高层建筑基础结构设计要点

摘 要：文章主要简述了高层建筑结构基础设计中相关理论,并提出了高层建筑结构基础设计中应注意的问题,旨在不断提高高层建筑结构设计水平及保证工程结构的总体质量,同时为建筑设计人员提供参考.

关 键 词：高层建筑；基础设计；上部结构；地基问题

引言

高层建筑由于具有层数多,高度大,重量大等特点,所以其竖向荷载大而集中,风荷载和地震荷载引起的倾覆力矩成倍增长,因此要求基础和地基提供更高的竖直和水平承载力,同时使沉降和倾斜控制在允许的范围内,并保证建筑物在风荷载与地震荷载下具有足够的稳定性.这就对基础的设计提出了更高、更严的要求.本文主要就高层建筑结构基础设计要点进行论述.

一、高层建筑基础设计影响要素分析

高层建筑的上部结构具有很大的刚度,它和基础结构及地基三者实际上构成了一个共同作用的体系.长期以来,由于人们认识上的局限性以及计算手段的缺乏,在设计计算中往往人为地切割了各部分之间的联系,而把上部结构和基础结构作为两个独立的单元分别进行考虑,结果导致基础弯矩和纵向弯曲过大,基础设计偏于保守.

1.1上部结构的刚度对基础受力的影响

检测设上部结构为绝对刚性,当地基变形时,各竖向构件只能均匀下沉；如忽略竖向构件端部的抗转动能力,则竖向构件支座可视为基础梁的不动铰支座,亦即基础梁犹如倒置的连续梁,不产生整体弯曲,却以基底分布反力为外荷载,产生局部弯曲.反之,检测设上部结构为绝对柔性,对基础的变形毫无约束作用,于是基础梁在产生局部弯曲的同时,还经受很大的整体弯曲.于是,两种情况下基础梁的内力分布形式与大小产生很大的差别.实际结构物常介于上述两种情况,其整体刚度的考虑非常困难,只能依靠计算软件分析.在地基、基础和荷载条件不变的情况下,增加上部结构的刚度会减少基础的相对挠曲和内力,但同时导致上部结构自身内力增加,即是说,上部结构对减少基础内力的贡献是以在自身中产生不容忽视的次应力为代价的.

1.2地基条件对基础受力的影响

基础受力状况取决于地基土的压缩性及其分布的均匀性.当地基土不可压缩时（例如基础坐落在未风化的基岩上）,基础结构不仅不产生整体弯曲,局部弯曲亦很小；上部结构也不会因不均匀沉降产生次应力实践中最常遇到的情况却是地基土有一定的可压缩性,且分布不均,这样,基础弯矩分布就截然不同.基础与地基界面处往往显示出摩擦特征.由于土的强度有限,形成的摩擦力也有限,不会超过土的抗剪强度.孔隙水压力的变化,可能改变压缩过程中摩擦力的大小与分布.

1.3基础刚度对基底反力分布的影响

绝对柔性基础当上部结构刚度可以忽略时,对荷载传递无扩散作用,如同荷载直接作用在地基上,反力分布p（x,y）则与荷载q（x,y）大小相等、方向相反.当荷载均匀时,基础呈盆形沉降；如欲使基础沉降均匀,则需使荷载从中部向两端逐渐增大,呈不均匀状.理论分析与试验研究表明,基底反力的分布除与基础刚度密切相关外,还涉及到土的类别与变形特性、荷载大与分布、土的固结与蠕变特性,以及基础的埋深和形状等多种因素.基底反力分布大致分为三种类型：1）如果基底面积足够大,有一定的埋深,荷载不大,地基尚处于线性变形阶段,则基底反力图多为马鞍形；如图（a）所示；当地基土比较坚硬时,反力最大值的位置更接近于边缘.2）砂土地基上的小型基础,埋深较浅或荷载较大,临近基础边缘的塑性区逐渐扩大,这部分地基土所卸除的荷载必然转移给基底中部的土体,导致中部基底反力增大,最后呈抛物线形,如图（b）所示.3）当荷载非常大,以致地基接近整体破坏时,反力更加向中部集中而呈钟形,如图（c）所示；当两端存在非常大的地面堆载或相邻建筑的影响时,也可能出现钟形的反力分布.

