华润置地 (太原) 发展有限公司开发的太原幸福里项目, 位于山西省太原市, 抗震设防烈度8度 (0.2g) , 由7栋超高层住宅 (7#～13#楼) 、多层沿街商业及连为一体的2层地下车库组成。7栋住宅主楼均采用剪力墙结构, 地下3层 (层高及顶板标高与地下车库有差异, 故层数不同) , 地上38～40层, 结构高度117.60～128.30m, 均超过了规范^[1]8度 (0.2g) 区A级高度剪力墙结构的最大使用高度100m, 为B级高度高层结构, 结构等效高宽比6.95～7.50, 超过规范^[1]8度 (0.2g) 区剪力墙结构的最大高宽比限值5.0。整个项目具有抗震设防烈度高、结构超高和高宽比大三个特点。

　　 根据《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) ^[2], 本工程场地土的类型为中软土, 场地类别为Ⅲ类。场区土层自上而下主要为粉土、粉细砂及粉质黏土、圆砾等土层, 场地为中等液化场地。各主楼基底的天然地基承载力无法满足承载力要求, 综合本工程上部结构与地基土层分布情况, 各主楼均采用后注浆钻孔灌注桩+平板式筏形基础, 后注浆钻孔灌注桩桩径为700mm, 桩长为25～30m, 以⑥_-1层圆砾层作为桩端持力层, 单桩竖向承载力特征值为3 900kN, 筏板厚度为1.50m。

　　 本工程主楼存在结构高度超A级高度、高宽比超限及局部错层, 为抗震超限工程。对上部结构提出了小震不损坏、中震可修复损坏、大震中度损坏并且不发生倒塌的抗震性能目标, 并控制小震下基础底面不出现零应力区。由于本工程的地震作用和高宽比均较大, 经计算, 结构在中震下外侧剪力墙受拉, 同时基础底面存在零应力区, 意味着出现了基础一侧桩基受拉、另一侧桩基受压增大的工况。若仅对上部结构进行性能设计, 而忽视桩基的抗震性能显然无法满足结构的安全性。为考察中震、大震下桩基的受力性能, 经与超限审查专家沟通, 对桩基进行了小震、中震和大震下的抗震性能设计, 以确保本工程桩基具有与上部结构相对应的抗震性能目标。

　　 本工程采用PKPM2010 v2.1软件进行结构计算分析。桩基在不同地震水准下均采用相同的计算模型, 仅调整不同地震水准下的相关设计参数。模型包括主体结构及车库相关范围内构件。在小震时, 主体结构 (以13#楼为例) 主要计算参数见表1。

　　 中震及大震下桩基的竖向承载力验算, 主要是为了避免上部结构过大的水平惯性力引起的桩-筏板连接破坏或浅部桩身的受压破坏, 以及桩基出现不容许的沉降或不均匀沉降^[3]。其中, 中震下主要验证桩身承载力 (抗压或抗拉) , 大震下主要验证单桩竖向承载力。

　　 在我国现行规范^[1,4,5]中仅有非抗震工况和小震工况下的桩基竖向承载力验算规定, 没有中震和大震下桩基竖向承载力验算的设计建议。对于本工程及与之类似的超限工程, 如何进行桩基在中震、大震下的性能设计, 目前还无成熟经验。

　　 根据文献[3], 首先必须遵循《建筑工程抗震性态设计通则》 (CECS 160∶2004) 的抗震设计原则, 采取《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[4] (简称桩基规范) 中的各项构造措施, 坡地岸边桩基还应进行桩基整体稳定性抗震验算, 在此基础上控制中震、大震下桩基竖向承载力的安全度, 尤其是在基本风压较小的高烈度区。

　　 为达到本工程桩基具有与上部结构相对应的抗震性能目标, 并考虑到桩基震后修复的困难性, 确定本工程桩基的抗震性能目标为:小震下不损坏;中震下轻微损坏;大震下允许部分受损, 但不能失效, 不致引起结构倒塌。即小震下弹性, 中震下不屈服, 大震下不破坏。

　　 桩基承载力分为单桩竖向承载力和桩身承载力, 根据桩基规范, 分述如下。

　　 根据桩基规范第5.2节规定, 桩基竖向承载力计算应符合下列要求:非抗震工况时, 有N_k≤R_a和N_kmax≤1.2R_a, 小震工况时, 又有N_Ek≤1.25R_a和N_Ekmax≤1.5R_a, 而R_a=Q_uk/2。即对于非抗震工况, 以单桩竖向极限承载力标准值Q_uk衡量的轴心受压单桩的竖向承载力安全系数不小于2.0;偏心受压群桩的平均安全系数不小于2.0, 其中最低的安全系数不应小于2/1.2≈1.67。对于小震工况, 允许单桩竖向承载力提高1.25倍, 即安全系数降为非抗震工况的0.8倍, 单桩竖向承载力的安全系数不小于1.6;偏心受压群桩的平均安全系数不小于1.6, 其中最低的安全系数不应小于2/1.5≈1.33。

