shù)。3.1

后注漿鉆孔灌注樁根據(jù)各樁靜載試驗得到各級荷載下的軸力數(shù)據(jù)，可以計算出各土層在加載過程中相應深度處的極限側摩阻力，不同深度處各種注漿方式的極限樁側摩阻力的比值如圖2所示。3.1

后注漿鉆孔灌注樁樁端樁側聯(lián)合注漿使得樁身50m以上部分的樁側摩阻力比僅樁端注漿提高10％

～20％

，但樁身下部分的樁側摩阻力比僅樁端注漿又稍有降低，因此樁端、樁側聯(lián)合注漿的PA的極限承載力平均值與樁端注漿的PB01相等。本次試驗中樁側注漿2.5

t，樁端注漿2.5t，而僅上部樁側摩阻力提高了10％

～20％

，因此總的來說，樁側樁端聯(lián)合注漿比僅樁端注漿單樁承載力有所提高，但提高幅度不大，而沉降值相對較小。因此上海中的樁基最終選擇采用僅樁端注漿方式。實際現(xiàn)場情況樁端注漿能返上地面，因此有足夠的注漿量才是承載力提高的保證。常規(guī)注漿量為：3~5倍樁徑。3.2

變剛度調平設計3.2.1

變剛度調平設計方法天然地基和均勻布樁的初始豎向支承剛度是均勻分布的，設置于其上的剛度有限的筏板受均布荷載作用時，由于樁土的相互作用導致地基或樁群的豎向支撐剛度分布發(fā)生內弱外強的變化，沉降變形出現(xiàn)內大外小的碟形分布，基底反力出現(xiàn)內小外大的馬鞍形分布。為了使變形沉降更趨于平緩，通過調整地基或基樁的豎向支承剛度分布，如調整樁徑、樁長、樁距，促使差異沉降減到最小，基礎或承臺內力顯著降低。均勻布樁變剛度布樁沉降及反力分布沉降及反力分布3.2

變剛度調平設計廣義的基礎變剛度調平包括樁及承臺（筏或箱）的調平，而超高層建筑主要采用樁基礎，因此，對于超高層建筑，基礎變剛度調平的重點在于樁基的調平。對于超高層建筑的樁基剛度調平，可有以下方法：1）根據(jù)荷載密度的差異變樁長。顯然，一般情況下，長樁具有較好的剛度，在荷載大的地方一般會發(fā)生較大的變形（沉降），因此，采用剛度較大的長樁；而在荷載較小的地方變形也較小，采用剛度較小的短樁，達到基礎變剛度調平的目的，見圖

(a)。2）根據(jù)基礎變形的差異改變樁的分布。在變形大的地方增加樁數(shù)，通過減小樁頂荷載以減少變形，或在變形小的地方減少樁數(shù)，通過增加樁頂荷載以增大變形，達到基礎剛度調平目的，見圖(b)。3）改變樁的直徑。大直徑樁具有更大的剛度，在變形大的地方，采用更大直徑具有較大剛度的樁以減少變形，在變形小的地方，采用較小直徑的樁適當增大變形，達到基礎變剛度調平的目的，見圖(c)。4）以上三種方法的聯(lián)合應用?？梢耘缮龅谒姆N方法：變樁長變分布；變樁長變樁徑；變分布變樁徑；樁長、樁徑、分布同時變化。其目的仍然是達到基礎剛度調平，見圖(d)。3.2

變剛度調平設計(a)(c)(d)(b)理論計算及實測資料表明，以上幾種調平方式對樁基剛度的影響分別為：1）對樁基剛度影響最為顯著的是樁長，在一般情況下，樁長的增加會明顯地提高樁的剛度。2）增大樁徑對于提高單樁剛度效果次之，但其提高單樁承載力的效應要大于單樁剛度的提升，所以增大樁徑一般多用于提高單樁承載力，在采用空心管樁時，有時也采用變樁徑用于提高樁剛度，但對于實心樁（方樁或灌注樁），改變樁徑造價提高較多，較少用于變剛度設計。3）增大布樁密度對于樁剛度的提高有限，且會增加樁基造價，僅在避免增加樁型的情況下，進行局部調平，一般不提倡作為主要調平手段大量應用，僅僅作為輔助手段。3.2

