轉自建築結構《月壇金融中心結構與地基基礎設計》作者：阚敦莉

［摘要］ 月壇金融中心由5 棟高層塔樓、1 棟體育訓練館及商業裙房組成。5 棟塔樓地上18～ 23 層，采用鋼梁矩形鋼管混凝土柱框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構體系。體育訓練館地上1 層，裙房地上4 層。整個建築物地下部分連成一體，共5 層，置于同一個筏形基礎上，基底埋深約27m。高層塔樓與低層裙樓、高層塔樓與純地下車庫之間的荷載差異大，沉降控制難度大。此外，本項目還存在地下水位高，抗浮設防水位的基底水頭達21m，抗浮設計有一定難度。介紹了結構基本情況、地基基礎設計、沉降分析以及抗浮設計，特别是多個高層塔樓、多層裙房和純地下室連成一體且基礎不設永久沉降縫時的設計理念、設計過程和沉降觀測數據分析，以期對類似項目的基礎設計和沉降控制提供參考。

［關鍵詞］ 月壇金融中心; 高層建築; 結構設計; 地基基礎設計; 抗浮錨杆; 差異沉降

體型複雜、層數相差大的高低層連成一體的建築物，荷載分布差異較大，高層塔樓與低層裙樓及純地下車庫之間的地基變形差異顯著，沉降差異控制是該類建築地基基礎設計的主要内容［1-2］。

月壇金融中心工程是典型的體型複雜、層數相差大的高低層連成一體的建築物，項目由多棟高層、裙房組成，還存在無上部結構的純地下室，地下部分和基礎連成一體，不設置永久沉降縫。采用天然地基，同時又有抗浮錨杆，由于抗浮錨杆對土體的增強作用，使得天然地基的沉降控制更加困難。本文通過調整基礎剛度與地基剛度并基于沉降計算分析來減小抗浮錨杆對結構變形控制的不利影響，有效協調與控制差異沉降，減少差異沉降産生的結構次應力并優化基礎配筋。1 工程概況

月壇金融中心工程( 圖1) 位于北京市西城區北京金融街西拓區月壇地塊，南禮士路月壇公園東。建設用地面積33 291 m2，總建築面積為396 855m2，其中地上建築面積255 477m2，地下建築面積141 378m2。

項目由5 棟建築高度分别為80 ～ 100m 不等的塔樓( 1#～5#樓) 、1 棟建築高度15m 的體育訓練館( 6#樓) 及建築高度22m 的商業裙房組成，項目的平面圖、建築剖面圖分别見圖2，3。建築物地下部分共5 層，主要功能為商業配套、車庫及其他服務設施等，地下室最大輪廓尺寸為165m×222m。

地上部分: 塔樓( 1#～5#樓) 18～23 層、體育訓練館( 6#樓) 1 層、商業裙房4 層; 塔樓( 1# ～ 5 # 樓)1 層層高為6m，2 ～ 4 層層高為5. 0m，标準層層高為4. 05m; 地上建築主要功能是商業、辦公、體育休閑綜合體，塔樓建築标準層平面輪廓尺寸分别為37m×72m( 1#樓) ，50m×41m( 2#樓) ，44m×41m( 3#樓) ，53m×41m( 4#樓、5#樓) ，典型柱網尺寸為9m×9m。整個建築地下連成一體，置于同一個筏形基礎上。

工程的抗震設防烈度為8 度，設計基本地震加速度為0. 20g，設計地震分組為第一組。建築結構安全等級為二級，結構設計使用年限為50 年。建築抗震設防類别為标準設防類［3］，建築場地類别為Ⅱ類。

地下結構采用鋼筋混凝土框架-剪力牆結構;塔樓( 1#～5#樓) 結構采用鋼梁矩形鋼管混凝土柱框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構體系; 體育訓練館采用鋼筋混凝土框架-剪力牆結構體系; 裙房采用鋼梁矩形鋼管混凝土柱框架結構體系。

基礎結構采用天然地基上的鋼筋混凝土梁闆式筏形基礎。地基基礎設計等級為一級［4］。基礎最大埋深為室外地面以下約27m，見圖3。

室内設計标高±0. 00 相當于絕對标高46. 30m;基礎槽底相對标高－26. 730～ －26. 430m 相當于絕對标高19. 570～19. 870m。各樓設計信息詳見表1。

