体型复杂、层数相差大的高低层连成一体的建筑物,荷载分布差异较大,高层塔楼与低层裙楼及纯地下车库之间的地基变形差异显著,沉降差异控制是该类建筑地基基础设计的主要内容 ^[1,2]。

　　 月坛金融中心工程是典型的体型复杂、层数相差大的高低层连成一体的建筑物,项目由多栋高层、裙房组成,还存在无上部结构的纯地下室,地下部分和基础连成一体,不设置永久沉降缝。采用天然地基,同时又有抗浮锚杆,由于抗浮锚杆对土体的增强作用,使得天然地基的沉降控制更加困难。本文通过调整基础刚度与地基刚度并基于沉降计算分析来减小抗浮锚杆对结构变形控制的不利影响,有效协调与控制差异沉降,减少差异沉降产生的结构次应力并优化基础配筋。

　　 月坛金融中心工程(图1)位于北京市西城区北京金融街西拓区月坛地块,南礼士路月坛公园东。建设用地面积33 291m²,总建筑面积为396 855m²,其中地上建筑面积255 477m²,地下建筑面积141 378m²。

　　 项目由5栋建筑高度分别为80～100m不等的塔楼(1#～5#楼)、1栋建筑高度15m的体育训练馆(6#楼)及建筑高度22m的商业裙房组成,项目的平面图、建筑剖面图分别见图2,3。建筑物地下部分共5层,主要功能为商业配套、车库及其他服务设施等,地下室最大轮廓尺寸为165m×222m。

　　 地上部分:塔楼(1#～5#楼)18～23层、体育训练馆(6#楼)1层、商业裙房4层; 塔楼(1#～5#楼)1层层高为6m,2～4层层高为5.0m,标准层层高为4.05m; 地上建筑主要功能是商业、办公、体育休闲综合体,塔楼建筑标准层平面轮廓尺寸分别为37m×72m(1#楼),50m×41m(2#楼),44m×41m(3#楼),53m×41m(4#楼、5#楼),典型柱网尺寸为9m×9m。整个建筑地下连成一体,置于同一个筏形基础上。

　　 工程的抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.20g,设计地震分组为第一组。建筑结构安全等级为二级,结构设计使用年限为50年。建筑抗震设防类别为标准设防类 ^[3],建筑场地类别为Ⅱ类。

　　 地下结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构; 塔楼(1#～5#楼)结构采用钢梁矩形钢管混凝土柱框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系; 体育训练馆采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系; 裙房采用钢梁矩形钢管混凝土柱框架结构体系。

　　 基础结构采用天然地基上的钢筋混凝土梁板式筏形基础。地基基础设计等级为一级 ^[4]。基础最大埋深为室外地面以下约27m,见图3。

　　 室内设计标高±0.00相当于绝对标高46.30m; 基础槽底相对标高-26.730～-26.430m相当于绝对标高19.570～19.870m。各楼设计信息详见表1。

　　 根据勘察报告,拟建场区地面下80.00m范围内的地层自上而下共划分为人工堆积层、第四纪沉积层及第三纪沉积岩层,按地层岩性及其物理力学性质指标划分为7个大层,各土层自上而下如下:

　　 ①杂填土层:杂色,稍密,含有大量砖块、灰渣、建筑垃圾及生活垃圾,局部夹①₁素填土层。本层厚度0.5～10.3m。

　　 ②粉质黏土-重粉质黏土层:褐黄色,可塑,含云母,铁锰质氧化物,局部夹②₁粉细砂,②₁粉细砂标贯值16～21击,平均18击。本层厚度1.1～5.8m。

　　 ③卵石层:杂色,密实,呈浑圆状,粒径一般20～40mm,最大70mm,充填30%细砂及大量黏性土。本层厚度1.1～6.5m。

　　 ④卵石层:杂色,密实,呈浑圆状,粒径一般20～40mm,最大80mm,充填30%中粗砂及少量黏性土。本层厚度13.3～21.5m。

　　 ⑤粉质黏土-重粉质黏土层:褐黄色,可塑,含云母,铁锰质氧化物。本层厚度1.7～8.9m。

　　 ⑥卵石层:杂色,密实,呈浑圆状,粒径一般20～40mm,最大100mm,充填30%中粗砂及黏性土。本层厚度1.8～17.1m。

　　 ⑥₁粉质黏土-重粉质黏土层:褐黄色,可塑,含云母,铁锰质氧化物。本层厚度1.7～8.9m。

　　 ⑦砾岩层:杂色～褐黄色,强风化,泥质胶结,块状构造,岩芯呈短柱状、碎块状,砾岩只要成分为砂岩、灰岩、石英岩、花岗岩等,磨圆度较好,一般粒径4～7cm,最大粒径为15cm。个别钻孔含⑦₂砂岩层:强风化,砂砾状结构、块状构造,岩芯成碎块状。本层厚度1.0～24.4m。

　　 ⑦₁泥岩层:强风化,泥质胶结,块状构造,岩芯呈土柱状,柱长一般10～20cm,最长40cm,手掰易碎。本次钻探未钻穿该层,最大揭露厚度为31.6m,未钻穿。

　　 稳定水位埋深为20.00～21.80m,稳定水位标高为20.580～27.140m(绝对标高)。勘察报告建议基础抗浮设计水位采用绝对标高40.00m; 建筑防渗设计水位不低于自然地面。

　　 本工程岩土物理力学参数详见表2,典型地质剖面及与基底关系详见图4。

　　 本工程结构的特点是在高烈度地区所建设的一组由5栋建筑高度80～100m的塔楼、1栋建筑高度15m的体育训练馆及建筑高度22m的商业裙房组成。其中1#楼地上18层,屋顶结构高度78.85m; 2#楼地上20层,屋顶结构高度87.55m; 3#～5#楼地上23层,屋顶结构高度99.9m; 商业裙房地上4层。本建筑群塔楼部分结构最大高度为99.9m。依据抗规 ^[5]、高规 ^[6]要求,适用于1#～5#楼的结构体系有钢筋混凝土框架-剪力墙及钢筋混凝土框架-核心筒结构、钢梁钢管混凝土柱框架-钢筋混凝土核心筒混合结构、钢结构。从主体塔楼结构高度适用及平面布置需要,特别是本建筑地处金融街月坛地块,受场地条件、工期进度、投资时间效益、高品质要求、施工技术及造价等因素影响较大,结合绿建及装配率政策要求等方面综合全面考虑后,塔楼结构采用了钢梁矩形钢管混凝土柱框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系。利用建筑楼、电梯井筒等墙体设置钢筋混凝土核心筒,其余外围轴网上布置由内浇混凝土的箱形钢管柱及楼面钢梁组合成的钢管混凝土外框架。塔楼(1#～5#楼)钢管混凝土主要柱截面为□750×750×22×22(1～6层)、□700×700×20×20(7～12层)、□600×600×20×20(13～顶层),钢管柱内浇混凝土强度等级按结构受力需要随建筑高度的增大逐渐降低,分别为C60,C50,C40。钢框架-核心筒混合结构具有良好的抗震性能,便于建筑平面的灵活布置,可获得较大空间,又具有造价适中、材料来源丰富的优点; 楼盖采用楼面钢梁上铺楼承板现浇钢筋混凝土组合楼板体系。外框架钢管柱采用高强度等级钢材及混凝土控制框架柱轴压比,可减小柱用钢量,这样既加强结构抗震性能又提高建筑面积使用率。1#～5#楼采用的结构体系结合了钢结构和混凝土结构的优点,结构抗震性能优于钢筋混凝土结构,耐火性能优于钢结构,结构造价介于钢筋混凝土结构和钢结构之间,尽管该结构体系施工难度比钢筋混凝土结构大一些,但仍然是目前高层及超高层结构中较优的结构体系。

