昆山鑫宇佳苑項(xiàng)目地下部分新建與已建結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)

陳大好，陸鈞衡，魏大平，宋世偉，許 準(zhǔn)

(南京長江都市建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，南京 210002)

1 工程概況

圖2 總平面圖

“鑫宇佳苑”項(xiàng)目位于江蘇省昆山市花橋鎮(zhèn)國際商務(wù)城，功能為高層住宅、超高層住宅(含底部兩層辦公和地下車庫)，總建筑面積14.83萬m2，其中地上11.97萬m2，地下2.86萬m2。地上建筑平面總體呈弧形(圖1，2)，高層住宅與超高層住宅之間在2層樓面通過底部架空的共享平臺(tái)相接。本工程地下室2～3層，高層住宅地上26層，建筑最高點(diǎn)82.5m，超高層住宅地上55層，建筑最高點(diǎn)186.10m。

圖1 建筑效果圖

本工程所在地塊原為“中宇國際大廈”項(xiàng)目，建筑功能為商業(yè)和辦公，后因規(guī)劃部門對(duì)該地塊城市功能重新定位，將原商辦用地劃調(diào)為高層住宅用地，“鑫宇佳苑”作為該地塊的新建項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。

1.1 原項(xiàng)目情況及場(chǎng)地現(xiàn)狀

本地塊原項(xiàng)目“中宇國際大廈”，包含一棟高度200m的超高層辦公塔樓和4層商業(yè)裙房，2層地下室。塔樓區(qū)域因埋深要求，底板較其他區(qū)域低2.6m，相應(yīng)范圍的地下室樓層與其他區(qū)域形成錯(cuò)層。上部結(jié)構(gòu)通過一道結(jié)構(gòu)縫分成兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，即塔樓單元和裙樓單元。原項(xiàng)目“中宇國際大廈”的施工圖出圖時(shí)間為2013年8月，截至2017年12月，原項(xiàng)目的場(chǎng)地現(xiàn)狀為全部樁基和地下室主體結(jié)構(gòu)施工完成，上部主體結(jié)構(gòu)施工至4層。鑒于原項(xiàng)目與新建項(xiàng)目地上部分完全不同，原項(xiàng)目地上已建主體需全部拆除。

1.2 新建項(xiàng)目上部結(jié)構(gòu)概況

新建住宅項(xiàng)目上部結(jié)構(gòu)通過設(shè)置防震縫分為8個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元：其中3棟26層的高層住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)高度78.70m；其中4棟55層的超高層住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)高度170.10m；兩者之間的2層架空平臺(tái)采用鋼框架結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)高度9.0m。上部結(jié)構(gòu)平面及分縫情況如圖3所示，整體平面的外弧長約258m，內(nèi)弧長約173m，徑向進(jìn)深約32m。

圖3 新建上部結(jié)構(gòu)縫示意

1.3 新建項(xiàng)目地下室與原地下室建筑情況對(duì)比

新建項(xiàng)目地下室與原地下室在外輪廓、層數(shù)、層高及底板結(jié)構(gòu)面標(biāo)高方面對(duì)比如圖4所示。可以看出：兩者外輪廓絕大部分一致，僅新建的3層地下室局部外擴(kuò)；兩者層數(shù)在西區(qū)相差一層，新建地下室利用該區(qū)域原底板埋深較大的情況做成3層地下室；兩者層高各有差異；地下室設(shè)計(jì)時(shí)按照不破壞原結(jié)構(gòu)底板的原則進(jìn)行，兩者底板結(jié)構(gòu)面標(biāo)高在西區(qū)完全一致，在東區(qū)新建地下室較原地下室高0.35m。

圖4 新建項(xiàng)目地下室與原地下室建筑情況對(duì)比示意

2 新建項(xiàng)目地下部分結(jié)構(gòu)的建造方式

基于上述情況，本工程地下部分采用部分已建結(jié)構(gòu)構(gòu)件與新建結(jié)構(gòu)構(gòu)件相結(jié)合，組成全新結(jié)構(gòu)的建造方式。該建造方式將涉及已建結(jié)構(gòu)構(gòu)件的甄選利用、新建結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)以及新建與已建結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計(jì)。

