横琴创意谷又名横琴创新产业基地, 位于珠海横琴新区东侧, 东邻澳门大学, 南邻横琴新家园商业街, 北邻天沐河中心沟。工程主要建筑功能为办公、公寓, 地上3~6层, 建筑高度为13.950~22.400m, 无地下室, 建筑用地面积3.8万m², 总建筑面积约13.7万m²。整个项目分两期建设, 一期工期极为紧迫, 故采用钢结构 (初期按临时建筑设计, 因此快建快拆并可回收利用是其中一个重要考虑因素, 后改为永久建筑) ;二期采用钢筋混凝土结构。目前, 已完成整个项目验收, 一期已顺利交付使用, 建筑工程实景图如图1所示。

　　 工程结构的设计使用年限为50年^[1], 建筑结构安全等级为二级, 地基基础设计等级为乙级^[2], 建筑抗震设防类别为标准设防类, 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.10g, 场地类别为Ⅱ类, 设计地震分组为第一组。基本风压取0.85k N/m², 地面粗糙度类别为C类, 体型系数取1.3, 承载力设计时按基本风压的1.1倍采用。

　　 工程采用锤击式PHC管桩基础。管桩采用开口型桩尖, 采用80#重锤并提高冲程至1 900~2 500mm, 使得直径500的PHC管桩顺利穿越粗砂层12m以上。

　　 工程岩土层自上而下由人工填土、淤泥、淤泥质土、粉质黏土、粗砾砂 (中砂) 、砾质黏性土、全风化岩、强风化岩、微风化岩等组成, 基岩为花岗岩。场地表层存在较厚软土 (淤泥、淤泥质土) , 最大厚度约20m。场地内靠近环岛东路一侧和西南部河沟两侧揭示有厚层状填石分布, 填石岩性为微风化花岗岩, 直径较大, 填石层厚度不均 (估计2~8m不等) 、石料坚硬、石块较大、被填土或淤泥包裹。填石层的存在将严重影响基桩的成桩施工, 结合本项目的工期要求, 经充分调研、反复比选, 对多种候选基础方案进行了研讨与论证, 最后确定采用锤击式PHC管桩基础, 其中填石区域先用潜孔锤^[3,4]进行引孔, 孔内填砂, 然后再进行管桩施工。

　　 采用潜孔锤预引孔后, 解决了管桩难以穿越高强度填石夹层的问题, 该填石区域沉桩顺利, 时间成本和工程造价均取得非常可观的效益。

　　 管桩桩径根据具体情况选用D500和D600, 单桩承载力特征值R_a、桩长L及入持力层深度分别为:1) D500桩:R_a=1 700k N, L≈48~60m, 桩端入中砂层12m;2) D600桩:R_a=2 800k N, L≈48~73m, 桩端入强风化岩0.5m。场地后期还需进行大面积填土, 且原填土层、淤泥层均为欠固结土层, 故桩基设计时须考虑相关土层后期固结沉降引起的负摩阻力的影响, D500桩和D600桩负摩阻力分别取300k N和350k N。根据文献[5-6], 桩的长径比较大且穿越了较厚的淤泥等软弱土层, 应考虑桩身的稳定性及其对承载力的影响, 设计中补充了最不利情况的桩身稳定性分析, 按文献[5]计算所得D500和D600桩正截面受压承载力约为2 200k N和3 700k N, 可满足设计要求。

　　 根据水质分析, 临近北侧中心沟相关区域的地下水对钢筋混凝土结构在干湿交替环境下具有中等腐蚀性, 因此出于工期及造价的考虑, 仅对该区域的最上一节的管桩 (结合观测水位判断浅层干湿交替出现的位置) 提出了以下耐久性要求:1) 管桩混凝土材料最大水胶比为0.36, 凝胶材料用量380~530kg/m³;2) 氯离子含量≤0.06% (28d水溶值) ;3) 水泥含碱量≤0.06%, 或混凝土内总含碱量≤3.0kg/m³;4) 采用无潜在碱活性的骨料, 粒径≤20mm, 并采用单粒极石子两级配或三级配投料;5) 用作矿物掺合料的粉煤灰应选用游离氯化钙含量≤10%的低钙灰;6) 拌和用水量≤150kg/m³;7) 预应力钢筋置于管桩壁中间, 外侧钢筋保护层厚度≥45mm;8) 端头板、机械连接件、桩尖钢板厚度比普通标准增加2mm;9) 应采用电焊封闭上、下节桩的接缝。

