胡斌
上海翰邻建筑设计事务所 200000
摘 要：本文以郑州碧桂园·思念翡翠城二期-25号楼结构设计项目为例，就项目中遇到的各种问题，诸如：湿陷性黄土地区的地基处理、复合地基的设计、大跨度异形板的处理以及二层挑空等，通过采取的一系列处理方式，让整个设计符合规范的要求并达到兼顾经济性、合理性，研究成果可为相关应用与研究提供参考。
关键词：复合地基（CFG桩）湿陷性黄土 异形板 二层挑空 转换结构
引言
我国地大物博，在我国华东、华中、西北以及东北的部分地区，都存在着湿陷性的黄土，它作为一种性质比较特殊的土层，我们在做结构设计的时候，应当采取相应措施进行处理。另外，开发商为了户型更具有市场竞争力，诸如局部楼板开洞、大跨度的异形板以及竖向构件上下不对应等情况，时有发生。
1 郑州碧桂园·思念翡翠城二期-25号楼工程概况
郑州碧桂园·思念翡翠城二期-25号楼为一栋地下一层的地下室，地上17层的高层住宅，建筑面积地下部分有59 m2，而地下则为9492m2，上部结构的嵌固端设在了基础底板。地下一层用作地下车库，层高为5.1m，地上17层均用作住宅，层高为3.15m，该建筑物的室外地坪到主体结构的檐口高度是53.850m。地下室顶板上有1.2m的覆土，地基基础的设计等级是甲级。其平面的布置图及剖面图，详见如下图1、图2：
2 地基及基础设计
2.1 桩型选择及布置
根据地勘报告显示，本工程场地第3层和第2层的黄土状粉土，其具有湿陷性，为非自重的湿陷性黄土，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）第6.1.1条和第6.2条可以知道，湿陷等级为Ⅰ级（轻微），设计必须对地基进行一定的处理，同时需要按照乙类建筑来进行地基处理工作。这个项目中我地基处理采用的是整片素土（灰土）挤密桩法，成孔挤密采用沉管方式，挤密桩直径为400mm，桩长约7m，正三角形布置。本项目拟采用筏板基础，所以我们需要对建筑物的底下进行整片的处理，同时，处理的面积必须要大于建筑物的底层平面面积，地基处理的平面布置图详见图3。经过地基处理后，它的变形模量E0为25MPa，地基承载力的特征值fak为200kPa。
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图4 刚性桩平面布置图
本工程地基基础设计等级为甲级，根据模型中首层标准组合工况下竖向构件的荷载值，经过挤密桩处理后的地基承载力特征值并不足以满足设计要求。考虑到CFG桩施工速度快，经济性好，且场地土层分布较为均为，未发现暗浜、暗塘、电缆、地下的洞穴和管线以及障碍物等不利的埋藏物和不良的地质现象等。所以我最终采用了灰土挤密桩处理后的实心素混凝土桩（CFG）复合地基方案。桩选用φ400实心素混凝土圆桩，桩长约19m，桩间距采用1.80x2.079m的矩形布置。刚性桩的平面布置图详见图4。在布置刚性桩的时候，我们需要注意到灰土挤密桩的位置，应避开布置。桩顶上必须做300mm厚的褥垫层，且筏板下的褥垫层必须较素混凝土垫层每侧宽出不小于400mm，褥垫层材料采用灰土。桩身的混凝土强度等级为 C30。
2.2 刚性桩（CFG）复合地基的承载力特征值的计算
2.2.1 单桩承载力特征值计算
根据地勘报告的各土层侧阻力qsi和端阻力qp，按照式Ra=λz（αs*up*Σqsi*li+αp*qp*Ap）可以求得Ra=810kN。详见下表：
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2.2.2 复合地基承载力特征值计算一
根据《地基处理技术规范》式fspk=λ*m*Ra/Ap+β*(1-m)fsk及式fspa=fspk+γm（d-0.5），可以得到考虑深度修正后的地基承载力特征值取360kPa。详见下表：
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2.2.3 复合地基承载力特征值计算二
根据《复合地基技术规范》（GB/T 50783-2012）式fspk=βp*m*Ra/Ap+βs*(1-m)fsk以及fa=fspk+γm（d-0.5），可以计算求得，考虑深度修正之后的地基承载力的特征值取为350kPa。详见下表：
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本项目设计取上述两种结论的不利值，即取为350kPa。
2.3 基础底板的计算