3 已建結(jié)構(gòu)地下部分構(gòu)件保留利用情況

已建結(jié)構(gòu)地下部分構(gòu)件保留利用情況 表1

本工程已建結(jié)構(gòu)與新建結(jié)構(gòu)屬于同一個(gè)規(guī)范序列。對(duì)比分析新建地下室與已建地下室的外輪廓、層高和整體深度等情況，并結(jié)合新建結(jié)構(gòu)及其地基基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)和施工可行性，決定對(duì)已建結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件進(jìn)行保留和利用，具體情況見表1及圖5。

圖5 已建地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件保留利用情況示意圖

在結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)中利用的已建樁基、已建底板和已建地下室外墻，嚴(yán)格按照現(xiàn)行國家規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核，對(duì)不滿足要求的構(gòu)件進(jìn)行加固和補(bǔ)強(qiáng)處理。

4 新建與已建地下部分結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 地勘補(bǔ)勘

由于新建建筑與原建筑的建筑高度、平面形狀以及總圖定位等迥異，故需在適當(dāng)位置布設(shè)地勘的補(bǔ)勘點(diǎn)。根據(jù)規(guī)范《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 72—2017)[1]、《巖土工程勘察規(guī)范》(DGJ32/TJ 208—2016)[2]的相關(guān)要求，并結(jié)合原勘點(diǎn)的分布情況，補(bǔ)勘點(diǎn)的布置原則為：沿新建建筑的周邊及角點(diǎn)布置，并避開原勘點(diǎn)不小于3m。按照上述原則，共布設(shè)補(bǔ)勘點(diǎn)46個(gè)，其分布如圖6所示。對(duì)已建結(jié)構(gòu)以外區(qū)域的補(bǔ)勘點(diǎn)按常規(guī)施工，對(duì)已建結(jié)構(gòu)底板范圍內(nèi)的補(bǔ)勘點(diǎn)，勘察時(shí)抽干地下室積水，在已建結(jié)構(gòu)底板上鉆孔后，進(jìn)入底板以下的原狀土進(jìn)行鉆探取樣和原位測(cè)試。補(bǔ)勘施工過程中，持續(xù)做好原地下室周邊的降水和原地下室內(nèi)部的明水抽排工作，保持地下水位低于底板底面不小于0.15m，以確保施工作業(yè)順利進(jìn)行。新建結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)原地勘報(bào)告和補(bǔ)勘報(bào)告兩者融合考慮，對(duì)各土層參數(shù)取值有偏差的按較小值采用。

圖6 地勘補(bǔ)勘點(diǎn)布置

4.2 二次基坑支護(hù)

經(jīng)調(diào)閱已建結(jié)構(gòu)地下施工時(shí)的基坑支護(hù)圖紙，原支護(hù)方案為：200m塔樓區(qū)域采用頂部放坡+支護(hù)樁+2層水平內(nèi)撐的形式，裙樓區(qū)域采用頂部放坡+帶外拋錨桿支護(hù)樁+內(nèi)斜拋撐形式。考慮到新建建筑的樁基和主體結(jié)構(gòu)施工要求，需要拆除原地下室底板以上各層樓板，拆除后僅保留原結(jié)構(gòu)的底板和外墻。由于原地下室外墻設(shè)計(jì)時(shí)考慮了地下各層樓板的支撐作用，現(xiàn)拆除各層樓板后將導(dǎo)致地下室外墻退化成純懸臂結(jié)構(gòu)受力，其水平承載力不能滿足施工階段外圍水土壓力作用的要求。綜上，新建結(jié)構(gòu)的基坑在施工過程中需采取必要的支撐、支護(hù)措施，即二次基坑支護(hù)，且二次支護(hù)的施工應(yīng)結(jié)合已建結(jié)構(gòu)的拆除順序穿插進(jìn)行，確保拆除和新建全程施工期間的基坑安全。