　　 通过分析提出的分区域分段处理方式, 节约了土建成本, 十分经济, 得到业主的好评。

　　 在实际施工过程中, 由于一些不利因素, 经常有打爆桩头, 桩外部混凝土局部脱落以及桩头端板被打掉 (伴随内外壁纵裂) 等现象, 造成无法继续沉桩, 一般需重新增补桩位。

　　 本工程采用了管桩桩头的加固修补方法, 提高了管桩利用率, 保证了施工进度并节约了成本。该方法首先清除桩头上部已破损疏松的混凝土, 露出3~4cm主筋, 调直使之垂直地面, 并将破损桩头的混凝土锯平;再用水洗去混凝土的浮灰及表面的泥土, 干燥后, 在桩头上加套同规格的桩帽, 并将外露主筋与桩帽连接, 再将与桩帽配套的托盘置于管桩内腔, 并将托盘与桩帽连接起来, 最后, 在托盘、环行端板及管桩内壁形成的腔体内充满环氧树脂混凝土, 环氧树脂混凝土固化后即可继续接驳沉桩。图2为本工程桩头加固修补完成照片及桩帽组成示意图。

　　 基于本项目施工组织、工期和造价等因素的综合考虑, 一、二期工程中, 室外道路软基处理分别采用PHC管桩和CFG桩, 桩径为400mm。化粪池或隔油池的基坑支护采用 (双) 钢板桩, 内设钢管支撑, 与腰梁围檩焊接。

　　 工程一期由1-A, 1-B, 4-A和4-B四栋钢结构办公楼组成, 首层为钢筋混凝土梁板、上部楼层为钢柱、钢梁和钢筋桁架楼承板;工程二期除部分雨棚为钢结构外, 其余办公楼、公寓、会所和泳池及配套建筑等均为钢筋混凝土结构, 其中公寓为剪力墙结构, 其余为框架结构。混凝土强度等级为C30, 钢筋为HRB400, 钢材为Q345。楼盖主要采用现浇单向主次梁楼盖。

　　 本项目均为多层建筑, 且一期工程采用了抗震性能较好的钢结构, 因此仅在二期工程中对建筑外观及功能影响较小而对结构规则性有较大改善的局部位置设置了变形缝。一、二期工程分别以4-A栋和4-C栋为例, 结构平面布置如图3所示。

　　 除部分建筑效果要求以及与梁斜交位置处采用圆柱外, 一般位置钢柱采用方柱, 主要截面为□400×400×20×20和500×20, 钢梁采用H型钢, 主要截面为H300×200×8×10和H500×300×12×20。钢结构构件连接节点刚接时采用栓焊、铰接时采用螺栓连接。采用螺栓连接, 一方面可进一步加快现场钢构的施工速度、减少焊缝质量缺陷的影响, 另一方面日后拆除更为便捷并可提高钢构件的回收利用效率。典型螺栓节点大样如图4所示。

　　 钢结构中常采用压型钢板混凝土组合楼板, 但是为保证波峰位置处的有效高度, 楼板总厚度较大;由于钢板的凹凸, 只能单方向布置受力钢筋, 另一方向则布置分布钢筋。相比而言, 本工程采用的钢筋桁架楼承板具有可双向布置受力钢筋、下层钢板可拆卸回收、楼板总厚度较薄、防腐蚀及防火性能好等优点, 钢筋桁架楼板工程实景如图5所示。

　　 钢-混凝土组合梁可考虑梁两侧混凝土翼板对梁抗弯承载力的贡献^[7,8,9]。本工程楼板厚110mm, 以钢梁HN500×200, 栓钉4.6级d19为例, 按文献[7]计算所得正弯矩区段的抗弯承载力为不考虑翼板作用时的1.77倍 (中梁) 和1.47倍 (边梁) , 选取钢梁HN600×200和HN400×200验算, 同样得出比例约为1.6倍 (中梁) 和1.4倍 (边梁) 。因程序无法考虑该承载力的提高, 故考虑一定安全富余, 人为地将中梁和边梁的跨中应力比限值分别放大至1.4和1.2作为初判依据。

　　 本工程的部分办公楼属超长结构, 为避免温度、收缩应力使楼板开裂, 采取如下措施:

　　 (1) 设计:每隔30~40m设置后浇带, 并采用微膨胀混凝土;结构设计中考虑温度应力的影响;楼板采用拉通钢筋并提高长方向楼板最小配筋率;长方向梁纵筋 (含架立筋、腰筋) 拉通, 满足受拉钢筋要求。