图a）图b）图c）

1.3上部结构与基础和地基共同作用的概念

上部结构与地基和基础三者是彼此不可分离的整体,每一部分的工作性状都是三者共同作用的结果.共同作用分析,就是把上部结构、基础和地基看成是一个彼此协调工作的整体,在连接点和接触点上满足变形协调的条件下求解整个系统的变形与内力.在共同作用分析中,上部结构和基础通常是由梁、板组成,因此可以采用有限单元法、有限条法、有限差分法或解析方法建立上部结构和基础的刚度矩阵,并利用变形协调条件与地基的刚度矩阵耦合起来.在共同作用分析中,可以根据实测结果把基础和上部结构的实际刚度进行共同作用分析,并考虑施工过程的影响,把结构荷载和刚度形成情况分别考虑来进行共同作用分析.

二、高层建筑基础设计共同作用理念的应用

对上部结构、基础与地基共同作用的理论进行高层建筑的基础设计,能够比较真实地反映其实际工作状态,此外,还可以利用共同作用理论提高和改善高层建筑基础设计的水平和质量,取得更大的经济效果.具体来说,可从下面几方面入手：

（1）有效地利用上部结构的刚度,使基础的结构尺寸减小到最小程度.例如,把上部结构与基础作为一个整体来考虑,箱形基础高度可大为减小；当上部结构为剪力墙体系时,有可能将箱形改为筏基.应注意的是,上部结构的刚度是随着施工的进程逐步形成的,因此在利用上部结构刚度改善基础工作条件时,应模拟施工过程进行共同作用分析,以免造成基础结构的损坏.

（2）对建筑层数悬殊、结构形式各异的主楼与群房,可分别采用不同形式的基础,经慎重而仔细的共同作用分析比较,可使主、裙房的基础与上部结构全都连接成整体,实现建筑功能上的要求.

（3）运用共同作用的理论合理地设计地基和基础,达到减少基础内力与沉降、降低基础造价的目的.例如在一定的地质条件下,考虑桩间土的承载作用,得以加大桩径、减少桩数,合理布桩、减少基础内力,从而在整体上降低基础工程的造价.

三、高层建筑基础设计中应注意的问题

（1）保证荷载的可靠传递基础结构应具有必要的强度和刚度,以保证将高层建筑上部结构作用于基础顶面的巨大竖向、水平向荷载与力矩,可靠地传给地基土或桩顶.

（2）参与变形协调,减少不均匀沉降

基础结构介于上部结构与地基土之间,其刚度大小及其在平面上的分布,对调整不均匀沉降、减少整体和局部挠曲至关重要.例如：多、高层建筑中,当采用条形基础不能满足上部结构对地基承载力和变形的要求,或当建筑物要求基础具有足够的刚度以调节不均匀沉降时,可采用筏型基础筏型基础的平面尺寸,在地基土比较均匀的条件下,基底平面形心宜与上部结构竖向永久荷载的重心重合.当不重合时,在荷载效应准永久组合下,宜通过调整基底面积使偏心距e符合下式要求：

E≤0.1W/A

式中W――与偏心距方向一致的基础底面边缘的抵抗矩；

A――基础底面积.

对低压缩性地基或端承桩基的基础,可适当放松上述偏心距的限制.按上式计算时,高层建筑的主楼和裙房可以分开考虑.

（3）内力分析中,应尽可能考虑基础结构与上部结构和地基土的共同作用

基础结构与上部结构和地基土三者之间的共同作用是客观存在的.当然,在实际工程设计中往往不可能都做到,特别是地基模型及其参数的选取,对共同作用的结果影响甚大；但在构造和配筋上反映对共同作用结果的考虑,是完全可能和必要的.

例如：在同一大面积整体筏型基础上建有多幢高层和低层建筑时,筒体下筏板厚度和配筋宜按上部结构、基础与地基土的共同作用的基础变形和基底反力计算确定.带裙房的高层建筑下的大面积整体筏型基础,其主楼下筏板的整体挠度值不应大于0.5,主楼与相邻的裙房柱的差异沉降不应大于1%,裙房柱间的差异沉降不应大于2%.

四、结语

总之,高层建筑的上部结构,基础及地基组成了一个共同作用的体系,在高层建筑基础设计中,要有效利用上部结构刚度,充分考虑地基条件对基础受力的影响,合理选择基础形式,运用共同作用的理论设计地基和基础,达到减少基础内力与沉降、降低基础造价的目的.