本项目的基础采用了平板式的筏板基础，筏板的厚度0.9 m，计算采用了盈建科结构计算软件中的基础设计模块。本项目基础采用弹性地基梁板法进行整体式基础有限元计算，抗浮设计的水位我们按照历史的最低水头-10m来考虑，我们在计算的时候不考虑历史最低水位对它的有利作用，但是需要考虑上部刚度。对于局部冲切不满足规范要求的地方，采取柱下筏板局部加厚的方式 。最终得到即能满足承载力设计要求，同时又能满足冲切、抗剪、沉降等要求的基础模型，并绘制施工图，其基础平面布置图详见图5：
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图5 基础平面布置图
3 该单体上部结构的设计与计算
3.1 计算条件及上部结构概况
本单体采用剪力墙结构体系，嵌固端取基础底板。
其风荷载相关的参数详见表1所示：
表1 风荷载相关参数
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根据《抗规》表6.1.2，混凝土框架的抗震等级是三级，而剪力墙的抗震等级同样也是三级。模型计算的时候我们采用了自动计算最不利地震方向的地震作用，同时需要考虑双向的地震作用，还需要通过等效扭矩法来考虑它的偶然偏心的计算。
该建筑为1梯2户的户型，单户面积约为260m2，甲方旨在打造当地的高层豪宅，每一户的大厅处，均是一整块大跨度的异形板，出于使用及美观的考虑，中间不得设梁。在首层的时候，甲方需要一个比较气派的大厅，大厅开间10.1x5.0m，中间不得设剪力墙，同时，大厅上方2层楼板不能做，形成2层挑空的效果。另外，在顶层住户家里设置了一个可以走上屋面的户内楼梯，按照抗震设计和实际布梁需求，楼梯间周边需要设异形柱。其平面布置图详见以下图6~8所示：
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图8 二层结构平面布置图
3.2 该项目结构设计方面存在的问题
3.2.1 大跨异形板
按照甲方的要求，本项目客餐厅位置，必须做一整块跨度较大异形板，且中间不得设梁，这种做法会使得该楼板的受力情况较为复杂，变形协调也会更为多样化。在以往的项目经验来看，该处也较为容易产生裂缝，从而影响美观及正常使用功能。
3.2.2 轴压比不足
首层大厅需要大开间，中间不得设墙，导致我们结构上只能设柱，该处柱子按照原来建筑条件，首层的轴压比不满足《抗规》表6.3.6的要求，而加大柱子尺寸，又会造成其在规定的水平力下的首层的框架柱的地震倾覆弯矩的百分比大于10%，从而需要按照框剪结构来计算，这样一来，剪力墙的抗震等级就需要按照二级考虑，这样对于结构设计的经济性来说，就不合理了。
3.2.3 局部楼板不连续
大厅位置上方2层楼板不做，会使得此处楼板不连续，造成其平面不规则，这对于抗震设计概念来说，是非常不利的因素。结构抗震设计中，当遇到平面不规则时，应按照要求进行地震作用的计算和内力的调整，且必须对薄弱的部位采取较为有效的抗震构造措施才行。
3.2.4 竖向构件上下不连续
屋面层户内设置上屋面的楼梯间，按照抗震设计要求及结构布置的需要，楼梯间周边设置异形柱，而这些异形柱与下面标准层的竖向构件不能一一对应。
3.3 结构处理方案
3.3.1 大跨异形板处理
对于跨度较大的异形板的设计，我采用了将板边界条件定义为简支和固接两种取包络的方式，进行计算，同时，适当加厚其板厚，在阳角处设置放射筋以及放大配筋系数等构造措施，以达到正常使用情况下不开裂且能满足使用功能的要求。施工图详见下图所示：
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图9 大厅处楼板局部施工图
在对此异形板进行有限元计算时，我尝试在凸角部位设置暗梁，对有暗梁和没有暗梁两种情况分别计算得出一个结论，那就是对于异形板的应力分布并没有明显的差别，所以设置暗梁，并不是太经济合理。而在有限元计算时，我们可以发现，应力比较集中的地方一般都位于楼板的阳角部位，而负弯矩比较小甚至是没有的情况，一般出现在距离凸角四分之一板跨位置处，所以我们设计的放射筋的长度，我取了1/4跨度。另外，此异形板相对较为狭长，其楼板的负弯矩较小，从经济性角度考虑，采用了顶筋分离式配筋的形式即可。
3.3.2 轴压比不满足的处理
通过与建筑专业的协商沟通，以及模型调整试算，原则上还是尽量按照剪力墙结构设计，我们我们就必须控制其在规定水平力下，首层的框架柱的地震倾覆弯矩百分比不能超过10%。在征得建筑专业的同意后，我将中间柱子X方向截面尺寸减小，加大Y方向截面尺寸，在倾覆弯矩百分比不超过10%的前提下，同时还能满足轴压比限值的要求。
3.3.3 局部楼板不连续的处理