　　 (2) 材料:不得使用收缩性大的火山灰水泥;混凝土中添加粉煤灰代替部分水泥用量, 控制砂率和水胶比等, 同时采用60d龄期强度作为设计强度。

　　 (3) 施工:控制混凝土入槽温度, 加强混凝土振捣, 加强养护 (建议采用蓄水养护) 并延长养护期, 加强楼面保护。

　　 本工程采用SATWE软件 (V2.2版) 进行结构的整体计算, 考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、扭转耦联及施工模拟, 考虑斜交抗侧力构件方向的水平地震作用;考虑结构使用年限的活载调整系数和结构重要性系数为1.0;一期工程钢梁不考虑梁端负弯矩调幅, 钢结构阻尼比为0.04, 二期工程钢筋混凝土结构阻尼比为0.05。一期工程以4-A栋为例, 二期工程以4-C栋为例 (图3 (b) 中变形缝右侧结构单元) , 计算结果如表1所示。图6为风荷载及地震作用下4-A栋结构层间位移角曲线。

　　 在风荷载及地震作用下各构件的强度和变形、刚度比、受剪承载力和剪重比等均满足设计规范要求。4-A栋的最大层间位移比超出《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[10] (简称抗规) 限值, 考虑到结构只有5层, 不属于高层建筑 (高度H=22.2m) , 且层间位移角远小于规范要求的1/250, 因而认为可适当放宽层间位移比的限值。

　　 钢筋混凝土框架结构在地震作用下损伤的根源是结构在地震过程中形成的塑性铰的损伤, 即在地震往复作用之后产生的塑性转角以及塑性极限承载力的降低^[11]。而单跨框架结构安全冗余度低, 一旦柱脚出现塑性铰, 就有可能发生结构整体连续倒塌。抗规第6.1.5条规定, 高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。但在实际工程中, 因建筑功能的需要, 难以避免局部单跨框架的出现, 一期工程4-A斜向60°方向局部5榀为单跨框架, 如图3 (a) 所示。

　　 王剑文等^[12]对高烈度区局部大跨度 (31m) 单跨钢筋混凝土框架结构进行了罕遇地震下的弹塑性分析, 结果表明:基于抗规合理设计后, 可以满足“大震不倒”的性能化目标。考虑到本工程采用了抗震性能较好的钢结构, 跨度不大, 且规范为“不宜”, 因此同意采用局部单跨, 但应采取措施保证结构具有足够的安全富余度。因局部含单跨框架的4-A, 4-B两栋建筑高度接近24m, 故参考文献[13]第6.1.2条, 对二者进行性能化设计, 将设防烈度地震作用下结构的性能目标设为C级, 钢柱壁厚加大10%~40%后, 能满足中震不屈服验算, 符合强柱弱梁的抗震概念。

　　 为了满足建筑造型需要, 一期工程室外楼梯均采用双柱悬挑钢梯, 如图7所示。双柱通过钢梁拉结, 为验证与之垂直方向的结构侧向稳定性, 采用PMSAP软件对双柱悬挑钢梯结构进行整体线弹性屈曲分析, 即未考虑结构初始缺陷及材料非线性。首先读取楼梯钢柱在恒载和活载下的轴力, 叠加后作为屈曲工况下的外荷载输入, 第一阶屈曲模态如图8所示 (模型挑选了相邻局部跨) , 失稳方向为垂直于双柱连线方向, 所得整体稳定安全系数N最小值为234.30, 远大于限值4.0, 满足整体稳定性的要求。

　　 由表2可知, 所得各层楼梯柱计算长度系数均小于2, 实际设计中仍偏于保守地取各楼层段计算长度系数为3.00。

　　 一期工程采用埋入式柱脚, 当埋入深度达到一定值时, 钢柱受到的剪力和弯矩可以全部由混凝土的侧压力来平衡, 此时柱脚底板和锚栓可根据构造与施工要求设置^[14], 柱脚埋置深度、锚栓直径、间距以及边距可参考文献[15]。在所有的钢柱调整就位完毕之前, 柱脚均是未浇筑混凝土的, 因此需考虑这一阶段的施工荷载 (包括风荷载) 。本工程在钢构深化之后, 为了减少运输成本以及现场焊接数量及时间, 3层高的通柱直接在工厂加工完成并于现场吊装就位, 此时, 施工阶段迎风面积的增大导致原设计柱脚锚栓满足不了受力要求, 经验算采用12个M24可满足。图9为本工程第一根钢立柱及其柱脚。