變剛度調平設計3.2.2

上海中心實例分析上

海中心樁筏基礎通過改變樁長（52m/56m）和布樁方式（梅花布樁/矩形布樁）控制筏板中心和邊緣的計算差異沉降，分別對樁長52m等長和樁長52/56m變剛度設計進行了沉降計算對比，計算得到二者沉降等值線圖。3.2

變剛度調平設計樁長52m等長，未變剛度設計樁長52/56m，變剛度設計中心最大沉降135mm，巨柱沉降80mm中心最大沉降124mm，巨柱沉降

80mm3.2

變剛度調平設計從計算結果可以看出，采用變剛度設計，中心點的沉降可以減少約10mm，相當于減少了約20%的差異沉降，也就減少了底板由于差異沉降引起的彎矩值。從沉降計算的絕對值來看，最大沉降約為124mm，巨柱處沉降約80mm，沉降的絕對值和差異沉降控制在合理的范圍，但最終沉降值還有待于長期觀測來驗證。3.3

共同作用分析方法—變基床系數(shù)迭代法3.3.1

變基床系數(shù)迭代法1）采用有限單元法將上部結構、筏板基礎、樁土三者進行整體建模。其中上部結構采用殼單元和梁單元模擬，筏板基礎采用殼單元模擬，樁土采用三維實體單元模擬，共同作用基本方程如下：?

+

+

+

?{

}={

}k

k

k

k

U

P??urps3.3

共同作用分析方法—變基床系數(shù)迭代法2）在實際超高層建筑中，樁筏基礎一般布樁較密，可假定僅樁與筏板接觸，不考慮地基土與筏板作用。將樁對筏板的作用等效為作用在樁頂處的豎向點彈簧，這樣共同作用基本方程可表示為：{

}

{

}ps?

+

+

?k

k

k

U=P??ur3.3

共同作用分析方法—變基床系數(shù)迭代法3）樁對筏板的作用等效為作用在樁頂處的豎向點彈簧。豎向點彈簧剛度矩陣[Kps]采用變基床系數(shù)迭代法得到，方法如下：假定樁頂剛度（例如通過平均樁反力以及基礎計算沉降方法確定初始樁剛度，或者通過試樁方法確定樁剛度），并以此剛度作為常剛度形成樁土體系剛度矩陣[K0]。通過迭代方法，利用考慮樁相互影響的Mindlin-Geddes方法，求解得到樁頂反力和沉降變形值，并得到樁彈簧剛度矩[Kps]。PiSsiW上部結構荷載迭代至收斂收斂條件：|Kpi-Ksi|<=ee為控制精度考慮上部結構剛度的基礎底板樁考慮為有一定剛度的彈簧單元，剛度值為Kpi每根樁的反力為Pi,沉降量為Spi在樁頂力Pi的作用下群樁地基產生新的變形Ssi新的彈簧剛度：Ksi=Pi/Ssi變基床系數(shù)迭代法計算彈簧剛度3.3

共同作用分析方法—變基床系數(shù)迭代法3.3.2

上海中心實例分析上海中心有限元模型中，剪力墻、巨柱采用殼單元，普通梁柱采用梁單元，基礎采用厚殼單元，樁土體系采用豎向點彈簧單元。樁豎向點彈簧迭代時，剛度值迭代收斂判別指標如下式：n∑1

0

0(

k

?

k

)

2lip

iε

=i

=1n∑klii

=1共同作用整體有限元模型3.3

共同作用分析方法—變基床系數(shù)迭代法樁土體系彈簧初始剛度取值假定為常剛度50kN/mm，迭代過程中得到彈簧剛ε度的最大值、最小值和

（見下表）。初始

第一次迭

第二次迭

第十次迭

第二十次第二十九次迭代第三十次迭代值Max

50Min

50ε代代代迭代134.025.884.290.2110.131.4143.6144.023.056.150.822.90.816%0.257%0.150%0.083%0.047%0.045%3.3

共同作用分析方法—變基床系數(shù)迭代法彈簧剛度迭代過程3.3

共同作用分析方法—變基床系數(shù)迭代法迭代最終彈簧剛度分布圖（kN/mm）3.3

共同作用分析方法—變基床系數(shù)迭代法上海中心彈簧剛度設計取值剛度確定的原則：?