二层局部楼板不连续的问题，由于本单体属于整体较为规则的一般民用住宅，且楼板不连续仅在二层出现，同时我也分别对刚性板假定情况和非刚性板假定情况下的整体参数进行了计算对比，结构的周期和位移变化很小，对结构的抗扭刚度几乎没有影响，楼层的受剪承载力比值、侧向刚度比以及整体刚度等并没有太大的不同。所以最终，在整体计算时，我依然是采用了刚性板假定，但是我把洞口周边楼板定义为“弹性膜”进行全楼计算，在构造上，我采用了增加周边楼板的板的厚度，并且在绘制施工图时，我采用了双层双向配筋的方式，加大实配钢筋。同时，对开洞周边的梁，也在构造措施上进行一定的加强，诸如增加其刚度、增设抗扭钢筋、适当加大纵筋等。
3.3.4 竖向构件上下不连续的处理
当遇到屋顶层楼梯间竖向构件上下不连续的情况时，就需要用转换结构，但是我考虑到厚板转换的传力不够明确，而且会造成地震力集中，从经济性上来说，并不是很合理，所以我偏向于采用转换梁的方式进行处理，但是考虑到户内的一致性，在卧室中间位置若是设梁，那么就会造成顶层这户人家的卧室里面会看到有梁，而楼下是没有的，这显然是不合理的，在通过与建筑专业的沟通，将原楼梯间开门位置修改后，我将这个梁进行上翻处理，最终结构布置图详见下图所示：
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图10 楼梯间位置局部结构布置图
这里需要注意的是，我们在进行异形柱的设计时，应该要满足《混凝土异形柱结构技术规程》（JGJ149-2017）的相关的一些要求，尤其是柱箍筋的配置，必须要满足《混凝土异形柱结构技术规程》表6.2.10的相关规定。这一条我们在做设计的时候往往容易忽略，并且这还是强条。
4 计算结果
本单体采用了盈建科建筑结构计算模块进行了整体建模以及计算分析，由于本单体采用的是基础底板嵌固，所以对于X向以及Y向的地下一层与地上一层的剪切刚度比并不做特殊的要求了。
该结构刚重比EJd/GH**2大于1.4，能够通过《高规》5.4.4条的整体稳定验算；该结构刚重比EJd/GH**2大于2.7，满足《高规》5.4.1，可以不考虑重力二阶效应。楼层抗剪承载力的比值也没有出现小于0.8的不规则情况，即便是2层楼板不连续，计算得出的受剪承载力比值X向为0.98/1.03=0.95，Y向为0.98/1.01=0.97。
基本周期数据详见表3所示：
表3 基本周期
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第三周期时扭转系数第一次超过0.5，为0.81。地震作用最大的方向为179.84o。Y向和X向的平动振型参与的质量系数总计为99.28%和94.41%。
最小剪重比详见表4所示：
表4 最小剪重比
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地震作用下的楼层最大位移角和位移比详见表5所示：
表5 地震作用下楼层最大位移角和位移比
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二层时，规定水平力下的框架柱的地震倾覆弯矩百分比值，详见表6所示：
表6 规定水平力下框架柱的地震倾覆弯矩百分比
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所有参数均满足结构设计的规范要求，顺利通过当地审图单位的图审流程。本项目于2018年初开始施工，2019年陆续开始交房，迄今为止未出现明显的质量问题，说明上述遇到的问题得到了很好的解决，并没有对该建筑的正常使用造成不利后果。
5 结论与建议
综上所述，在结构的设计过程中，我们作为设计人员，应该在不违背结构设计规范要求的大前提下，充分的考虑建筑等其他专业的需求，满足建筑物的各项使用功能，并且在安全的基础上，尽量经济的去做我们的设计工作。。
参考文献
[1]混凝土结构设计规范(GB50010-2010)(2015年版)
[2]建筑结构荷载规范(GB50009-2012)
[3]建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)
[4]建筑抗震设计规范(GB50011-2010)(2016年版)
[5]混凝土异形柱结构技术规程(JGJ149-2017)
[6]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010)
[7]湿陷性黄土地区建筑规范(GB 50025-2004)
[8]由河南工程水文地质勘察院有限公司提供的《碧桂园·思念翡翠城二期岩土工程勘察报告》，地质报告工程编号：2017-08-086
撰写日期：2021-04