淺談高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的內(nèi)在潛力

張玉鑫　王素花

摘要：高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的潛力很大，主要為基礎(chǔ)底板所承受彎曲內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)計(jì)算值和地下室對(duì)基礎(chǔ)整體的有利貢獻(xiàn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況認(rèn)真分析。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)潛力 高層基礎(chǔ)

0 引言

高層建筑的基礎(chǔ)上部整體連接著層數(shù)很多的框架、剪力墻或筒體結(jié)構(gòu)，地下室四周很厚的擋土墻又緊貼著有效側(cè)限的密實(shí)回填土，下部又連接著沿深度變化的地基。無(wú)論在豎向荷載還是水平荷載的作用下，他們都會(huì)有機(jī)的共同作用，相互協(xié)調(diào)變形。盡管在這方面的設(shè)計(jì)計(jì)算理論不夠完善，但如果把基礎(chǔ)從上部結(jié)構(gòu)和下部地基的客觀邊界條件中完全隔離出來(lái)進(jìn)行計(jì)算，是無(wú)法達(dá)到真正設(shè)計(jì)要求的目的的。現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員所用的一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序也沿襲著不具體充分考慮相互作用的常規(guī)計(jì)算方法，設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果往往和工程實(shí)測(cè)的結(jié)果有一定差距。

1 基礎(chǔ)底板的內(nèi)在潛力

無(wú)論是箱基還是筏基，諸多工程的實(shí)測(cè)都顯示：底板的整體彎曲率都很小，往往都不到萬(wàn)分之五。據(jù)資料顯示法蘭克福展覽會(huì)大樓的筏板實(shí)測(cè)繞曲率只有2.55x10-4。而測(cè)得的筏板鋼筋應(yīng)力一般都在20-30N/mm²之間。個(gè)別內(nèi)力較大的工程也極少超過(guò)70N/mm²。出現(xiàn)這種基礎(chǔ)底板內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)計(jì)算方法的因素很多，如在基礎(chǔ)底板施工時(shí)，只有底板的自重，且無(wú)任何上部結(jié)構(gòu)的邊界約束，而混凝土的硬化收縮力大，在底板的收縮應(yīng)變的過(guò)程中，使混凝土的縱向鋼筋產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，若混凝土的硬化收縮當(dāng)量為15℃，則鋼筋的預(yù)壓應(yīng)力可達(dá)31.5N/mm²，據(jù)相關(guān)資料陜西省郵政電信網(wǎng)管中心大樓測(cè)得的筏板鋼筋預(yù)壓應(yīng)力為31.5N/mm²，相當(dāng)于十分之一的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，從而在正常工作狀態(tài)下抵消了部分拉應(yīng)力，使鋼筋的受力變??；另外，基礎(chǔ)底面和地基土之間巨大的摩擦力起著一定程度的反彎曲作用。摩擦力使整棟建筑的客觀邊界條件不能視而不見(jiàn)。特別是對(duì)于天然地基的箱形和筏形基礎(chǔ)來(lái)講，地基土都比較堅(jiān)實(shí)，變形模量、基床系數(shù)都比較大，則基礎(chǔ)底板的內(nèi)力和相應(yīng)的撓曲率勢(shì)必會(huì)相應(yīng)減少。

除上述因素外，最主要的是上部結(jié)構(gòu)和地下室整體剛度的貢獻(xiàn)，并參與了基礎(chǔ)的共同抗力，起到了拱的作用，從而減小了底板的撓曲和內(nèi)力。對(duì)若干工程基礎(chǔ)受力鋼筋的應(yīng)力測(cè)試表明，在建筑物施工底部幾層時(shí)，基礎(chǔ)鋼筋的應(yīng)力是處于逐漸增長(zhǎng)的狀態(tài)，變形曲率也逐漸加大。施工到上部第四、五層時(shí)，鋼筋的應(yīng)力達(dá)到了最大值。然后隨著層數(shù)及其相應(yīng)的荷載逐步增加，底板鋼筋的應(yīng)力又逐漸減小，變形曲率也逐漸減緩。其原因是，在施工底部四、五層時(shí)。已建上部結(jié)構(gòu)的混凝土尚未達(dá)到強(qiáng)度，剛度也尚未形成，這時(shí)的上部荷載全部由基礎(chǔ)底板來(lái)單獨(dú)承擔(dān)。而隨著繼續(xù)往上施工，上部結(jié)構(gòu)的剛度逐次形成，并逐漸加大，和基礎(chǔ)底板整體作用，共同抗力，則產(chǎn)生拱的作用，使基礎(chǔ)地板的變形趨于平緩。例如北京中醫(yī)院工程箱形基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)顯示，底板和頂板均為拉應(yīng)力，充分說(shuō)明了由于上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)共同作用，彎曲變形的中和軸以移到上部結(jié)構(gòu)。