較為準確的反算筏板沉降變形（預估沉降值90~130mm）?

靜載試驗數(shù)據(jù)剛度參考了以下數(shù)據(jù)：?

TT提供的剛度值?

同濟趙錫宏教授的迭代計算?

金茂大廈和環(huán)球金融中心數(shù)據(jù)3.4

筏板內力分析—考慮上部結構剛度影響3.4.1

上海中心實例分析1）上部結構樓層數(shù)對筏板內力的影響以上海中心為例，基礎剛度（此處筏板厚度為6m）、彈簧剛度保持不變的情況下，通過考慮不同樓層數(shù)目研究上部結構剛度對樁筏基礎筏板彎矩的影響。分別考慮以下工況進行分析比較：工況1：完全不考慮上部結構剛度；工況2：考慮一層地下室剛度；工況3：考慮兩層地下室剛度；工況4：考慮三層地下室剛度；工況5：考慮四層地下室剛度；工況6：考慮所有地下室剛度（共五層地下室）；工況7：考慮地下室及第一加強層以下所有樓層的剛度；工況8：考慮整體上部結構的剛度。來驗證。3.4

筏板內力分析—考慮不同上部結構剛度影響1-1截面x向彎矩（kN.m/m）3.4

筏板內力分析—考慮不同上部結構剛度影響2-2截面x向彎矩（kN.m/m）3.4

筏板內力分析—考慮不同上部結構剛度影響3-3截面x向彎矩（kN.m/m）3.4

筏板內力分析—考慮上部結構剛度影響結論上部結構剛度對筏板核心筒下區(qū)域的彎矩影響很大，而對巨柱和角柱區(qū)域的彎矩影響較小。完全不考慮上部結構剛度時，底板的剛度相對較小，造成整體彎曲很大，因此底板核心筒區(qū)域的彎矩很大。當考慮一層地下室剛度貢獻時，底板整體剛度增大，整體彎曲明顯減小，彎矩也相應減小。隨著上部結構剛度貢獻考慮的越來越多，底板核心筒區(qū)域下的彎矩逐漸減少，最后還可能出現(xiàn)負彎矩區(qū)域。但是上部結構剛度的貢獻在考慮第一層地下室時最為明顯，當考慮所有五層地下室剛度時，筏板彎矩已趨于穩(wěn)定，考慮再多的樓層對筏板彎矩已基本無影響。如工況8與工況6已基本無差異。由以上分析可見，上部結構剛度對筏板彎矩有較大程度的降低，但其影響又是有限的。實際工程設計中可適當減小板底抗彎鋼筋和增加板頂鋼筋。進行超高層建筑共同作用分析計算筏板彎矩時，考慮地下室剛度就可以滿足實際工程精度要求。3.4

筏板內力分析—考慮上部結構剛度影響2）地下室翼墻對筏板內力的影響將翼墻連梁全部斷開計算模型考慮5層地下室完整計算模型無翼墻計算模型3.4

筏板內力分析—考慮上部結構剛度影響2）1-1截面，2-2截面，3-3截面筏板彎矩-40000-2000002000040000knm無翼墻無壁柱knm翼墻無連梁6000080000knm完整100000120000-20000020000400006000080000100000120000knm無

翼

墻

無

壁

柱knm翼

墻

無

連

梁knm完

整-50000050000100000150000200000250000knm無

翼

墻

無

壁

柱knm翼

墻

無

連

梁knm完

整3.4

筏板內力分析—考慮上部結構剛度影響結論1）考慮翼墻作用，核心筒下彎矩減小約60%，巨柱下彎矩減小約30%。2）

翼墻連梁斷開，會使核心筒邊緣的彎矩增大約20%。對巨柱處彎矩影響較小。上海中心底板設計時考慮了翼墻的有利作用，但翼墻上的連梁封閉時間是在結構施工到一定樓層時進行的，因此連梁的剛度貢獻是相應進行了折減的。3.5

