高层建筑与裙房间无沉降缝设计与工程实例

　　摘 要:本文基于圣维南原理、黄熙龄沉降控制理论、高层建筑、裙房基础与地基共同作用、弹性地基板沉降差的结构分析等理论，研究分析了高层建筑与裙房沉降差在可控制值内采用无沉降缝设计问题，以及高层建筑与裙房沉降差超过控制值并设后浇带时，在可控制值内提前浇注后浇带问题。在研究过程中实测了二十多幢高层建筑与裙房的沉降差，并将研究成果应用于工程实际中，对全国总工会大楼与裙房间采用无沉降缝设计，对北京万达广场主楼与裙房提前浇注混凝土，取得了良好的社会效益与经济效益。
　　关键词：高层建筑；裙房；无沉降缝设计；提前浇注后浇带

　　1 引言
　　按现行规范要求，在高层建筑与裙房间必需设置沉降缝或后浇带。在地下水位较高时，工程建设强烈希望在高层建筑与裙房间采用无沉降缝设计或尽早浇注后浇带[1]-[5]。本文主要对论文的结构和编排格式提出一些要求。设置没降缝或后浇带存在以下问题：
　　（1）后浇带处理往往出现问题；
　　（2）采用后浇带处理沉降缝出现新旧混凝土粘接问题；
　　（3）钢筋锈蚀问题；
　　（4）不断降水抽水问题；
　　（5）设备安装滞后问题。
　　后浇带的最大弊病就是施工处理麻烦，对工期有很大的影响，所以后浇带的设置部位更多考虑的是施工方便，一般尽量处于同一条直线上，这样更方便二次浇注混凝土，同时对整个一次已浇筑的结构本身的安全有利. 后浇带的成本增加主要体现在整个工程工期的拖长,以及给地下室带来防水方面的麻烦。
　　针对这些问题，本课题提出了高层建筑与裙房沉降差在可控制值内采用无沉降缝设计理论，以及高层建筑与裙房沉降差超过控制值并设后浇带时，在可控制值内提前浇注后浇带理论。并应用于工程实践，其中全国总工会大楼与裙房之间采用无沉降缝设计，北京万达广场主楼与裙房提前浇注混凝土，都取得了良好的效果。与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较,尚未发现同类研究与同类技术。
　　2 理论依据
　　2.1 圣维南原理[6]
　　弹性力学中一个说明局部效应的原理，是法国力学家A.J.C.B.de圣维南于1855年提出的。其内容是：分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的载荷所引起的物体中的应力，在离载荷作用区稍远的地方，基本上只同载荷的合力和合力矩有关；载荷的具体分布只影响载荷作用区附近的应力分布。还有一种等价的提法：如果作用在弹性体某一小块面积（或体积）上的载荷的合力和合力矩都等于零，则在远离载荷作用区的地方，应力就小得几乎等于零。不少学者研究过圣维南原理的正确性，结果发现，它在大部分实际问题中成立。因此，圣维南原理中“原理”二字，只是一种习惯提法。
　　圣维南原理在实用上和理论上都有重要意义。在解决具体问题时，如果只关心远离载荷处的应力，就可视计算或实验的方便，改变载荷的分布情况，不过须保持它们的合力和合力矩等于原先给定的值。圣维南原理是定性地说明弹性力学中一大批局部效应的第一个原理。
　　2.2 黄熙龄沉降控制理论[7]
　　根据大型模型试验证明，高层框架及厚筏的刚度近似于箱型基础，当筏板厚度超过1／6柱跨时，用倒梁法计算与整体分析法效果相近。利用局部荷载作用下计算筏板反力和沉降的方法按叠加原理，可近似求出多个塔楼作用下大面积厚筏基础的沉降。
　　2.3 高层建筑、裙房基础与地基共同作用[8]
　　由于功能上的要求.高层建筑四周常设置低层裙房带裙房的高层建筑在主楼和裙房之间存在着显著的荷载差以及结构刚度差.使基础产生差异沉降解决不均匀沉降问题的做法有:
　　(1)在主楼和裙房毗邻处设置沉降缝.但沉降缝的设置往往给使用带来不便.在主楼和裙房之间设施工后浇带.
　　(2)整体式基础,由于前两种方法具有较大的缺陷性.整体式基础设计的方法开始普遍采用所谓整体式基础.即整个建筑单体坐落于一个整体式基础.通过筏板的刚度来调整主裙楼结构的不均匀沉降.减少沉降差在上部结构中引起的次应力.整体式基础设计的关键在于确定合理的筏板厚度.然而对于筏板基础底板厚度的确定尚无成熟方法.因此.研究筏板厚度对不均匀沉降的影响问题对于工程设计的安全性、经济性具有重大实际意义.