　　 由于中震和大震发生的概率比小震发生概率依次递减, 按照2.2节提出的性能目标, 桩基竖向承载力安全系数下限值也可依次比小震时低。中震时桩基竖向承载力应适当留有安全系数, 大震时可基本采用竖向极限承载力标准值。按照文献[3]建议, 并根据本工程实际情况, 最终取各工况下桩基竖向承载力安全系数如表2所示。

　　 为方便量化比较并与非抗震时的单桩竖向承载力特征值R_a区分, 定义Q_uk/1.6为桩基竖向承载力小震标准值, Q_uk/1.3为桩基竖向承载力中震标准值, Q_uk为桩基竖向承载力大震极限值。

　　 为便于讨论, 在本节中N表示荷载效应基本组合下桩顶轴向压力设计值, N_k, N_k小震, N_k中震, N_k大震分别表示非抗震工况、小震工况、中震工况、大震工况下的桩顶轴向压力标准值。

　　 根据桩基规范第5.8.2条规定, 非抗震工况时, 钢筋混凝土轴心受压桩正截面受压承载力为:

　　 ${\rm N}\le \psi {}_{\text{c}}f{}_{\text{c}}A{}_{\text{p}\text{s}}+0.9f{}_{{\text{y}}^{\prime }}A{}_{{\text{s}}^{\prime }}(1)$

　　 其中ψ_c为基桩成桩工艺系数, 灌注桩取ψ_c=0.7～0.8。此时上部结构荷载为基本组合下的设计值, 换算成荷载标准值时, 应在式 (1) 基础上除以1.35的分项系数, 即N_k≤ (ψ_cf_cA_ps+0.9 f_y′A_s′) /1.35。

　　 小震工况时, 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[5] (简称抗规) 第5.4.2条, 小震工况下桩身承载力可以除以承载力抗震调整系数γ_RE, γ_RE可按轴压比不小于0.15的柱取为0.8。小震工况时, 上部结构荷载仍为基本组合下的设计值, 换算成荷载标准值时也应除以1.35的分项系数。即在式 (1) 基础上除以0.8, 1.35两个系数, 得N_k小震≤ (ψ_cf_cA_ps+0.9 f_y′A_s′) /1.08。

　　 中震工况时, 按照中震不屈服原则, 上部结构荷载取为地震作用标准值, 桩身抗力取材料强度标准值, 不再考虑承载力抗震调整系数, 且为使桩身承载力保留一定的富裕度, 中震工况未计入钢筋的承压作用贡献, 即N_k中震≤ψ_cf_ckA_ps。其中 f_ck表示混凝土轴心抗压强度标准值。

　　 大震工况时, 按照大震不破坏原则, 上部结构荷载取为地震作用标准值, 桩身抗力取材料强度标准值, 不再考虑成桩工艺系数, 且为使桩身承载力保留一定的富裕度, 大震工况未计入钢筋的承压作用贡献, 即N_k大震≤ f_ckA_ps。

　　 为便于讨论, 在本节中N表示荷载效应基本组合下的桩顶轴向拉力设计值, N_k, N_k小震, N_k中震, N_k大震分别表示非抗震工况、小震工况、中震工况、大震工况下的桩顶轴向拉力标准值。

　　 根据桩基规范第5.8.7条规定, 非抗震工况时, 钢筋混凝土轴心抗拔桩的正截面受拉承载力为:

　　 ${\rm N}\le f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}(2)$

　　 此时上部结构荷载为基本组合下的设计值, 换算成荷载标准值时, 应在式 (2) 基础上除以1.35的分项系数, 即N_k≤ f_yA_s/1.35。

　　 小震工况时, 根据抗规第5.4.2条, 小震工况下桩身承载力可以除以承载力抗震调整系数γ_RE, γ_RE可按受拉构件取为0.85。同样, 换算成荷载标准值时也应除以1.35的分项系数。即在式 (2) 基础上除以0.85, 1.35两个系数, 得N_k小震≤ f_yA_s/1.15。

　　 中震工况时, 荷载取地震作用标准值, 抗力取钢筋的屈服强度标准值, 不考虑承载力抗震调整系数, 即N_k中震≤ f_ykA_s。其中, f_yk为钢筋屈服强度标准值。

　　 大震工况时, 荷载取地震作用标准值, 抗力取钢筋的极限强度标准值, 不考虑承载力抗震调整系数, 即N_k大震≤ f_stkA_s。其中, f_stk为钢筋极限强度标准值。

　　 以13#楼为例, 桩基平面布置图如图1所示。后注浆钻孔灌注桩桩身混凝土强度采用C35;普通桩桩身配筋为12■16, 南北向最外排桩桩身配筋提高至14■16;成桩工艺系数采用0.75。

