淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

林衍

（福州市建筑設(shè)計(jì)院，福建 福州 350001）

一、概述

高層建筑的主要特征是層數(shù)多，高度大，重量大。由于建筑物高聳，不僅豎向荷載大而集中，而且風(fēng)荷載和地震荷載引起的傾覆力矩成倍增長(zhǎng)，因此要求基礎(chǔ)和地基提供更高的豎直和水平承載力，同時(shí)使沉降和傾斜控制在允許的范圍內(nèi)，并保證建筑物在風(fēng)荷載與地震荷載下具有足夠的穩(wěn)定性。這就對(duì)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工提出了更高、更嚴(yán)的要求。高層建筑基礎(chǔ)工程的造價(jià)和施工工期在建筑總造價(jià)和總工期中所占的比例，與上部結(jié)構(gòu)形式和層數(shù)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式、樁型以及地質(zhì)復(fù)雜程度和環(huán)境條件等因素有關(guān)。除了鋼結(jié)構(gòu)和直接建造在基巖上的淺基礎(chǔ)以及巖層埋藏很淺的樁基礎(chǔ)以外，就鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和一般地質(zhì)條件而言，采用箱形基礎(chǔ)或筏基的高層建筑，其基礎(chǔ)工程（包括基坑支護(hù)和開挖施工）的費(fèi)用約占建筑總造價(jià)的10%～20%，相應(yīng)的施工工期約占建筑總工期的20%～25%；采用樁基的高層建筑，則上兩項(xiàng)的比例分別約為20%～30%和30%～40%。因此，基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)和施工對(duì)高層建筑本身及其周圍環(huán)境的至關(guān)重要，其造價(jià)與工期對(duì)高層建筑總造價(jià)與總工期有舉足輕重的影響。

二、高層建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論

高層建筑的上部結(jié)構(gòu)具有很大的剛度，它和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及地基三者實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)共同作用的體系。然而長(zhǎng)期以來(lái)，由于人們認(rèn)識(shí)上的局限性以及計(jì)算手段的缺乏，在設(shè)計(jì)計(jì)算中往往人為地切割了各部分之間的聯(lián)系，而把上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為兩個(gè)獨(dú)立的單元分別進(jìn)行考慮，亦即首先把基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為上部結(jié)構(gòu)的固定支座，求得上部結(jié)構(gòu)在荷載作用下的內(nèi)力和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固定處的反力，然后把該反力作用于彈性地基的基礎(chǔ)上計(jì)算基礎(chǔ)的內(nèi)力。這種方法沒(méi)有考慮上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用，忽略了上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的約束（亦即上部結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)）作用。它所導(dǎo)致的結(jié)果：一是基礎(chǔ)彎矩和縱向彎曲過(guò)大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)偏于保守；二是沒(méi)有考慮基礎(chǔ)實(shí)際存在的差異沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)引起的次應(yīng)力，在某些部位低估了上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，從而使這些部位計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

（一）上部結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)基礎(chǔ)受力狀況的影響

假設(shè)上部結(jié)構(gòu)為絕對(duì)剛性，當(dāng)?shù)鼗冃螘r(shí)，各豎向構(gòu)件只能均勻下沉；如忽略豎向構(gòu)件端部的抗轉(zhuǎn)動(dòng)能力，則豎向構(gòu)件支座可視為基礎(chǔ)梁的不動(dòng)鉸支座，亦即基礎(chǔ)梁猶如倒置的連續(xù)梁，不產(chǎn)生整體彎曲，卻以基底分布反力為外荷載，產(chǎn)生局部彎曲。反之，假設(shè)上部結(jié)構(gòu)為絕對(duì)柔性，對(duì)基礎(chǔ)的變形毫無(wú)約束作用，于是基礎(chǔ)梁在產(chǎn)生局部彎曲的同時(shí)，還經(jīng)受很大的整體彎曲。于是，兩種情況下基礎(chǔ)梁的內(nèi)力（例如彎矩）分布形式與大小產(chǎn)生很大的差別。實(shí)際結(jié)構(gòu)物常介于上述兩種情況，其整體剛度的考慮非常困難，只能依靠計(jì)算軟件分析。在地基、基礎(chǔ)和荷載條件不變的情況下，增加上部結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)減少基礎(chǔ)的相對(duì)撓曲和內(nèi)力，但同時(shí)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力增加，即是說(shuō)，上部結(jié)構(gòu)對(duì)減少基礎(chǔ)內(nèi)力的貢獻(xiàn)是以在自身中產(chǎn)生不容忽視的次應(yīng)力為代價(jià)的。還應(yīng)注意的是上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)也并不是無(wú)限。