　　2.4 弹性地基板具有沉降差的结构分析
　　基本假定及基底反力折板基础是形式简单的空间薄壁结构,具有刚度大、强度高、材料省等优点。适用于地下水位低的地基,该类基础灵活性强,形式多样,是取代筏板基础的理想形式。一般设计要求横隔板及侧边构件(基础梁)宽度大于柱的宽度,横隔板刚度很大,能承受纵向弯曲,实际设计中可假定折板嵌固于横隔板及侧边构件中。这样,多个折板基础分割成若干个独立的折板基础,内力分析将大大简化。求出基底反力后,可按各周边固定的单元折板进行计算。基底反力的精确计算,目前尚未解决。由于矢高ｆ与基础长Ｌ之比很小,可近似假定为弹性地基板模型计算。
　　3 主要研究内容
　　主楼与裙楼基础的联合设计，是指主楼与裙楼采取不同的基础形式，但中间不设沉降缝。
　　通过我国近３０年来的工程实践，联合设计的要点可归纳为：其一，裙房与高层建筑整体式基础设计的关键是选择合适的沉降计算方法与确定合理的差异沉降，可靠的地区性持久的沉降数据。科学选择整体基础方案、过度形式、过度终结线位置、主楼与裙楼基础板厚、差异沉降对主楼与裙楼结构内力的影响及其内力组合效应；其二，基本设计原则是尽可能减少主楼的重量和沉降量（如采用轻质材料、采用补偿式基础或做桩基），同时在不导致破裂的前提下提高裙房基础的柔性，甚至可采用独立柱基。其三，当主楼与裙楼沉降差不满足整体式基础设计要求时，考虑施工的先后顺序。可先施工主楼，让沉降尽可能预先发生，设计良好的后浇带。同时加强沉降观测、进行主楼与裙楼基础沉降预测和结构反分析，科学选择施工主楼可浇注后浇带高度或层数，确保工程质量。一般情况下，主楼与裙楼的荷载相差很大，两者的刚度悬殊，必然造成一定量的沉降差异，如果处理不当会造成基础和结构的开裂而影响使用。因此，主、裙楼采用不同的基础形式，设法减少不均匀沉降，且在结构上保持连续和主楼与裙楼基础无裂缝十分重要。
　　当地基土条件较好、差异沉降不大，或功能上有特殊要求，主楼与裙房有可能同时采用箱基或筏基。就高层建筑主楼与裙楼基础之间的关系，现行规范有明确规定：当采用以下３种措施时，主楼和裙楼可连成整体而不设沉降缝：一是裙楼基础从主楼基础挑出；二是减少绝对沉降量来控制沉降差；三是采用施工后浇缝，并辅之以相关的施工程序，以减少建筑物的后期沉降。目前，高层建筑与裙房沉降差在可控制值内采用无沉降缝和不留后浇带因其有很大的优势而广泛运用于高层建筑的基础设计中。
　　根据圣维南原理，若在物体上任一部分作用一个平衡力系，则该平衡力在物体内部所产生的应力只局限于平衡力系作用的附近地区，在离开该区域相当远的区域，这种影响便急剧减小。按变形控制理论和基础与地基共同作用原理，在同一整体大面积基础上建有多栋高层和低层建筑，以各建筑为中心、距高层部分边柱一跨范围内的筏板厚度不变；在主裙楼基础筏板整体连接情况下，当高层建筑与低层裙房间差异沉降超过可控值时，必须采取相应的地基处理措施以减少高层部分的沉降。 我们选取了全国总工会大楼工程、北京富景花园、北京华天大厦等二十多个实例,根据以上原理在结构的有关部位进行沉降观测与数据研究，并与理论和实验模型进行了对比，其结果十分吻合。
　　采用有限元、分层总和法、CXF方法[9]-[11]等比较准确地计算地基沉降与模拟分析，确定高层建筑与裙房间的沉降差，据此进行结构分析，并应用于全国总工会大楼工程、中国石油大厦、北京富景花园、北京华天大厦等多项工程，取得了很好的经济效益与社会效益，受到专家和有关领导的好评。
　　4 工程实例应用
　　4.1 工程介绍
　　“中华全国总工会办公楼二期工程”位于北京长安街南侧，结构主体为框架-核心筒结构，地下三层，地上25层，建筑总高97.0M；抗震设防烈度为8度（0.2g）；基础采用整体平板式基础；地震分组为第一组，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级；建筑场地类别为Ⅱ类，最高地下水水位标高44.10m(1956年)；±0.000相对绝对高程为46.850m ；本工程计算设防水位标高为41.50m ；主楼槽底相对标高为 -17.200(M)；绝对高程为29.65M 。裙楼槽底相对标高为-18.100(M)； 绝对高程为28.75M。地基基础设计等级为甲级。 　　5 结论
　　本文通过理论分析与实际工程验证得出如下结论:
　　（1）针对高层建筑与裙房问题,本文认为在高层建筑与裙房之间采用无沉降缝设计以及提前浇注高层建筑与裙房的后浇带这两项技术有着广阔的发展前景.
　　（2）以全国总工会大楼为例进行了具有初位移的结构整体计算与分析、弹性地基上厚板的变形计算与分析，给出了主楼核心筒、主楼与裙房交界位置、裙房内部的沉降计算数据，经与观测值对比，结果十分吻合。
　　本文结论在全国总工会大楼工程、中国石油大厦、北京富景花园、北京华天大厦、北京成中大厦、万达广场等多项工程得到应用推广，取得了很好的经济效益与社会效益。全国总工会大楼采用无沉降缝设计提前封顶，在十七大召开之际部分投入使用，确保在奥运会前全部投入使用，大大节约投资费用。北京万达广场提前浇注后浇带，提前峻工，大大节约投资费用。
　　参考文献
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