　　 6#楼(体育训练馆)采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。1层为2个网球馆与贵宾休息厅,最大层高14.62m,大跨度场馆屋顶采用钢结构,楼盖除篮球场、网球场、游泳池上空采用钢桁架上铺楼承板现浇钢筋混凝土组合楼板外,其余均采用现浇钢筋混凝土梁板结构。

　　 地上裙房采用钢梁矩形钢管混凝土柱框架结构体系,楼盖采用钢梁上铺楼承板现浇钢筋混凝土组合楼板结构。

　　 地下室为钢筋混凝土框架-剪力墙结构。地下部分不设永久沉降缝,塔楼与裙房间设置沉降后浇带,每隔30～40m设置伸缩后浇带,后浇带宽0.8～1.0m。

　　 基础采用天然地基上的筏形基础,核心筒区域采用平板式筏形基础,基础底板厚度2m; 框架柱区域,采用梁板式筏形基础,板厚1.2m,梁高2m; 纯地下室及裙房采用梁板式筏形基础,板厚1m,梁高1.6～2.2m。其基础平面布置图见图5。

　　 本工程塔楼地上18～23层,地下均5层,基底压力474～545kPa,由图4可见,其持力层为④卵石层,其地基承载力特征值f_ak为300kPa; 该层下有⑤粉质黏土-重粉质黏土层,其地基承载力特征值f_ak为220kPa。两者均低于基底压力,本文采用地基基础规范 ^[7]第5.2.5条确定地基承载力,地基承载力特征值计算公式如下:

　　 $f{}_{\text{a}}={\rm M}{}_{\text{b}}\gamma b+{\rm M}{}_{\text{d}}\gamma {}_{\text{m}}d+{\rm M}{}_{\text{c}}c{}_{\text{k}}$

　　 式中:M_b,M_d,M_c为承载力系数,由地基基础规范 ^[7]表5.2.5查表获得; γ为基础底面以下土的重度,kN/m³; b为基础底面宽度,m; γ_m为基础底面以上土的加权平均重度,kN/m³; d为基础埋置深度,m; c_k为基底下一倍短边宽深度内土的黏聚力标准值,kPa。

　　 基础设计参数取值如下:b=6.0m,d按裙房及纯地下建筑平均基底压力折算成土层厚度并按最小值取值,d=6.76m。

　　 经计算,基础底面以上土的加权平均重度γ_m=17.30kN/m³,其中地下水位按近3～5年最高地下水位绝对标高26.00m考虑。基底及其以下参数见表3。

　　 根据地基基础规范 ^[7],采用内插法,查表5.2.5并计算承载力系数,各承载力系数见表4。

　　 根据以上基础参数、基底土层参数及承载力系数,分别计算地基承载力特征值f_a:

　　 按④层对应的c_k和内摩擦角φ_k计算:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{a}}={\rm M}{}_{\text{b}}\gamma b+{\rm M}{}_{\text{d}}\gamma {}_{\text{m}}d+{\rm M}{}_{\text{c}}c{}_{\text{k}}\\ =5.8\times 10\times 6+10.84\times 17.30\times 6.76+11.73\times 0\\ =1615.7\text{k}\text{Ρ}\text{a}\end{array}$

　　 按⑤层对应的c_k和内摩擦角φ_k计算:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{a}}={\rm M}{}_{\text{b}}\gamma b+{\rm M}{}_{\text{d}}\gamma {}_{\text{m}}d+{\rm M}{}_{\text{c}}c{}_{\text{k}}\\ =0.4\times 10\times 6+2.58\times 17.30\times 6.76+5.16\times 45.5\\ =560.5\text{k}\text{Ρ}\text{a}\end{array}$

