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王 昊
（山西五建集团有限公司，山西 太原 030013）
近年来，我国对历史遗留古建筑的修复、保护及遗址复建的重视程度逐年提升，一大批古城墙遗址原貌修复及新建工程在全国尤其是华北地区大量兴起。传统的城顶建筑依托既有或新建城墙顶部土体作为地基基础，有以下明显的缺陷：既有城墙土体因受长期雨水侵蚀，土体易发生沉降开裂影响新建上部建筑的结构安全；
新建城墙因施工工艺的局限，运营前期阶段其本身的自沉降变形影响新建上部建筑的结构安全；
一些新建或既有的城顶建筑随时受下伏城墙沉降变形的影响。这些涉及城顶建筑结构安全的关键技术若没有很好地解决，必然会限制我国古建筑的修复、保护工作的整体发展。
山西岢岚县古城墙历史遗存修缮保护项目包含东、南、西、北四座瓮城，在既有瓮城门璇顶原址重建一座三层木结构城楼的设计工作是本项目的难点。初设阶段仅将城墙范围内土体以常规结构地基设计，基础设计采用筏板基础+500mm灰土换填。在南瓮城城楼（为遗存瓮城）基础土方开挖过程中，发现瓮城门璇顶有一道贯横门璇宽方向的裂缝（长约10m，裂缝宽约30～60cm，用钢筋探底裂缝深度约1.2m），因城墙顶部的不利情况，需对原地基基础设计进行调整。同时，考虑如何减轻或免除建成后城顶建筑对城墙的不利影响，延长城墙及城顶建筑的使用寿命，及既有城墙在后续加固阶段不影响城顶建筑，本文提出一种既有城墙顶部新建城顶建筑的空间桩基基础结构形式解决设计难题。
该项目4#城楼为采用榫卯连接的木结构，城楼坐落于瓮城门洞顶，为二层三重檐歇山式建筑（见图1）。楼高20.205m，建筑面积630.66m2。设计了一种换撑式空间桩基基础结构形式，为木结构+钢筋混凝土结构的混合结构形式。在第一层木结构柱处设计钢筋混凝土转换梁系，将木结构荷载通过转换梁系，传递至空间承力桩，由空间承力桩传递至地基。通过空间承力桩基与转换梁系组成抗侧力体系，传递城楼上部木结构荷载。
图1 4#城楼实景图
依据木结构设计提供的一层柱底各节点的恒载、活载、X向风载、Y向风载力，采用设计软件对空间桩基基础结构按框架结构进行设计（见图2）。
图2 空间桩基基础结构示意图
整个空间桩基基础结构最大跨度13.3m，桩径1000mm，梁最大截面1000×1400，桩最高12m。为满足城楼下门璇通道的使用功能要求，城楼门两侧木柱处没有设计竖向传力空间桩，整个空间桩基基础结构双轴对称，以减少和适应地震作用引起的扭转影响。
该结构的前三阶周期、最大层间位移、楼层受剪承载力、柱轴压比等整体指标均满足规范要求，依据设计结果计算出空间桩基基础结构各构件的配筋。
以设计的换撑式空间桩基基础结构构件截面及配筋，利用有限元软件作校核分析，分析结构的变形、静力推覆分析，衡量结构的变形性能。地震作用标准组合（DL+0.5LL+EY）下结构最大水平位移与设计计算结果基本相同，均小于框架结构在多遇地震作用下的抗震变形验算，12000×1/550（弹性层间位移限值）=21.8mm。因城墙X向为沿城墙的长度方向，假设不考虑X向的空间桩基基础结构与城墙土的相互作用影响[1]。
静力非线性工况分析时，由桩顶某点位移与基底反力的函数曲线可知，在22.8mm以下时可看出结果处于弹性阶段，与框架结构在多遇地震作用下的抗震变形验算，12000×1/550（弹性层间位移限值）=21.8mm，基本接近，符合框架结构在多遇地震作用下的抗震变形验算结果。此时结构基底总反力为22026.77kN，远小于弹性限值下N=59387.75kN，为[N]的37%，结构安全储备在2倍以上，符合框架结构的设计要求。
