轉(zhuǎn)換梁、樁筏、箱樁等基礎(chǔ)在跨線工程的應(yīng)用

1 引言

隨著城市土地資源愈加緊缺， 地鐵周邊地塊開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視。 地鐵交通的便捷，增加了上蓋的開(kāi)發(fā)價(jià)值[1-2]。 跨線結(jié)構(gòu)在以后的開(kāi)發(fā)中會(huì)越來(lái)越多，而針對(duì)跨線結(jié)構(gòu)，由于基礎(chǔ)均涉及轉(zhuǎn)換，基礎(chǔ)受力復(fù)雜，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成為重中之重。 從既有開(kāi)發(fā)案例總結(jié)，跨線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)一般有轉(zhuǎn)換梁、樁筏、箱樁等基礎(chǔ)形式。

2 工程概況

為對(duì)比分析各種形式基礎(chǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)， 本文以佛山某跨線項(xiàng)目為例。 建筑總平面圖如圖1 所示。

圖1 建筑總平面圖

本項(xiàng)目塔樓部分為17 層公寓，無(wú)地下室，首層板結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-1.100 m，塔樓下穿地鐵線路，詳見(jiàn)圖1。根據(jù)地勘提供的土質(zhì)剖面， 為避免基礎(chǔ)產(chǎn)生過(guò)多的附加荷載對(duì)下穿隧道產(chǎn)生影響[3-5]，基礎(chǔ)形式擬采用灌注樁基礎(chǔ)，由于下穿地鐵線路的影響， 樁布置受到局限， 樁定位需距離區(qū)間隧道不小于3 m，因此，宜采用轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)托換上部結(jié)構(gòu)。

3 轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[6-8]及限制條件，轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)布置如圖2 所示，由于地鐵線路設(shè)置，樁基礎(chǔ)僅能沿著線路布置。 根據(jù)上部結(jié)構(gòu)布置局部調(diào)整樁位， 并根據(jù)受力直接簡(jiǎn)單的原則布置轉(zhuǎn)換梁。 根據(jù)抗彎和抗剪計(jì)算得到的Y 向轉(zhuǎn)換梁截面為2 000 mm×2 400 mm，混凝土強(qiáng)度為C40，截面為抗剪控制。 建筑高度為57.00 m，則基礎(chǔ)埋深為57/18=3.17 m，轉(zhuǎn)換梁高度滿足埋深要求。

根據(jù)JGJ 3—2010 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》10.2.8 條，由抗剪控制的轉(zhuǎn)換梁截面的剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)符合下列規(guī)定。

持久、短暫設(shè)計(jì)狀況：

地震設(shè)計(jì)狀況：

式中，V 為轉(zhuǎn)換梁截面組合的剪力設(shè)計(jì)值，kN；βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)， 混凝土強(qiáng)度不大于C50 時(shí)取1.0；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kN/m2；b 為轉(zhuǎn)換梁寬度，m；h0為轉(zhuǎn)換梁有效高度，m；γRE為轉(zhuǎn)換梁抗剪承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

4 基礎(chǔ)對(duì)比分析

為對(duì)比轉(zhuǎn)換梁、樁筏、箱樁基礎(chǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)，在建筑條件保持不變的情況下，擬采用有限元分別分析計(jì)算3 種基礎(chǔ)方案，并對(duì)比分析3 種基礎(chǔ)方案的計(jì)算結(jié)果。

轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)：基礎(chǔ)方案詳見(jiàn)上節(jié)。

樁筏基礎(chǔ)：保持樁基布置與轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)相同，筏板厚度擬采用2 000 mm，混凝土強(qiáng)度為C40。

箱樁基礎(chǔ)：保持樁基布置與轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)相同，頂板厚度采用300 mm，底板厚度采用500 mm，內(nèi)外墻厚度800 mm，內(nèi)墻間距為3 500 mm，基礎(chǔ)高度3 000 mm，混凝土強(qiáng)度均為C40。采用某有限元軟件， 分別建立上部塔樓及基礎(chǔ)的有限元模型如圖3 所示。

圖3 上部塔樓及轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)有限元模型

豎向荷載作用下樁反力對(duì)比如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)換梁、樁筏、箱樁基礎(chǔ)樁反力

對(duì)比有限元計(jì)算得出的3 種基礎(chǔ)樁反力， 樁筏基礎(chǔ)及箱樁基礎(chǔ)樁反力均比轉(zhuǎn)換梁樁反力均勻， 這是由于樁筏及箱樁基礎(chǔ)剛度更大，更能平均樁反力。

有限元計(jì)算得出的3 種基礎(chǔ)相關(guān)部位應(yīng)力及變形對(duì)比，詳見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)力及變形對(duì)比表