（二）基礎(chǔ)剛度對(duì)基底反力分布的影響

絕對(duì)柔性基礎(chǔ)當(dāng)上部結(jié)構(gòu)剛度可以忽略時(shí)，對(duì)荷載傳遞無(wú)擴(kuò)散作用，如同荷載直接作用在地基上，反力分布p(x,y)則與荷載q(x，y)大小相等、方向相反。當(dāng)荷載均勻時(shí)，基礎(chǔ)呈盆形沉降；如欲使基礎(chǔ)沉降均勻，則需使荷載從中部向兩端逐漸增大，呈不均勻狀。絕對(duì)剛性基礎(chǔ)對(duì)荷載傳遞起著“架越作用”。由于基礎(chǔ)為絕對(duì)剛性，迫使地基均勻沉降。由于土中塑性區(qū)的開展，反力將發(fā)生重分布。塑性區(qū)最先在邊緣處出現(xiàn)，反力將減小，并向中部轉(zhuǎn)移，形成馬鞍形分布。理論分析與試驗(yàn)研究表明，基底反力的分布除與基礎(chǔ)剛度密切相關(guān)外，還涉及到土的類別與變形特性、荷載大小與分布、土的固結(jié)與蠕變特性，以及基礎(chǔ)的埋深和形狀等多種因素。基底反力分布大致分為三種類型：1、如果基底面積足夠大，有一定的埋深，荷載不大，地基尚處于線性變形階段，則基底反力圖多為馬鞍形；如圖（a)所示；當(dāng)?shù)鼗帘容^堅(jiān)硬時(shí)，反力最大值的位置更接近于邊緣。2、砂土地基上的小型基礎(chǔ)，埋深較淺或荷載較大，臨近基礎(chǔ)邊緣的塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，這部分地基土所卸除的荷載必然轉(zhuǎn)移給基底中部的土體，導(dǎo)致中部基底反力增大，最后呈拋物線形，如圖（b）所示。3、當(dāng)荷載非常大，以致地基接近整體破壞時(shí)，反力更加向中部集中而呈鐘形，如圖（c）所示；當(dāng)兩端存在非常大的地面堆載或相鄰建筑的影響時(shí)，也可能出現(xiàn)鐘形的反力分布

（三）地基條件對(duì)基礎(chǔ)受力狀況的影響

基礎(chǔ)受力狀況（乃至上部結(jié)構(gòu)的受力狀況）還取決于地基土的壓縮性（即軟硬程度或剛度）及其分布的均勻性。當(dāng)?shù)鼗敛豢蓧嚎s時(shí)（例如基礎(chǔ)坐落在未風(fēng)化的基巖上），基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不僅不產(chǎn)生整體彎曲，局部彎曲亦很??；上部結(jié)構(gòu)也不會(huì)因不均勻沉降產(chǎn)生次應(yīng)力。實(shí)踐中最常遇到的情況卻是地基土有一定的可壓縮性，且分布不均，這樣，基礎(chǔ)彎矩分布就截然不同?；A(chǔ)與地基界面處往往顯示出摩擦特征。由于土的強(qiáng)度有限，形成的摩擦力也有限，不會(huì)超過(guò)土的抗剪強(qiáng)度?？紫端畨毫Φ淖兓赡芨淖儔嚎s過(guò)程中摩擦力的大小與分布。此外，外荷載的分布和性質(zhì)、基礎(chǔ)的相對(duì)柔度以及土的蠕變等涉及時(shí)間變化的效應(yīng)等都會(huì)影響到界面條件。因此，應(yīng)從完全光滑一直到完全粘著這兩種極端情況之間來(lái)慎重估計(jì)界面摩擦的影響。

（四）上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)和地基共同作用的概念及分析方法

上部結(jié)構(gòu)與地基和基礎(chǔ)三者是彼此不可分離的整體，每一部分的工作性狀都是三者共同作用的結(jié)果。共同作用分析，就是把上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基看成是一個(gè)彼此協(xié)調(diào)工作的整體，在連接點(diǎn)和接觸點(diǎn)上滿足變形協(xié)調(diào)的條件下求解整個(gè)系統(tǒng)的變形與內(nèi)力。在共同作用分析中，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)通常是由梁、板組成，因此可以采用有限單元法、有限條法、有限差分法或解析方法建立上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度矩陣，并利用變形協(xié)調(diào)條件與地基的剛度矩陣耦合起來(lái)。地基首先需確定采用何種地基模型：線彈性地基模型，非線彈性地基模型還是彈塑地基模型。然后建立地基的剛度矩陣。當(dāng)然也可以采用有限單元法、有限差分法或解析法建立地基的剛度矩陣。但是習(xí)慣上用所謂的結(jié)構(gòu)力學(xué)法來(lái)建立各種地基模型的柔度矩陣，然后求逆得到它們的剛度矩陣，與上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度矩陣耦合起來(lái)，從而求得地基反力和沉降。在共同作用分析中，可以根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果把基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度進(jìn)行共同作用分析，并考慮施工過(guò)程的影響，把結(jié)構(gòu)荷載和剛度形成情況分別考慮來(lái)進(jìn)行共同作用分析。