　　 由于建筑造型的限制, 在二期工程4-C, 4-D和4-E三栋办公楼中均出现了大跨局部托柱转换 (跨度18.3m) , 本工程采用空腹桁架, 范围参考图3 (b) 。空腹桁架兼有刚架和桁架的受力特点, 其杆件除了承受弯矩和剪力外, 同时还承受轴力。区别于普通桁架转换的是空腹桁架主要由弦杆和直腹杆组成, 没有斜腹杆, 对建筑立面的影响较小, 易于被建筑师接受;相对于普通梁式转换, 空腹桁架有空间结构的优点, 整体性好, 可避免强梁弱柱和刚度突变等问题, 而且适用于对转换层净空有要求的情况。

　　 图10为4-C栋梁式转换和空腹桁架转换的梁柱截面和恒载作用下弯矩图。计算时相关区域楼板采用弹性板6, 梁式转换为逐层加载, 而空腹桁架转换将各楼层定义为同一个施工次序。对比可发现, 采用空腹桁架转换后, 底层梁的弯矩明显减小, 恒载作用下正、负弯矩减幅分别约为原来弯矩的1/2和1/3;同样地, 各层剪力相对更均匀, 底层剪力最大值约减小了原剪力的1/3;组合工况下的底层 (转换) 梁及转换柱内力设计值对比如表3所示, 其中梁式转换中转换柱配筋已超4%。

　　 本工程仅为多层建筑, 不考虑用型钢, 而且受限于建筑条件, 除桁架底层其余层梁高≤800mm, 因此底层梁截面较多大于上部楼层, 故内力仍然相对集中于底层。转换层与上部楼层梁刚度比越接近, 则越近似于空腹桁架, 相差越大则越近似于普通的梁式转换, 文献[16]认为需考虑桁架整体作用时该比值应大于0.2。设计中需注意杆件的受拉情况及挠度控制, 各层梁纵筋需拉通。另外, 此处同样存在局部为单跨框架的问题, 因此也做了性能化设计, 转换柱需同时满足大跨框架、转换柱的相关设计要求以及中震不屈服验算。

　　 设计中空腹桁架结构 (3~6层) 为一次性加载, 即形成整体刚度后才开始受荷, 因此施工过程中需对该区域采取有效可靠的施工支撑措施, 使得上部各层的自重及施工荷载全部由底部的支撑系统来承担。待相关区域内各层的混凝土全部达到100%设计强度后, 方可自上而下逐步拆除各层模板及支撑, 最后拆除底部支撑系统时, 应采用带读数功能的千斤顶进行多点同步卸载。底部支撑系统应经专门设计, 确保其具有足够的强度与刚度。另考虑到本项目场地存在深厚软土的因素, 建议采用斜撑或钢架等手段, 将支撑力传递至两侧桩承台。

　　 另根据详勘报告, 场地20m深度内不存在饱和砂层、粉层, 本工程可不考虑砂土液化的影响。如需考虑该影响, 应采取消除地基液化沉陷的措施, 包括承载力计算、液化土层加固、增加螺旋箍筋、填实空芯、加强桩头与承台的连接等^[10,17]。

　　 本文介绍了横琴创意谷项目的地基基础设计和结构设计, 主要有以下几点需要注意或可作为类似工程的参考:1) 管桩无法穿越厚硬填石 (孤石) 夹层时, 可采用大直径潜孔锤进行预先引孔;2) 桩的长径比较大且穿越较厚欠固结土层时, 应考虑桩身的稳定性对桩身承载力的影响, 并计入负摩阻力;3) 根据地下水对钢筋混凝土结构的腐蚀性, 可分区域、分段地对桩提出相关耐久性要求;4) 如为临时性建筑且施工工艺成熟, 则可采用螺栓连接为主, 甚至全螺栓连接的钢结构, 有快建快拆并可回收利用的优势;5) 钢-混凝土组合梁可考虑梁两侧混凝土翼板对梁抗弯承载力的贡献;6) 超长无缝结构为避免温度、收缩应力使楼板开裂, 须从设计、材料和施工等加以控制;7) 根据规范, 当最大层间位移角远小于限值时, 位移比可适当放宽;8) 超限项宜按性能化设计思想, 对结构薄弱部位、关键构件适当加强, 提高抗震性能;9) 存在跃层柱时, 应判断程序计算长度系数的合理性;10) 施工阶段的验算及拟合计算模型所采取的施工措施非常重要;11) 空腹桁架受力相对均匀, 整体性好, 但应做好施工阶段的支撑、卸载、拆模等施工措施和组织计划, 以保证施工和计算一致。