施工全過程分析3.5.1

施工分析原理超高層建筑從開始施工到最后完成并且投入使用需要經(jīng)歷一段較長的時間，其間結構的幾何形態(tài)、材料強度、結構剛度、荷載水平都是隨時間不斷變化。施工分析與一次性加載分析原理3.5

施工全過程分析3.5.2

上海中心實例分析施工受力全過程分析引入以下假定：1）結構各構件和材料均基于線彈性假定；2）每一個施工階段不考慮混凝土的齡期效應等時間因素；3）在整個施工過程中，樁土剛度為常數(shù)，不隨地基變形和荷載的增大而改變，采用變基床系數(shù)迭代法確定彈簧剛度。在考慮共同作用的基礎上對上部結構進行施工模擬，在計算中上部結構剛度分階段形成，荷載分階段施加，研究上部結構豎向施工過程對樁筏基礎的受力影響。3.5

施工全過程分析以上海中心為例，加載按十個階段，工況如下：工況1：施工分析最終結果；工況2：一次性加載；工況3：施工分析第一階段；工況4：施工分析第二階段；工況5：施工分析第三階段；工況6：施工分析第四階段；工況7：施工分析第五階段；工況8：施工分析第六階段；工況9：施工分析第七階段；工況10：施工分析第八階段；工況11：施工分析第九階段；工況12：施工分析第十階段；計算得到筏板基礎的施工全過程彎矩變化及一次性加載和施工加載筏板最終彎矩。3.5

施工全過程分析1-1、2-2、3-3截面的施工全過程彎矩變化及一次性加載和施工加載筏板彎矩的區(qū)別見下圖各個施工階段1-1截面x向彎矩（kN.m/m）3.5

施工全過程分析施工分析與一次性加載1-1截面x向彎矩（kN.m/m）3.5

施工全過程分析各個施工階段2-2截面x向彎矩（kN.m/m）3.5

施工全過程分析施工分析與一次性加載2-2截面x向彎矩（kN.m/m）3.5

施工全過程分析各個施工階段3-3截面x向彎矩（kN.m/m）3.5

施工全過程分析施工分析與一次性加載3-3截面x向彎矩（kN.m/m）3.5

施工全過程分析結論施工分析和一次性加載比較可發(fā)現(xiàn)，在上部結構隨著施工進度剛度變化較大的區(qū)域，施工分析和一次性加載的彎矩相差較大，而在上部結構剛度變化較小的區(qū)域，二者彎矩相差較小。在核心筒區(qū)域上部結構剛度隨施工進度變化較大，一次性加載的彎矩比施工分析的彎矩大；在巨柱區(qū)域上部結構剛度對施工進度變化較小，一次性加載彎矩與施工分析相差不大。對于此類采用芯筒-巨型框架結構的超高層建筑樁筏基礎，采用施工分析時，核心筒區(qū)域下筏板彎矩較一次性加載分析時要小50%左右；在施工的前期階段，筏板內部主要為負彎矩。因此筏板頂部應適量多配鋼筋以抵抗施工前期的負彎矩；核心筒區(qū)域下筏板按照一次性加載設計時偏于安全的。在實際工程設計時應綜合考慮基于共同作用的施工分析結果和工程經(jīng)驗，從而進一步優(yōu)化樁筏基礎的設計。3.6

收縮徐變對筏板內力的影響3.6.1

收縮、徐變模型國內外常用的幾種收縮徐變預測模式：CEB-FIP系列模型，ACI209系列模型，英國規(guī)范BS系列模型，BP系列模型，GL2000模型上海中心分析，收縮徐變模型采用CEB-FIP建議的CEB-FIP（1990）模型，該模型公式簡潔，具有較好的精度，適用范圍也能滿足本文分析的工程。CEB-FIP90模型建議混凝土徐變系數(shù)的計算公式適用范圍為：應力水平

σ境中。<

，暴露在平均溫度5～30℃和環(huán)境相對濕度RH=40%～100%的環(huán)/

f

0.4ccmCEB-