充分利用不同结构体系的受力特点，实现了既有城墙顶部新建仿古木结构的设计要求，设计的换撑式空间桩基的基础结构形式使新建城楼荷载通过该种基础结构，传递至城墙底部地基，传力路径清晰、明确、可靠、安全。从概念上将城墙与城顶建筑二者隔离，避免因城墙的沉降、变形影响城顶建筑的结构安全。
设计的换撑式空间桩基的基础结构形式，虽从概念上隔离了城墙墙体与城顶建筑的影响，但发生地震作用时，城墙墙体仍会产生水平地震作用，城墙墙体仍会对城顶建筑产生影响，如何考虑这种水平向的相互作用是空间桩基的基础结构形式需要解决的一项难题。
采用集中质量模型是考虑土与结构动力相互影响的理论方法之一。这种方法需要确定在地震作用下，空间桩周土层（城墙范围内土体）的层间剪切弹簧刚度，为此采用等效线形简化方法处理土体的非线性问题，将土体的应力-应变滞回曲线根据最大剪切应变等效为弹性关系，直线的斜率即为土体的等效剪切刚度。
首先，由地勘单位测得城墙内土体的均匀性、缺陷、土层物理力学性质及取值参数，测得城顶建筑及周边一定范围内土层的整体情况。利用有限元分析软件建立城墙的模拟单元模型，构建夯土的本构关系[2]。
当地场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第三组。输入0.05gELCentro波得到土层中点处的应力-应变滞回曲线，因城墙范围内土体均为人工填土，土性均衡，按单一土层考虑，计算出土体的等效剪切刚度。假定桩与土影响范围内土体的作用范围，计算出各桩在其影响范围内的土体质量。
在有限元软件中先建立只有空间桩基结构模型，分析无上部城楼荷载作用下的桩土作用。将计算出的土等效剪切刚度近似输入在桩中点处，输入桩与土影响范围内土体的质量，计算6度0.05g下的Y向地震作用。Y向地震作用标准值即是模拟6度0.05g下城墙土体对桩施加地震作用。DL+QY作用下节点力Y方向平衡，说明城墙土体对桩施加地震作用可由下部空间桩基结构平衡，不会对上部城楼结构产生作用力，会在空间桩顶处产生水平向位移。
地震作用标准组合（DL+0.5LL+EY）最大水平位移为4.9mm（见图3），考虑到空间桩中部施加一Y向弹性支座，支座处位移可能存在与空间桩顶相反的位移，即位移差会大于4.9mm，整理出的空间桩上柱的位移差（Y向）见表1，最大为-8.18mm，小于按框架结构在多遇地震作用下的抗震变形验算，6000×1/550（弹性层间位移限值）=10.91mm，符合框架结构在多遇地震作用下的抗震变形验算结果。
图3 节点位移及空间桩顶各节点的位移差（Y向）
表1 空间桩上柱的位移差（Y向）
不考虑城墙范围内土体与桩相互作用下，同一节点位移差值约为2mm。虽城墙范围内土体会对桩产生地震作用效应，但上附城楼在地震作用下传至空间桩体的地震作用也会对城墙范围内土体产生位移，二者位移差偏小的结果是合理的。
考虑到反应谱工况不能作非线性分析，故分别按反应谱工况下的地震作用作弹性分析，引入El Centro波作地震工况下动力时程分析，分析结构的非线性性能。通过对比不同节点在El Centro波作地震工况下的位移时程曲线可知，空间桩基的基础结构处于弹性阶段。由能力谱曲线可看出空间桩基的基础结构的耗能性能良好，结构处于弹性阶段，结构设计合理。