　　 以8#, 10#, 13#楼为例, 根据桩基规范计算桩基承载力, 如表3所示 (其中受拉承载力未考虑注浆钢管的有利作用) 。

　　 以8#, 10#, 13#楼为例, 小震下未出现桩基受拉, 8#楼桩基最大竖向偏心压力值为4 147kN, 10#楼为4 129kN, 13#楼为4 151kN, 均满足设计要求。中震及大震下桩基受力见表4～7。

　　 以13#楼为例, 小震、中震和大震下, 桩基竖向承载力验算结果如表8所示。

　　 其中桩基受压承载力在小震验算时取桩身竖向受压承载力, 中震及大震验算时取单桩竖向承载力与桩身受压承载力较小者。结果表明, 桩基受压承载力均满足相应安全系数要求;中震和大震下桩身的受拉承载力也满足设计要求。

　　 针对本工程桩基在中震和大震下一侧边桩受拉、另一侧边桩受压增大的情况, 为尽量减小地震作用对桩基的效应, 特别是中大震下边桩的拉力和极值压力, 同时又不致使桩基数量和造价增加较多, 设计做出如下处理:1) 将筏板外挑长度增加至2.0～2.5m, 以拉大最外排桩至结构外墙的距离, 降低边桩在地震作用下的压力和拉力;经过计算对比分析, 中大震时若筏板外挑长度减小500mm时, 外侧桩基受力增大约2%～10%。2) 最外两排边桩间距加密, 并采用梅花形布置, 同时适当加大内部桩基的间距。3) 为抵抗边桩拉力, 最外两排桩根据其性能设计结果适当提高桩身配筋率, 满足大震下的抗拉需求。

　　 本工程场地为中等液化场地, 液化土层主要是位于桩身中上部的②_-2层粉细砂和④层粉细砂。桩是一种具有桩周土侧向支撑的柱型压弯杆件, 长径比一般较大, 液化土层对于桩周土的侧摩阻力、桩身稳定性和强度均有影响, 必须作出处理。结合工程特点处理措施如下:1) 桩身完全穿过液化土层, 且进入稳定土层的长度远大于规范下限;2) 桩承载力计算时, 对液化土层提供的桩周侧阻力进行折减, 折减系数按照专家论证结果;3) 桩身的箍筋加密区穿过全部液化土层范围;4) 桩顶采用1.5m厚筏板, 增大基础整体刚度, 并将全部桩顶进入筏板100mm, 加强桩与筏板的连接。

　　 (1) 静载试验测定Q_uk用的是慢速加载, 加载条件与地震作用下快速加载有所不同, 材料强度和岩土抗力在地震动荷载作用下会与静力状态有所不同。对特别重要工程, 宜用更加精确的方法进行分析。

　　 (2) 根据本工程上部结构性能目标, 中震和大震下均允许部分构件进入塑形, 需进行动力弹塑性分析。但目前结构的动力弹塑性分析结果并不能直接用于基础设计, 因此本工程参照已进行的动力弹塑性分析结果, 进行了反应谱分析, 通过调整结构连梁刚度、阻尼比等参数, 尽量使结构在中震、大震下反应谱分析的基底剪力与动力弹塑性分析的基底剪力相近, 以反应谱分析结果指导基础设计。

　　 (3) 进行了桩基的抗震性能设计, 但筏板基础是否同样需要进行抗震性能设计, 还需进一步探讨。

　　 (4) 本工程所采用的桩基性能设计, 针对于桩身承载力采用的分项系数法, 并根据不屈服和极限承载力的要求取用了不同的材料强度。对于岩土提供的单桩承载力采用了安全系数法, 并按照非抗震、小震、中震、大震的顺序对安全系数依次进行了递减。由于规范并未对此作出规定, 各工况下采用的安全系数是否合适还需要进一步探讨。

　　 对于高烈度区高度超限结构, 尤其当其高宽比较大时, 在中大震下经常出现底部结构受拉的情况, 当地下室周边均为车库时, 此拉力往往会下传至基础, 导致边桩受拉, 同时另一侧边桩压力增大。此时, 仅对上部结构进行抗震性能设计, 而对桩基仅进行非抗震和小震设计难以保证结构安全度。因此, 此种结构宜将桩基抗震性能设计纳入整体的性能设计体系, 并使桩基的抗震性能目标与上部结构相适应。

　　 对桩基性能设计做出了尝试, 提出了桩基的抗震性能目标, 并根据有关文献, 针对不同的地震工况采用了桩基承载力不同的安全系数以及桩身承载力不同的材料取值。

　　 从设计应用角度对桩基性能设计进行了处理, 但对在地震下的材料强度和岩土抗力取值问题、安全系数取值是否合理、以及是否需进一步进行基础的抗震性能设计等问题还需要进一步探讨。