2. 1 工程地質條件

根據勘察報告，拟建場區地面下80. 00m 範圍内的地層自上而下共劃分為人工堆積層、第四紀沉積層及第三紀沉積岩層，按地層岩性及其物理力學性質指标劃分為7 個大層，各土層自上而下如下:

( 1) 人工填土層

①雜填土層: 雜色，稍密，含有大量磚塊、灰渣、建築垃圾及生活垃圾，局部夾①1素填土層。本層厚度0. 5～10. 3m。

( 2) 第四紀沉積層

②粉質黏土-重粉質黏土層: 褐黃色，可塑，含雲母，鐵錳質氧化物，局部夾②1粉細砂，②1粉細砂标貫值16～21 擊，平均18 擊。本層厚度1. 1～5. 8m。

③卵石層: 雜色，密實，呈渾圓狀，粒徑一般20～40mm，最大70mm，充填30%細砂及大量黏性土。本層厚度1. 1～6. 5m。

④卵石層: 雜色，密實，呈渾圓狀，粒徑一般20～40mm，最大80mm，充填30%中粗砂及少量黏性土。本層厚度13. 3～21. 5m。

⑤粉質黏土-重粉質黏土層: 褐黃色，可塑，含雲母，鐵錳質氧化物。本層厚度1. 7～8. 9m。

⑥卵石層: 雜色，密實，呈渾圓狀，粒徑一般20～40mm，最大100mm，充填30%中粗砂及黏性土。本層厚度1. 8～17. 1m。

⑥1粉質黏土-重粉質黏土層: 褐黃色，可塑，含雲母，鐵錳質氧化物。本層厚度1. 7～8. 9m。

( 3) 第三紀沉積岩層

⑦礫岩層: 雜色～ 褐黃色，強風化，泥質膠結，塊狀構造，岩芯呈短柱狀、碎塊狀，礫岩隻要成分為砂岩、灰岩、石英岩、花崗岩等，磨圓度較好，一般粒徑4～7cm，最大粒徑為15cm。個别鑽孔含⑦2砂岩層:強風化，砂礫狀結構、塊狀構造，岩芯成碎塊狀。本層厚度1. 0～24. 4m。

⑦1泥岩層: 強風化，泥質膠結，塊狀構造，岩芯呈土柱狀，柱長一般10 ～ 20cm，最長40cm，手掰易碎。本次鑽探未鑽穿該層，最大揭露厚度為31. 6m，未鑽穿。

2. 2 水文地質條件

穩定水位埋深為20. 00 ～ 21. 80m，穩定水位标高為20. 580～27. 140m( 絕對标高) 。勘察報告建議基礎抗浮設計水位采用絕對标高40. 00m; 建築防滲設計水位不低于自然地面。

2. 3 岩土工程參數

本工程岩土物理力學參數詳見表2，典型地質剖面及與基底關系詳見圖4。

本工程結構的特點是在高烈度地區所建設的一組由5 棟建築高度80～ 100m 的塔樓、1 棟建築高度

圖4 典型地質剖面及與基底關系

15m 的體育訓練館及建築高度22m 的商業裙房組成。其中1#樓地上18 層，屋頂結構高度78. 85m;2#樓地上20 層，屋頂結構高度87. 55m; 3#～5#樓地上23 層，屋頂結構高度99. 9m; 商業裙房地上4層。本建築群塔樓部分結構最大高度為99. 9m。依據抗規［5］、高規［6］要求，适用于1# ～ 5#樓的結構體系有鋼筋混凝土框架-剪力牆及鋼筋混凝土框架-核心筒結構、鋼梁鋼管混凝土柱框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構、鋼結構。從主體塔樓結構高度适用及平面布置需要，特别是本建築地處金融街月壇地塊，受場地條件、工期進度、投資時間效益、高品質要求、施工技術及造價等因素影響較大，結合綠建及裝配率政策要求等方面綜合全面考慮後，塔樓結構采用了鋼梁矩形鋼管混凝土柱框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構體系。利用建築樓、電梯井筒等牆體設置鋼筋混凝土核心筒，其餘外圍軸網上布置由内澆混凝土的箱形鋼管柱及樓面鋼梁組合成的鋼管混凝土外框架。塔樓( 1#～5#樓) 鋼管混凝土主要柱截面為□750×750× 22 × 22 ( 1 ～ 6 層) 、□700 × 700 × 20 × 20( 7～12 層) 、□600×600×20×20( 13 ～ 頂層) ，鋼管柱内澆混凝土強度等級按結構受力需要随建築高度的增大逐漸降低，分别為C60，C50，C40。鋼框架-核心筒混合結構具有良好的抗震性能，便于建築平面的靈活布置，可獲得較大空間，又具有造價适中、材料來源豐富的優點; 樓蓋采用樓面鋼梁上鋪樓承闆現澆鋼筋混凝土組合樓闆體系。外框架鋼管柱采用高強度等級鋼材及混凝土控制框架柱軸壓比，可減小柱用鋼量，這樣既加強結構抗震性能又提高建築面積使用率。1#～ 5#樓采用的結構體系結合了鋼結構和混凝土結構的優點，結構抗震性能優于鋼筋混凝土結構，耐火性能優于鋼結構，結構造價介于鋼筋混凝土結構和鋼結構之間，盡管該結構體系施工難度比鋼筋混凝土結構大一些，但仍然是目前高層及超高層結構中較優的結構體系。

