高層建筑結構樁基礎與抗震性設計分析

魯微偉

（大慶油田礦區(qū)服務事業(yè)部外圍物業(yè)管理公司杏南供熱分公司 黑龍江 大慶 163000）

0 引言

隨著近代工程建筑規(guī)模不斷擴大，結構形式不斷變化更新，向高層建筑及復雜的方向發(fā)展的勢頭迅速，高層建筑越來越多。因此施工中面臨的難點、疑點等問題也不斷的增多。高層建筑重心高，在風和地震水平荷載作用下會產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，故其對基礎的承載力、穩(wěn)定性和差異沉降要求很高。而針對超高層建筑基礎設計工作的需要來看，對一些問題還需要深入的研究。工程現(xiàn)場實測和模型試驗均已證明結構樁基礎的地基反力，既不是直線型分布，也不符合彈性地基理論的計算結果。為此有必要開展對高層建筑結構樁基礎的設計研究。

1 高層建筑結構樁基礎的分析

1.1 樁基礎設計與工程應用現(xiàn)狀

“基礎決定上層建筑”，針對高層建筑樁基礎的特點和要求。應用最廣的是在豎向荷載作用下的樁，豎向荷載作用下的樁土相互作用問題對樁基的設計和施工影響很大，結合工程實際，很多樁基工程試樁設計與靜載試驗結果達不到設計要求，設計師通過調(diào)整設計參數(shù)，修改加密樁基設計圖予以補救，這樣靜載試驗結果超過設計要求太多，雖然安全性更易得到保證，但太保守的設計降低了經(jīng)濟效益。在建筑業(yè)這種情況是要進行優(yōu)化的，超過設計太多需要進行二次試樁，項目建設周期也隨之延長。如果設計師等靜載試驗結果出來再進行樁基施工圖的設計，既影響計劃進度，也滿足不了建設的需要。解決單樁靜載試驗結果與試樁設計偏差過大的問題，也就是怎樣使試樁設計盡量接近單樁靜載試驗結果，又簡便又精確地對單樁靜載試驗結果進行預估計是值得研究的。

1.2 樁基礎簡化設計分析

高層建筑結構作用在基礎上的荷載大，基礎埋置深，一般設置地下室并常常有作為人防工程或地下停車庫等要求，因此，基礎工程的材料用量多、施工復雜且施工周期長，其技術經(jīng)濟指標對建筑總造價有很大影響。高層建筑的基礎除極少數(shù)可直接建于堅硬的巖石上以外，一般采用鋼筋混凝土片筏式基礎、箱形基礎或樁基礎，而樁基礎是高層建筑最常用的基礎形式。樁基礎具有承載力大、穩(wěn)定性好、沉降量小且均勻等優(yōu)點，還能承受一定的水平力和上拔力，承受動荷載的性能也較好。

就高層建筑物的上下部相互作用問題來講，傳統(tǒng)的設計計算理論所采用的許多假定使其在不同程度上回避了樁-土-結構間相互作用的全面分析。如：地基反力系數(shù)法把土體對樁的反力作用等復雜因素通過Winker假定，簡化成單純的反力系數(shù)作用于樁上，傳統(tǒng)設計計算理論本質(zhì)上都未徹底解決樁-土相互作用力學機制的分析問題。對于高層建筑物的相互作用分析，必須將結構-樁-土體系作為一個整體來考慮。顯然用傳統(tǒng)的設計計算理論來更貼切地分析這一實際問題還是有些困難的。就目前的分析手段來講，有限元法是個前景較好的方法，除了有限元數(shù)值模型能夠充分地考慮諸如：土體材料性質(zhì)的空間差異性、力學響應的非線性，復雜的幾何邊界條件等，而且還能夠通過適當?shù)臄?shù)值技術模擬工程施工過程，以及由此而帶來的一些施工力學問題等各類復雜的耦合因素外，其思想和實現(xiàn)過程也都較為簡單和統(tǒng)一，因此適于編程和電算，極大的簡化了樁結構基礎的計算設計工作量。

2 高層建筑結構抗震性動力分析

2.1 抗震設計措施

在抗震設計中，從概念設計，抗震驗算及構造措施等三方面入手，在將抗震與消震(結構延性)結合的基礎上，建立設計地震力與結構延性要求相互影響的雙重設計指標和方法，直至進一步通過一些結構措施(隔震措施，消能減震措施)來減震，即減小結構上的地震作用使得建筑在地震中有良好而經(jīng)濟的抗震性能是當代抗震設計規(guī)范發(fā)展的方向。而且，強柱弱梁，強剪弱彎和強節(jié)點弱構件在提高結構延性方面的作用已得到普遍的認可。

2.2 抗震設計理念

我國《建筑抗震規(guī)范》(GB50011-2001)對建筑的抗震設防提出“三水準、兩階段”的要求，“三水準”即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。當遭遇第一設防烈度地震即低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震時，結構處于彈性變形階段，建筑物處于正常使用狀態(tài)。當遭遇第二設防烈度地震即相當于本地區(qū)抗震設防烈度的基本烈度地震時，結構屈服進入非彈性變形階段，建筑物可能出現(xiàn)一定程度的破壞。當遭遇第三設防烈度地震即高于本地區(qū)抗震設防烈度的罕遇地震時，結構雖然破壞較重，但結構的非彈性變形離結構的倒塌尚有一段距離。

三個水準烈度的地震作用水平，按三個不同超越概率(或重現(xiàn)期)來區(qū)分的:多遇地震:50年超越概率63.2%，重現(xiàn)期50年；設防烈度地震(基本地震):50年超越概率10%，重現(xiàn)期475年；罕遇地震:50年超越概率2%-3%，重現(xiàn)期1641-2475年，平均約為2000年。

對建筑抗震的三個水準設防要求，是通過“兩階段”設計來實現(xiàn)的，其方法步驟如下:第一階段:第一步采用與第一水準烈度相應的地震動參數(shù)，先計算出結構在彈性狀態(tài)下的地震作用效應，與風、重力荷載效應組合，并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù)，滿足強度要求；第二步是采用同一地震動參數(shù)計算出結構的層間位移角，使其不超過抗震規(guī)范所規(guī)定的限值，從而自動滿足第二水準的變形要求。第二階段:采用與第三水準相對應的地震動參數(shù)，計算出結構(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié))的彈塑性層間位移角，使之小于抗震規(guī)范的限值。并采用必要的抗震構造措施，從而滿足第三水準的防倒塌要求。

2.3 抗震設計方法

我國的《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2001)對各類建筑結構的抗震計算應采用的方法作了以下規(guī)定:高度不超過40m，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結構，以及近似于單質(zhì)點體系的結構，可采用底部剪力法等簡化方法；除1款外的建筑結構，宜采用振型分解反應譜方法；特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和限制高度范圍的高層建筑，應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算，可取多條時程曲線計算結果的平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。

3 結語

對于高層建筑，其樁基礎與抗震效能的分析一直是國內(nèi)外建筑抗震設計分析的研究熱點，而最直接最有效的抗震措施就是在建筑設計階段進行結構抗震設計，只有從高層建筑物內(nèi)部實施結構抗震，才能夠從根本上提高高層建筑的抗震效能。本文從高層建筑結構設計的角度進行了抗震分析，對于具體的高層建筑抗震設計具有一定指導和借鑒意義。