針對(duì)上述問題，結(jié)合已建結(jié)構(gòu)拆除情況，采取以下解決方案：首先對(duì)地下室外墻上部范圍的填土進(jìn)行卸載處理，挖除原地下1層高度內(nèi)的土體，以減小作用于外墻的土壓力；其次在原地下1層樓板標(biāo)高處和底板之間設(shè)置型鋼斜撐，斜撐與原地下室外墻共同承擔(dān)外圍水土壓力，型鋼斜撐采用焊接H型鋼，截面為H400×400×30×30，斜撐與豎直方向夾角β取40°左右，其上端支承在地下室外墻內(nèi)側(cè)，下端支承于原樁基承臺(tái)上。支護(hù)方案示意見圖7，支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)情況見圖8。

圖7 原地下樓層梁板及柱拆除后基坑支護(hù)方案

圖8 基坑支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)情況

需對(duì)上述支護(hù)方案的相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度及變形驗(yàn)算。經(jīng)驗(yàn)算：地下室外墻按照下端固支、上端連續(xù)點(diǎn)支承的邊界條件，原外墻厚度及配筋滿足要求；型鋼斜撐按照二力桿的邊界條件，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求；型鋼斜撐下端的原樁基承載力及承臺(tái)厚度和配筋均滿足要求；各類構(gòu)件及整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和位移均滿足要求。

4.3 樁基底板融合設(shè)計(jì)

根據(jù)已建結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的現(xiàn)狀，以及新建結(jié)構(gòu)的荷載要求，各區(qū)塊樁基底板做法分布如圖9所示。綜合來說，新建結(jié)構(gòu)的樁基底板融合了原塔樓下部樁基筏板、地下室外墻下部原樁基承臺(tái)以及新打樁、新建筏板和共同受力的疊合筏板。

圖9 樁基底板做法分布圖

4.3.1 樁基設(shè)計(jì)

新建樁基設(shè)計(jì)按照已建結(jié)構(gòu)的部分樁和新打樁共同承擔(dān)全部新建結(jié)構(gòu)荷載的融合設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。新打樁布樁時(shí)，為避免與原樁沖突，新打灌注樁與原管樁最小凈距控制在300mm。55層塔樓和26層塔樓按滿堂方式布樁，非塔樓區(qū)域按一柱一樁方式布置，對(duì)樁基進(jìn)行整體建模計(jì)算時(shí)，對(duì)被利用的原樁和新打樁，依據(jù)各樁型試樁報(bào)告分別計(jì)算樁剛度并輸入模型，采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)[3-6]。經(jīng)復(fù)核，各樁型在新的受力狀態(tài)下的單樁最大反力均滿足要求，計(jì)算結(jié)果見表2。

樁基融合設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 表2

由于新打樁需穿過原底板，故樁基施工前需對(duì)底板進(jìn)行開孔。考慮到部分區(qū)域原底板需要利用，底板開孔方式分為兩種，如圖10所示。

圖10 新打樁底板開孔兩種做法

4.3.2 底板設(shè)計(jì)

新建底板設(shè)計(jì)中，按照已建結(jié)構(gòu)底板盡量不拆除的原則，新建結(jié)構(gòu)的底板考慮對(duì)原底板進(jìn)行直接利用或改造利用。經(jīng)計(jì)算分析，直接利用的原底板完全能夠承擔(dān)新建結(jié)構(gòu)的荷載要求。改造利用原底板分兩種做法：做法一為新建結(jié)構(gòu)底板直接落在原底板上，原底板僅作施工墊層；做法二為新建結(jié)構(gòu)底板利用原底板，在其上部新澆一定厚度的疊合層，形成共同受力的疊合構(gòu)件[7]——疊合筏板[8-9]。各區(qū)塊底板做法如表3所示。

新建底板與已建底板各類典型節(jié)點(diǎn)做法見圖11。經(jīng)整體建模計(jì)算復(fù)核，表3中各類做法的底板的截面強(qiáng)度及裂縫寬度在新的受力狀態(tài)下均滿足要求。