6#樓( 體育訓練館) 采用鋼筋混凝土框架-剪力牆結構體系。1 層為2 個網球館與貴賓休息廳，最大層高14. 62m，大跨度場館屋頂采用鋼結構，樓蓋除籃球場、網球場、遊泳池上空采用鋼桁架上鋪樓承闆現澆鋼筋混凝土組合樓闆外，其餘均采用現澆鋼筋混凝土梁闆結構。

地上裙房采用鋼梁矩形鋼管混凝土柱框架結構體系，樓蓋采用鋼梁上鋪樓承闆現澆鋼筋混凝土組合樓闆結構。

地下室為鋼筋混凝土框架-剪力牆結構。地下部分不設永久沉降縫，塔樓與裙房間設置沉降後澆帶，每隔30～40m 設置伸縮後澆帶，後澆帶寬0. 8～1. 0m。

4. 1 基礎方案

基礎采用天然地基上的筏形基礎，核心筒區域采用平闆式筏形基礎，基礎底闆厚度2m; 框架柱區域，采用梁闆式筏形基礎，闆厚1. 2m，梁高2m; 純地下室及裙房采用梁闆式筏形基礎，闆厚1m，梁高1. 6～2. 2m。其基礎平面布置圖見圖5。

圖5 基礎平面布置圖

4. 2 地基承載力核算

本工程塔樓地上18 ～ 23 層，地下均5 層，基底壓力474～545kPa，由圖4 可見，其持力層為④卵石層，其地基承載力特征值fak為300kPa; 該層下有⑤粉質黏土-重粉質黏土層，其地基承載力特征值fak為220kPa。兩者均低于基底壓力，本文采用地基基礎規範［7］第5. 2. 5 條确定地基承載力，地基承載力特征值計算公式如下:

式中: Mb，Md，Mc為承載力系數，由地基基礎規範［7］表5. 2. 5 查表獲得; γ 為基礎底面以下土的重度，kN/m3 ; b 為基礎底面寬度，m; γm為基礎底面以上土的加權平均重度，kN/m3 ; d 為基礎埋置深度，m; ck為基底下一倍短邊寬深度内土的黏聚力标準值， kPa。

基礎設計參數取值如下: b = 6. 0m，d 按裙房及純地下建築平均基底壓力折算成土層厚度并按最小值取值，d = 6. 76m。

經計算，基礎底面以上土的加權平均重度γm =17. 30kN/m3，其中地下水位按近3～5 年最高地下水位絕對标高26. 00m 考慮。基底及其以下參數見表3。

根據計算得到的地基承載力特征值fa和表5 基底壓力，可判斷天然地基承載力能夠滿足設計要求。

本文中⑤層為軟弱夾層，根據規範公式計算出相對較大的地基承載力，與文獻［8］中軟弱夾層地基考慮土層界面摩擦作用的地基承載力可提高1～2倍，結果較為相近。

基底水頭約為20. 3m，考慮1. 05 的安全系數［7，9］後，基底水壓力約為213kPa，遠遠大于5 層地下室及基礎底闆的自重。結合地基基礎方案，采取了配重 抗浮錨杆的抗浮方案，其中，配重為基礎底闆以上房心回填幹容重為28kN/m3 的鋼渣混凝土。見圖6。

5. 1 抗浮錨杆基本試驗

為确定抗浮錨杆抗拔承載力，進行了抗拔靜載荷試驗試驗，共布置了4 組不同長度的抗浮錨杆，錨杆有效長度分别為12，14，16，19m，每組3 根，共12根，每組内錨杆間距3m。錨杆直徑均為150mm，配筋為3根三級鋼筋直徑 32。