为实现换撑式空间桩基的基础结构的设计效果，考虑到城墙范围内土体与空间桩间可能产生的负摩阻力作用，尽可能消除这种不利影响，设计了空间桩与土壁间的隔离层，隔绝城墙范围内土体与空间桩基可能产生的竖向相互作用。设计采用人工挖孔桩，利用人工挖孔桩分节成孔、分节安护壁的特点，在每节护壁安放前，预先在土壁周圈设置油毡隔离层，用铁钉固定。
开挖时设现浇混凝土护壁。第一节挖深1.2m,标准节挖深1.0m作为施工循环，挖好每节后，浇灌上一节混凝土护壁。挖孔直径均为1.3m。混凝土护壁外圈钢筋圈径1.65m，内圈钢筋圈径1.166m，间距200mm；
竖筋沿孔圆周直径1.44m位置、间距250mm；
保护层按30mm设置。护壁模板安装牢固，并调整其中心至与桩中心在同一垂线上，护壁模板拆除后在护壁内侧粘铺一层隔离油毡。做到空间桩与土壁竖向隔离，达到隔离效果，消除空间桩与城墙墙体范围内土体的负摩阻力影响[3]。
为实现换撑式空间桩桩端为固结点的设计假定，灌注桩从门璇两侧城墙顶穿过夯填土至地基卵石层，入卵石层桩长3m，采用卵石层内桩侧及桩端后注浆工艺提高桩端承载力和桩端的固结效果。
灌注桩成桩后4～7d，通过预设于桩身内的两根注浆导管桩端注入水泥浆。注浆管材质Q235B，内径不小于30mm，壁厚不小于3.5mm，灌浆管长度为桩长+空桩+1.0m。水灰比按设计要求0.55（重量比）。搅拌好的浆液通过3mm×3mm滤网。当一根注浆管冒浆时，停泵，封堵冒浆管。然后继续开泵进行另一根管注浆：注浆过程中要认真记录注浆时间、注浆压力。注浆排量控制在50～60L/min范围内，确保不超出设计要求的75L/min。按设计要求，每桩注浆水泥用量达到2t，即可停止注浆或注浆总量达到设计要求总量的75%，且压浆压力达到2～3MPa，稳定10min后，即可停止注浆，使桩端与卵石层固结为整体，实现换撑式空间桩桩端为固结点的设计假定，同时可提高单桩承载力，减少桩沉降量[4]。
城顶木结构建筑与基础通过柱杵相连，设计为铰接节点。为实现城顶木结构建筑与换撑式空间桩基的铰接节点连接，设计一种预留锚筋的柱杵构件，在换撑式空间桩基础结构转换梁系施工中将预制的柱杵构件按设计节点位置预埋入梁内，与基础梁一体浇筑。城墙木结构建筑通过柱杵与换撑式空间桩基础结构连接，共同受力。设计的柱杵连接节点解决了城楼木结构与换撑式空间桩基础结构的连接难题，实现了城顶木结构建筑柱底铰接连接的设计要求。
利用设计的施工工艺构造措施，实现了结构设计的假定边界条件，使实际结构、施工工况与设计更吻合，实现了设计模型与施工工艺的拟合[5]。
本文通过在既有瓮城门璇顶原址重建一座三层木结构城顶建筑的地基基础设计，采用框架结构设计方法设计空间桩基基础结构，通过理论分析、有限元分析等手段，对既有瓮城门璇顶部新建城楼的换撑空间桩基础结构的设计技术进行研究，可以满足在既有城墙顶部新建城楼的基础结构体系设计要求。提出采用一种集中质量模型，城墙范围内土体采用等效剪切刚度，利用有限元分析软件模拟分析城墙范围内土体与空间桩基的基础结构相互作用的变形、节点的位移时程、能力谱曲线。
计算结果表明该种方法较好地考虑了空间桩基基础结构与城墙土体相互作用后结构的动力特性变化。利用该种设计思路，使新建城顶建筑的荷载通过桩顶转换梁系、桩基传递至卵石层地基，传力路径清晰、明确、可靠、安全。
该技术先进、设计科学、工艺简单，可有效降低新建结构对既有结构影响，保证既有结构变形稳定，避免由于上部荷载引起的既有瓮城门璇结构沉降、开裂，减少运营期间的修缮费用。项目投入使用两年以来，各项监测数据正常，使用效果良好。
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