　　 基底压力计算详见表5。

　　 根据计算得到的地基承载力特征值f_a和表5基底压力,可判断天然地基承载力能够满足设计要求。

　　 本文中⑤层为软弱夹层,根据规范公式计算出相对较大的地基承载力,与文献[8]中软弱夹层地基考虑土层界面摩擦作用的地基承载力可提高1～2倍,结果较为相近。

　　 基底水头约为20.3m,考虑1.05的安全系数 ^[7,9]后,基底水压力约为213kPa,远远大于5层地下室及基础底板的自重。结合地基基础方案,采取了配重+抗浮锚杆的抗浮方案,其中,配重为基础底板以上房心回填干容重为28kN/m³的钢渣混凝土。见图6。

　　 为确定抗浮锚杆抗拔承载力,进行了抗拔静载荷试验试验,共布置了4组不同长度的抗浮锚杆,锚杆有效长度分别为12,14,16,19m,每组3根,共12根,每组内锚杆间距3m。锚杆直径均为150mm,配筋为332。

　　 注浆体采用素水泥浆,水灰比0.5,水泥标号PO 42.5,注浆体设计强度为30MPa; 第一次注浆压力为0.4～1MPa,第二次注浆在第一次注浆初凝之后、终凝之前或在第一次灌浆强度达到5MPa时进行,第二次注浆水泥浆宜掺入适量膨胀剂。采用循环加卸载法的抗拔静载荷试验,试验结果见表6。

　　 根据试验结果,抗浮锚杆设计如下:锚杆直径不小于150mm,锚杆长度14m,锚杆竖向抗拔承载力特征值取350kN,主筋为332。根据上部结构恒载、房心回填配重和基础底板自重,进行了抗浮锚杆的平面布置。

　　 抗浮锚杆施工完成后,共进行了74根抗浮锚杆验收检测,其中部分锚杆加载与变形的曲线见图7,检测结果汇总见表6。根据地基基础规范 ^[7],抗浮锚杆抗拔承载力均满足设计要求。

　　 为优化基础底板厚度和抗浮锚杆的平面布设,采用有限元软件PLA×IS 3D 2012进行沉降计算,计算模型详见图8。有限元计算时土体本构采用摩尔库伦本构模型,基础底板按实际板厚取值,混凝土强度等级为C40,弹性模量取3.25×10⁷kN/m²,泊松比取0.2。土层参数按表2选取,上部结构荷载采用前处理程序导入PKPM墙柱下荷载。为计算最大沉降值,降低地下水水位,控制其位于基底以下。

　　 沉降的计算结果见图9,可见最大沉降量为48.5mm。经计算,筏板整体挠度值小于0.5‰; 塔楼与裙房的差异沉降小于其跨度的1‰。总沉降量和差异沉降量均小于地基变形允许值,均满足地基基础规范 ^[7]要求。

　　 根据计算结果,提取基底反力,剔除局部奇异值后,基底反力平面分布见图10。由图10可见,2#楼、3#楼之间裙房及纯地下区域和6#楼区域基底反力均小于200kPa,小于该区域基底水浮力,因此以上区域需采取抗浮措施

　　 对本工程进行了沉降观测,但由于本工程地处北京二环,用地紧张,施工可用场地太小,以致于较多观测点被遮挡或被破坏,尤其是纯地下及裙房建筑部分,沉降观测值平面等势线不完整,故不提供沉降观测值等势线图。根据观测结果,最大沉降实测值为21mm,图11为塔楼建筑部分测点沉降实测值与观测周期的关系曲线(测点位置见图9),可见在施工前期,由于卸荷,结构存在一定回弹变形,结构后期变形与建筑物加荷基本一致; 由于部分观测周期的数据缺失,最大沉降实测值21mm小于最大沉降计算值48.5mm,也是合理的。

　　 (1) 上部结构采用钢与混凝土组成的混合结构,较钢筋混凝土结构的自重轻,有利于采用天然地基。

　　 (2) 采用地基基础规范 ^[7]确定地基承载力特征值的方法可行。

　　 (3) 可根据基底反力确定抗拔锚杆的布置,优化锚杆设计。

　　 (4) 沉降实测值验证了本工程的设计合理性,基于土-基础-结构相互作用(共同作用)所预测的地基基础沉降变形特征是较准确的。