變剛度調平原理

1、高層建筑有相當比例的上部結構為剛度相對較弱、荷載不均的框剪、框筒結構，其基礎采用樁筏、樁箱基礎，建成后其沉降呈蝶形分布，樁頂反力呈馬鞍形分布。這些工程的基礎設計多數沿用傳統(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?。?、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)設計計算方法只考慮靜力平衡

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

3、致基礎的整體彎矩和撓曲變形過大，差異變形超標，甚至出現基礎開裂。2、樁筏基礎中，忽視樁的選型應與結構形式、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力，又極易引發(fā)成樁質量事故。3、樁筏基礎中，忽視合理利用復合樁基調整剛度分布、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，既不利于調平，又不利于節(jié)材。4、樁筏設計中，對利用筏板剛度“調整荷載、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構；辦公樓等公共高層建筑主要采用框架-核心筒結構，部分采用框架-剪力墻、筒中筒結構、框支剪力墻結構。這兩大類結構體系的力學特性有很大差別。第二類結構的整體剛度差，剛度與荷載分布不均，上部結構與基礎、基礎相互作用特性更復雜。就設計而言，第二類更復雜，工程實際中由于設計不當而引發(fā)的問題更多。 建筑樁基技術規(guī)范JGJ94-2008提出變剛度調平設計理念，其基本思路是：考慮地基、基礎與上部結構的共同作用，對影響沉降變形場的主導因素樁土支承剛度分布實施調整，“抑強補弱”，促使沉降趨向均勻。具體包括：1、高層建筑內部的變剛度調平；2、主裙房間

5、的變剛度調平。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，不必設沉降縫，連后澆帶也可取消。最終達到筏板上部結構傳來的荷載與樁土反力不僅整體平衡，而且實現局部平衡。由此，最大限度地減小筏板內力，使其厚度減薄變?yōu)槿嵝员“濉?#160;調平設計過程就是調整布樁，進行共同作用迭代計算的過程。變剛度調平設計的標準定義是：通過調整

6、基樁的豎向支承剛度分布，使樁基沉降趨于均勻，基礎或承臺內力和上部結構次應力顯著降低的設計方法。 四、變剛度調平的基本原理高層建筑地基(樁土)作為上部結構-基礎-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，唯有依靠調整樁土支承剛度Ks(p,s)，使之與荷載分布和相互作用效應相匹配。這也是優(yōu)化高層建筑地基基礎設計、減少乃至消除差異沉降的有效、可行而又經濟的途徑。        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、基礎尺寸和埋深條件，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構形式及建筑體型有關，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、上部結構剛度    上部結構剛度主要指結構的整體剛度，最制約差異沉降起到一定的作用，也就是所謂對基礎剛度的貢獻。    （1）落地剪力墻體系（簡稱剪力墻結構）由于其剛度大且分布均勻連續(xù)，對基礎剛度的貢獻最大；    （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，因而對制約基礎內外差異變形的剛度貢獻不大。    （3）筒中筒結構體系，其外筒為密集框架（間距不大于4m）構成，主要目的在于增強結構

9、的抗側力性能，對基礎的剛度貢獻略大于框筒結構。    3、地基、樁基條件    對于天然地基上筏板基礎，地基的均勻性是制約差異沉降的關鍵因素，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形式，然而不是樁基就能圓滿解決差異沉降問題?！镜珮妒钦{整支承剛度分布的、靈活有效的豎向支承體，因此變剛度調平設計是樁基礎優(yōu)化設計的核心內容】  

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

11、160; （6）核心筒不僅因荷載集度高而且受外圍框架區(qū)應力場的相互影響而導致沉降加大；    等等。     六、變剛度調平設計原則    總體思路：    以調整“樁土支承剛度分布”為主線，根據荷載、地質特征和上部結構布局，考慮相互作用影響，采取增強與弱化結合，減沉與增沉結合，剛柔并濟，局部平衡，整體協調，實現差異沉降、承臺（基礎）內力和資源消耗的最小化。    1、調整樁土

12、支承剛度，使之與荷載匹配· 根據建筑物體型、結構、荷載及地質條件，選擇樁基、復合樁基、剛性樁復合地基，合理布局，調整樁土支承剛度，使之與荷載匹配。· 對于荷載分布極度不均的框筒結構，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的框筒結構，高度不超過100m的剪力墻結構，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、樁距調整剛度分布。    2、減小各區(qū)位應力場影響    為減小各區(qū)位應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。采取長短樁結合、樁基與復合樁基結合、復合地基與天然地基結合以減小相互影響，優(yōu)化剛度分布。    3、考慮樁土相互作用影響，采取強化指數    考慮樁土的相互作用效應，支承剛度的調整宜采用強化指數進行控制。    （1）核心區(qū)強化指數宜為1.051.30；外框為二排柱者應大于一排柱，滿堂布樁者應大于柱下和筒下布樁，內外樁長相同者應大于樁長不同、樁底豎向錯位、水平間距較大的布局。    

14、（2）外框區(qū)的弱化指數宜為0.950.85；外框區(qū)的弱化指數根據核心區(qū)強化指數越大，相應的弱化指數越小的關系確定。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，外框區(qū)的弱化指數隨之實現。    核心區(qū)強化指數 ：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、主裙連體設計原則 

15、   對主裙連體建筑，應按增強主體、弱化裙房的原則設計，裙房宜優(yōu)先采用天然地基、疏短樁基；對于較堅硬地基，可采用改變基礎形式加大基底壓力、設置軟墊等增沉措施。    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，應有利于應用后注漿增強技術，應確保單樁承載力具有較大的調整空間。    基樁宜集中布置于柱、墻下，以降低承臺內力，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    宜在概念設計的基礎上，進行上部結構-基礎（承臺）-樁土的共同作用分析，優(yōu)化細化設計；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、樁基變剛度設計細則    1、框筒結構    （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，樁數多

17、，樁距小，不考慮承臺分擔荷載效應。    對于非軟土地基，外框區(qū)應按復合樁基設計，既充分發(fā)揮承臺分擔荷載效應，減少用樁量，又可降低內外差異沉降。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，形成內外樁基應力場豎向錯位，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：    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超過5根時，核心區(qū)強化指數宜取1.21.3，一排柱取低值。    外框區(qū)弱化指數根據核心區(qū)強化指數越高、弱化指數越低的關系確定；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，使外框區(qū)相應弱化。    （3）對于框剪、框支剪力墻、筒中筒結構形式，可參照框筒結構變剛度調平原則布樁。對荷載集度高的電梯井、樓梯間予以強化，其強化指數按其荷載分布特征確定。&

19、#160;   2、剪力墻結構    剪力墻結構不僅整體剛度好，且荷載由墻體傳遞于基礎，分布較均勻。對于荷載集度較高的電梯井和樓梯間應強化布樁?；鶚兑瞬贾迷趬ο拢瑢τ趬w交叉、轉角處應予以布樁。當單樁承載力較小，按滿堂布樁時，應適當強化內部、弱化外圍。    3、樁基承臺設計    由于按前述變剛度調平原則優(yōu)化布樁，各分區(qū)自身實現抗力與荷載平衡，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減小。【按傳統(tǒng)設計理念，樁筏基礎的筏式

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】    對變剛度調平設計的承臺，應按計算結果確定截面和配筋。    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）筏板最小配筋率應符合規(guī)范要求。    筏形承臺的選型：    （1）對于框筒結構，核心筒和柱下集團式