三、高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)用共同作用理論

應(yīng)用上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基共同作用的理論進(jìn)行高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，能夠比較真實(shí)地反映其實(shí)際工作狀態(tài)，此外，還可以利用共同作用理論提高和改善高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的水平和質(zhì)量，取得更大的經(jīng)濟(jì)效果。具體來(lái)說(shuō)，可從下面幾方面入手：

（一）有效地利用上部結(jié)構(gòu)的剛度，使基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)尺寸減小到最小程度。例如，把上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)作為一個(gè)整體來(lái)考慮，箱形基礎(chǔ)高度可大為減??；當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為剪力墻體系時(shí)，有可能將箱形改為筏基。應(yīng)注意的是，上部結(jié)構(gòu)的剛度是隨著施工的進(jìn)程逐步形成的，因此在利用上部結(jié)構(gòu)剛度改善基礎(chǔ)工作條件時(shí)，應(yīng)模擬施工過(guò)程進(jìn)行共同作用分析，以免造成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的損壞。

（二）對(duì)建筑層數(shù)懸殊、結(jié)構(gòu)形式各異的主樓與群房，可分別采用不同形式的基礎(chǔ)，經(jīng)慎重而仔細(xì)的共同作用分析比較，可使主、裙房的基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)全都連接成整體，實(shí)現(xiàn)建筑功能上的要求。

（三）運(yùn)用共同作用的理論合理地設(shè)計(jì)地基和基礎(chǔ)，達(dá)到減少基礎(chǔ)內(nèi)力與沉降、降低基礎(chǔ)造價(jià)的目的。例如在一定的地質(zhì)條件下，考慮樁間土的承載作用，得以加大樁徑、減少樁數(shù)，合理布樁、減少基礎(chǔ)內(nèi)力，從而在整體上降低基礎(chǔ)工程的造價(jià)。

四、高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

（一）保證荷載的可靠傳遞

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有必要的強(qiáng)度和剛度，以保證將高層建筑上部結(jié)構(gòu)作用于基礎(chǔ)頂面的巨大豎向、水平向荷載與力矩，可靠地傳給地基土或樁頂。

（二）參與變形協(xié)調(diào)，減少不均勻沉降

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)介于上部結(jié)構(gòu)與地基土之間，其剛度大小及其在平面上的分布，對(duì)調(diào)整不均勻沉降、減少整體和局部撓曲至關(guān)重要。

例如：多、高層建筑中，當(dāng)采用條形基礎(chǔ)不能滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力和變形的要求，或當(dāng)建筑物要求基礎(chǔ)具有足夠的剛度以調(diào)節(jié)不均勻沉降時(shí)，可采用筏型基礎(chǔ)。筏型基礎(chǔ)的平面尺寸，在地基土比較均勻的條件下，基底平面形心宜與上部結(jié)構(gòu)豎向永久荷載的重心重合。當(dāng)不重合時(shí)，在荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合下，宜通過(guò)調(diào)整基底面積使偏心距e符合下式要求：

e≤0.1W/A

式中W-與偏心距方向一致的基礎(chǔ)底面邊緣的抵抗矩；

A-基礎(chǔ)底面積。

對(duì)低壓縮性地基或端承樁基的基礎(chǔ)，可適當(dāng)放松上述偏心距的限制。按上式計(jì)算時(shí)，高層建筑的主樓和裙房可以分開考慮。

（三）內(nèi)力分析中，應(yīng)盡可能考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)和地基土的共同作用

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)和地基土三者之間的共同作用是客觀存在的。當(dāng)然，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中往往不可能都做到，特別是地基模型及其參數(shù)的選取，對(duì)共同作用的結(jié)果影響甚大；但在構(gòu)造和配筋上反映對(duì)共同作用結(jié)果的考慮，是完全可能和必要的。

例如：在同一大面積整體筏型基礎(chǔ)上建有多幢高層和低層建筑時(shí)，筒體下筏板厚度和配筋宜按上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基土的共同作用的基礎(chǔ)變形和基底反力計(jì)算確定。帶裙房的高層建筑下的大面積整體筏型基礎(chǔ)，其主樓下筏板的整體撓度值不應(yīng)大于0.5‰，主樓與相鄰的裙房柱的差異沉降不應(yīng)大于1‰，裙房柱間的差異沉降不應(yīng)大于2‰。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高層建筑的上部結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)及地基組成了一個(gè)共同作用的體系，在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，要有效利用上部結(jié)構(gòu)剛度，充分考慮地基條件對(duì)基礎(chǔ)受力的影響，合理選擇基礎(chǔ)形式，運(yùn)用共同作用的理論設(shè)計(jì)地基和基礎(chǔ)，達(dá)到減少基礎(chǔ)內(nèi)力與沉降、降低基礎(chǔ)造價(jià)的目的。

[1] 董建國(guó)，趙錫宏.高層建筑地基基礎(chǔ)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.9

[2] 史佩棟，高大釗，錢力航.21世紀(jì)高層建筑基礎(chǔ)工程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.7

[3] 宰金珉，宰金璋.高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.2

[4] 魏利金.建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)與審圖常遇問(wèn)題及對(duì)策 [M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.6.