分析表1 可知，箱樁基礎(chǔ)在跨度較大的Y 向，可認(rèn)為等效為工字梁，而進(jìn)行有限元計(jì)算的內(nèi)墻間距為3 500 mm，即工字梁間距為3 500 mm。 轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)為矩形梁，Y 向梁間距為7 000 mm，梁間距是內(nèi)墻間距的2 倍，但根據(jù)表1 發(fā)現(xiàn)同一墻肢下箱樁基礎(chǔ)墻底的拉應(yīng)力卻遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)梁底的拉應(yīng)力， 證明箱樁基礎(chǔ)的底板分擔(dān)了很大一部分由豎向荷載作用下彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力。 箱樁基礎(chǔ)在整體抗彎時(shí)，底板主要承擔(dān)拉力。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)， 同一墻肢下箱樁基礎(chǔ)內(nèi)墻支座處剪應(yīng)力小于轉(zhuǎn)換梁支座處剪應(yīng)力， 且大于轉(zhuǎn)換梁支座處剪應(yīng)力的一半。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015 年版）中6.3 節(jié)計(jì)算工字梁截面抗剪時(shí)，僅考慮腹板截面，而工字梁間距是轉(zhuǎn)換梁間距的一半，因此，理論上箱樁基礎(chǔ)墻支座處的剪應(yīng)力應(yīng)為轉(zhuǎn)換梁支座處剪應(yīng)力的一半， 但考慮到箱樁基礎(chǔ)的僅部分內(nèi)墻直接承受剪力墻豎向荷載， 部分內(nèi)墻為非直接受力，因此，內(nèi)墻承受的豎向荷載是分布不均的，直接承受剪力墻豎向荷載的內(nèi)墻底部拉應(yīng)力較大，這與表1 中結(jié)果是吻合的。 根據(jù)JGJ 6—2011《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》[9]6.1.1 條，內(nèi)墻截面抗剪公式如下：

式中，V＇為內(nèi)墻截面組合的剪力設(shè)計(jì)值，kN；b＇為內(nèi)墻截面寬度，m；h＇0為內(nèi)墻截面有效高度，m。

此公式與上文給出的轉(zhuǎn)換梁截面抗剪公式一致，因此，當(dāng)內(nèi)墻截面與轉(zhuǎn)換梁截面由抗剪控制時(shí)，截面應(yīng)基本一致，因此對(duì)于跨線基礎(chǔ)而言，由于存在托換，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁截面為抗剪控制時(shí)，轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)應(yīng)比箱樁基礎(chǔ)更加經(jīng)濟(jì)。

根據(jù)表1 中變形數(shù)據(jù)可知，2 000 mm×2 400 mm 的轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)剛度最小變形最大，3 m 高的箱樁基礎(chǔ)剛度要大于2 m 厚的筏板基礎(chǔ)， 即3 m 高的箱樁基礎(chǔ)在豎向荷載下變形最小。

5 樁筏及箱樁基礎(chǔ)變形對(duì)比分析

根據(jù)上文分析，3 m 高箱形基礎(chǔ)變形小于2 m 厚的筏板基礎(chǔ)，為研究同等厚度下的箱形基礎(chǔ)及筏板基礎(chǔ)的變形，現(xiàn)分別計(jì)算2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m 厚度兩種基礎(chǔ)的變形，得出基礎(chǔ)變形隨厚度變化的曲線圖如圖5 所示。

圖5 箱樁基礎(chǔ)及樁筏基礎(chǔ)的變形趨勢(shì)圖

根據(jù)圖5 可發(fā)現(xiàn)，同等基礎(chǔ)厚度的情況下，箱樁基礎(chǔ)變形略大于樁筏基礎(chǔ)， 兩種基礎(chǔ)形式基礎(chǔ)變形均隨著基礎(chǔ)厚度的增加，變形越來(lái)越小，但隨著基礎(chǔ)厚度越來(lái)越大，基礎(chǔ)自重也越來(lái)越大，基礎(chǔ)變形減小的趨勢(shì)也越來(lái)越緩。

同等厚度的情況下，箱樁基礎(chǔ)剛度明顯是小于樁筏基礎(chǔ)，但加密箱樁基礎(chǔ)內(nèi)墻間距厚可明顯提升基礎(chǔ)剛度，減小基礎(chǔ)變形，分別計(jì)算3 m 高度下內(nèi)墻間距為7 m、3.5 m、2.4 m、1.75 m這4 種箱樁基礎(chǔ)的變形，得到如圖6 所示曲線。

圖6 3 m高箱樁基礎(chǔ)隨內(nèi)墻間距變化的基礎(chǔ)變形趨勢(shì)圖

由圖6 可發(fā)現(xiàn)，內(nèi)墻間距加密后，箱樁基礎(chǔ)的變形隨著間距的加密不斷變小，并無(wú)限趨近于樁筏基礎(chǔ)。

6 結(jié)論及建議

本文以某跨線項(xiàng)目為依托， 采用有限元分析對(duì)比了轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)，樁筏基礎(chǔ)及箱樁基礎(chǔ)的樁反力，彎曲應(yīng)力及基礎(chǔ)變形等。 根據(jù)分析結(jié)果可總結(jié)出跨線項(xiàng)目3 種基礎(chǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

轉(zhuǎn)換梁基礎(chǔ)：受力直接，開(kāi)挖量小，施工方便，但整體性較差，當(dāng)需要布置多樁共同受力時(shí)，樁反力利用率較低，基礎(chǔ)變形較大。

箱樁基礎(chǔ)：整體性較好，多樁布置時(shí)反力可均勻利用，撓度對(duì)比轉(zhuǎn)換梁能夠得到較好控制，材料費(fèi)用比樁筏節(jié)省，但開(kāi)挖量大，施工復(fù)雜，對(duì)上部結(jié)構(gòu)有要求，適合上部較為規(guī)則的建筑。

樁筏基礎(chǔ)：整體性好，多樁布置時(shí)反力可均勻利用，撓度能夠得到較好控制，但開(kāi)挖量大，基礎(chǔ)費(fèi)用較高，適合樓層數(shù)較高，樁布置較多，上部結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則轉(zhuǎn)換梁及箱基均難以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。