針對(duì)圖11(d)中55層塔樓筏板存在5.1m高差的情況，需采取必要的措施以保證水平力有效傳遞。在計(jì)算層面，偏安全地按照上部結(jié)構(gòu)總水平力由各自標(biāo)高筏板下樁基(數(shù)量按承壓控制)承擔(dān)的原則，經(jīng)計(jì)算，單樁水平承載力特征值為170kN，高標(biāo)高筏板下布樁130根，上部結(jié)構(gòu)總水平力標(biāo)準(zhǔn)值為15 100kN，小于130×170=22 100kN；低標(biāo)高筏板下布樁202根，上部結(jié)構(gòu)總水平力標(biāo)準(zhǔn)值為22 650kN，小于202×170=34 340kN，可以滿足各自水平力的傳遞。在構(gòu)造層面，對(duì)筏板變標(biāo)高處采取加腋措施，腋邊與水平方向夾角60°，以保證水平力在高低差處傳遞的連續(xù)性。

圖11 底板融合設(shè)計(jì)做法

底板融合設(shè)計(jì)情況 表3

4.4 地下室外墻融合設(shè)計(jì)

新建結(jié)構(gòu)地下室輪廓絕大部分與已建結(jié)構(gòu)相同，設(shè)計(jì)中考慮對(duì)重合部分的地下室外墻完全直接利用，新建結(jié)構(gòu)地下1層樓板及梁鋼筋植入原外墻，梁板在該端均按鉸接計(jì)算，新建結(jié)構(gòu)地下室頂板處，將原外墻頂部暗梁混凝土鑿除，鋼筋保留，新地下室頂板的梁板鋼筋錨入原暗梁并一同澆筑混凝土，如圖12所示。經(jīng)計(jì)算復(fù)核，已建結(jié)構(gòu)的地下室外墻截面強(qiáng)度及裂縫寬度在新的受力狀態(tài)下均滿足要求。

圖12 地下室外墻融合設(shè)計(jì)做法

5 地下部分新建與已建結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)的安全性評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)

由于項(xiàng)目的特殊性，本工程地下部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了新建結(jié)構(gòu)與已建結(jié)構(gòu)相融合的設(shè)計(jì)理念，通過利用一部分已建結(jié)構(gòu)構(gòu)件與新建結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互融合、共同受力，形成全新的受力結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用SATWE和YJK兩個(gè)軟件對(duì)地下部分全新結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)及各類構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)均滿足相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范，結(jié)構(gòu)的安全性滿足要求。

新建與已建融合結(jié)構(gòu)中，新舊結(jié)構(gòu)結(jié)合面是最主要的特征之一，也是結(jié)構(gòu)受力的重點(diǎn)部位，需要對(duì)其進(jìn)行施工期和使用期的全過程監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括裂縫、變形、表層混凝土脫落以及混凝土材料老化差異[10]等。

6 結(jié)語

(1)新建結(jié)構(gòu)與已建結(jié)構(gòu)在建筑體型和具體尺寸上存在相同之處時(shí)，已建結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件可以被新建結(jié)構(gòu)利用，特別是地下部分，如樁基、承臺(tái)底板以及地下室外墻等。

(2)新建結(jié)構(gòu)利用已建結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)查明已建結(jié)構(gòu)執(zhí)行的規(guī)范序列，當(dāng)與現(xiàn)行規(guī)范相同時(shí)，在滿足新建結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)要求的前提下，可直接利用，否則應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范[4]要求進(jìn)行可靠性鑒定。

(3)在進(jìn)行新建與已建結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計(jì)時(shí)，通過詳細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，有效的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，可在一定限度上對(duì)已建結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行直接利用或改造利用。本文工程的新建結(jié)構(gòu)主要利用原已建結(jié)構(gòu)的部分樁基、部分承臺(tái)底板以及全部地下室外墻，“融合”設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)涉及地勘補(bǔ)勘、二次基坑支護(hù)、已建底板后開孔打樁、新老樁基底板和地下室外墻的融合技術(shù)等。