綜合上述可以看出，高層建筑基礎(chǔ)底板實(shí)際所承受的彎曲內(nèi)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)計(jì)算值，有很大的內(nèi)在潛力。所以在具體工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，必須細(xì)心把握，否則基礎(chǔ)截面和配筋量都會(huì)比實(shí)際所需的大很多，造成不必要浪費(fèi)。

2 地下室對(duì)基礎(chǔ)的潛在貢獻(xiàn)

高層建筑宜設(shè)置地下室，因?yàn)榈叵率页四茉黾咏ㄖ锏氖褂每臻g功能外，還在整個(gè)建筑物的正常工作狀態(tài)下，其下對(duì)地基基礎(chǔ)，上對(duì)地面以上整體結(jié)構(gòu)的受力性能都會(huì)有很大貢獻(xiàn)。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

地下室深基坑的開(kāi)挖，對(duì)天然地基或復(fù)合地基的基礎(chǔ)能起到很大的卸載和補(bǔ)償作用，從而減少了地基的附加壓力。例如，一棟地上36層，地下2層的高層建筑，若筏板底埋深9m，在基坑周圍井點(diǎn)降水后，將原地面以下9m厚的巖土挖去建造地下室，則卸去的土壓力為9x18=162kPa,約相當(dāng)于10層樓的標(biāo)準(zhǔn)荷載重量。如果該場(chǎng)地的地下水位為地表下2m，當(dāng)?shù)叵率医ǔ珊?，井點(diǎn)降水終止，則地下水回升正常水位的浮托力為70kPa，約相當(dāng)于4層樓的標(biāo)準(zhǔn)荷載重量。所以，地基實(shí)際上所需支承僅36+2-10-4=24層樓的荷重，卸去了約36%的上部荷載，從而大大降低了對(duì)地基承載力的要求。

由于地下室具有一定埋置深度，周邊都有按設(shè)計(jì)要求夯實(shí)的回填土，所以地下室前、后鋼筋混凝土外墻的被動(dòng)土壓力和側(cè)墻的摩擦阻力都限制了基礎(chǔ)的擺動(dòng)，加強(qiáng)了基礎(chǔ)的穩(wěn)定，并使基礎(chǔ)底板的壓力分布趨于平緩。所以，很多資深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，當(dāng)?shù)叵率业穆裆畲笥诮ㄖ锔叨鹊?/12~1/10時(shí)，完全可以克服和限制偏壓引起的整體傾復(fù)問(wèn)題。對(duì)于高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)工程師必須加強(qiáng)對(duì)地下室周邊回填土的質(zhì)量要求和控制，以避免不認(rèn)真夯實(shí)回填土的情況產(chǎn)生。內(nèi)摩擦角越大，土回填就越密實(shí)，抗剪強(qiáng)度越高，提供的被動(dòng)土壓力也就越大，對(duì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定越有保證。同時(shí)地下室外墻與回填土之間巨大接觸面積上的摩擦力同樣也對(duì)地基基礎(chǔ)起著很大的卸載與補(bǔ)償作用。

地下室結(jié)構(gòu)的層間剛度要比上部結(jié)構(gòu)大得多，地下建筑的井筒、剪力墻和柱都直接貫通到地下室，特別是地下室外墻都是很厚且開(kāi)洞極少的鋼筋混凝土擋土墻，在大面積的被動(dòng)土壓力與摩擦阻力的側(cè)限下，與地基土形成整體，地震時(shí)與地層移動(dòng)同步。所以無(wú)論是箱形還是筏形基礎(chǔ)，地下室的頂板和底板之間基本上不可能出現(xiàn)層間位移。而且，地下室與地基及周邊土的共同作用又反過(guò)來(lái)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的整體剛度提供了一定的補(bǔ)償性貢獻(xiàn)。無(wú)論是模擬試驗(yàn)和理論分析的結(jié)果都充分顯示，在上部結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)條件完全相同的情況下，有地下室的高層建筑的自振周期要比無(wú)地下室的小，而且有樁基的要小于天然地基的，大直徑樁的要小于小直徑樁的。同時(shí)，有兩層地下室的整體剛度要大于只有一層地下室的。

總之，高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的潛力很大，如果在所依據(jù)的計(jì)算理論不夠完善的情況下，再無(wú)端保守的加大箱（筏）形基礎(chǔ)底板的厚度、配筋量和布樁的數(shù)量，會(huì)造成很大的浪費(fèi)和及其不良的綜合經(jīng)濟(jì)效益。在具體工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)憑借自身?yè)碛械母拍詈驼_的判斷力進(jìn)行把握，如果一味盲目保守，不但有損自身信譽(yù)，造成很大浪費(fèi)，還有被行業(yè)淘汰的可能。

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