注漿體采用素水泥漿，水灰比0. 5，水泥标号PO 42. 5，注漿體設計強度為30MPa; 第一次注漿壓力為0. 4 ～ 1MPa，第二次注漿在第一次注漿初凝之後、終凝之前或在第一次灌漿強度達到5MPa 時進行，第二次注漿水泥漿宜摻入适量膨脹劑。采用循環加卸載法的抗拔靜載荷試驗，試驗結果見表6。

根據試驗結果，抗浮錨杆設計如下: 錨杆直徑不小于150mm，錨杆長度14m，錨杆豎向抗拔承載力特征值取350kN，主筋為3 根三級鋼筋直徑32。根據上部結構恒載、房心回填配重和基礎底闆自重，進行了抗浮錨杆的平面布置。

5. 2 抗浮錨杆工程驗收情況

抗浮錨杆施工完成後，共進行了74 根抗浮錨杆驗收檢測，其中部分錨杆加載與變形的曲線見圖7，檢測結果彙總見表6。根據地基基礎規範［7］，抗浮錨杆抗拔承載力均滿足設計要求。

6. 1 沉降計算分析

為優化基礎底闆厚度和抗浮錨杆的平面布設，采用有限元軟件PLA×IS 3D 2012 進行沉降計算，計算模型詳見圖8。有限元計算時土體本構采用摩爾

庫倫本構模型，基礎底闆按實際闆厚取值，混凝土強度等級為C40，彈性模量取3. 25×107kN/m2，泊松比取0. 2。土層參數按表2 選取，上部結構荷載采用前處理程序導入PKPM 牆柱下荷載。為計算最大沉降值，降低地下水水位，控制其位于基底以下。

沉降的計算結果見圖9，可見最大沉降量為48. 5mm。經計算，筏闆整體撓度值小于0. 5‰; 塔樓與裙房的差異沉降小于其跨度的1‰。總沉降量和差異沉降量均小于地基變形允許值，均滿足地基基礎規範［7］要求。

根據計算結果，提取基底反力，剔除局部奇異值後，基底反力平面分布見圖10。由圖10 可見，2 #樓、3#樓之間裙房及純地下區域和6#樓區域基底反力均小于200kPa，小于該區域基底水浮力，因此以上區域需采取抗浮措施

6. 2 沉降觀測結果及設計驗證

對本工程進行了沉降觀測，但由于本工程地處北京二環，用地緊張，施工可用場地太小，以緻于較多觀測點被遮擋或被破壞，尤其是純地下及裙房建築部分，沉降觀測值平面等勢線不完整，故不提供沉降觀測值等勢線圖。根據觀測結果，最大沉降實測值為21mm，圖11 為塔樓建築部分測點沉降實測值與觀測周期的關系曲線( 測點位置見圖9) ，可見在施工前期，由于卸荷，結構存在一定回彈變形，結構後期變形與建築物加荷基本一緻; 由于部分觀測周期的數據缺失，最大沉降實測值21mm 小于最大沉降計算值48. 5mm，也是合理的。

( 1) 上部結構采用鋼與混凝土組成的混合結構，較鋼筋混凝土結構的自重輕，有利于采用天然地基。

( 2) 采用地基基礎規範［7］确定地基承載力特征值的方法可行。

( 3) 可根據基底反力确定抗拔錨杆的布置，優化錨杆設計。

( 4) 沉降實測值驗證了本工程的設計合理性，基于土-基礎-結構相互作用( 共同作用) 所預測的地基基礎沉降變形特征是較準确的。

［1］ 孫宏偉． 岩土工程進展與實踐案例選編［M］．北京: 中國建築工業出版社，2016．

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［3］ 建築工程抗震設防分類标準: GB 50223—2008［S］．北京: 中國建築工業出版社，2008．

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［5］ 建築抗震設計規範: GB 50011—2010 ［S］． 2016 年版．北京: 中國建築工業出版社，2016．

［6］ 高層建築混凝土結構技術規程: JGJ 3—2010［S］． 北京: 中國建築工業出版社，2011．

［7］ 建築地基基礎設計規範: GB 50007—2011［S］．北京: 中國建築工業出版社，2012．

［8］ 王昌興，劉明輝，陳春材．軟弱夾層地基的極限承載力分析［J］． 建築結構， 2016， 46( 16) : 83-87．

［9］ 王俊霞，何立梅．地基基礎設計常見問題梳理［J］． 建築結構， 2019， 49( 8) : 115-118．

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