高層建筑平板式筏基設(shè)計(jì)中的若干問題

陳榮欣

（中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，深圳 518054）

當(dāng)前，我國(guó)城市化進(jìn)程逐步加快，土地資源緊缺，大中城市中高層建筑已成為了一種常見的建筑形式。高層建筑的基礎(chǔ)不僅要承受整個(gè)建筑物的豎向荷載，還要保證在水平荷載（風(fēng)荷載和地震作用）作用下，具有足夠的穩(wěn)定性，為建筑物的安全可靠提供首要保障。筏板基礎(chǔ)既能充分發(fā)揮地基承載力，又具有良好的整體性，能很好的調(diào)整地基不均勻沉降，還能滿足停車庫(kù)的空間使用要求，是較為理想的基礎(chǔ)型式。筏板基礎(chǔ)可分為平板式筏基和梁板式筏基。平板式筏板基礎(chǔ)具有抗沖切和抗剪切能力強(qiáng)、傳力快捷、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。該文將對(duì)高層建筑平板式筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的一些問題進(jìn)行分析探討。

1 基礎(chǔ)埋深、平面尺寸及厚度的確定

1.1 基礎(chǔ)埋深的確定

高層建筑由于質(zhì)心高、荷載重，除要滿足地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一般規(guī)定外，尚應(yīng)有一定的埋置深度。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010備案號(hào)J186—2010）（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）12.1.8條明確規(guī)定，“在確定埋置深度時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物的高度、體型、地基土質(zhì)、抗震設(shè)防烈度等因素?；A(chǔ)埋置深度可從室外地坪算至基礎(chǔ)底面……”。天然地基和復(fù)合地基，可取房屋高度的1/15；樁基礎(chǔ)不計(jì)樁長(zhǎng)，可取房屋高度的1/18。高層建筑在地震力作用下，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)與基礎(chǔ)埋置深度關(guān)系較大，軟弱土層時(shí)更為明顯。因此高烈度、場(chǎng)地差時(shí)，更要有較大的埋置深度，以滿足地基抗傾覆和抗滑移的要求。實(shí)際工程中基礎(chǔ)的埋置情況千差萬(wàn)別，應(yīng)區(qū)別對(duì)待。下面就幾種常見的基礎(chǔ)埋置深度的正確取值方法做一簡(jiǎn)單介紹。

1）建筑物四周室外地坪標(biāo)高不同時(shí)，應(yīng)從室外最低地坪算起，如圖1所示。

2）主樓與裙房之間設(shè)有沉降縫、伸縮縫時(shí)，設(shè)縫的一側(cè)起不到嵌固作用。如圖2（a）中，主樓與裙房基礎(chǔ)底標(biāo)高相同時(shí)，基礎(chǔ)的有效埋置深度為“0”；圖2（b）中，兩者不同時(shí)，應(yīng)從裙房地下室底板的頂面算起。

3）當(dāng)?shù)叵率矣型ㄩL(zhǎng)采光井時(shí)，a）如果采光井擋土墻與地下室外墻沒有連接或連接較弱時(shí)，基礎(chǔ)埋深應(yīng)從采光井底地坪算至基礎(chǔ)底面；b）如果采光井擋土墻與地下室外墻有可靠連接，可以完成力的傳遞，可從房屋四周室外最低地坪起算。

1.2 筏板基礎(chǔ)平面尺寸的確定

筏板的平面大小首先要滿足地基承載力的要求?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）（以下簡(jiǎn)稱《地規(guī)》）5.2.1條、《高規(guī)》12.3.1條和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）4.2.3條，已分別給出了具體要求。常用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部的JCCAD（以下簡(jiǎn)稱JCCAD），首先在“基礎(chǔ)人機(jī)交互輸入”的“重心校核”菜單下，要分別選擇正常使用極限狀態(tài)，各荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下的板底平均反力、最大最小反力，對(duì)地基承載力進(jìn)行校核。同時(shí)在筏板有限元分析結(jié)果中，各板塊下地基土最大反力也應(yīng)滿足承載力的設(shè)計(jì)要求?！陡邔咏ㄖば闻c箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》（JGJ6—2011備案號(hào)J1160—2011）5.1.3條規(guī)定，筏基在荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合下，應(yīng)滿足偏心距的要求。因此，應(yīng)盡量使建筑物重心與筏基平面的形心重合，避免產(chǎn)生附加傾覆彎矩；也可以通過(guò)調(diào)整筏板的外挑長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整形心，以滿足規(guī)范要求。此外，挑出長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，以利于外包防水施工和減小筏板的盆式差異沉降。值得一提的是對(duì)于平板式筏基，為了滿足角部、邊部墻體抗沖切要求，一般挑出長(zhǎng)度不宜小于板厚，其剛度和承載力均應(yīng)滿足要求。

1.3 筏板基礎(chǔ)厚度的確定

筏板基礎(chǔ)的厚度由抗沖切和抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算確定，同時(shí)還要滿足抗?jié)B要求?！陡咭?guī)》12.3.4條規(guī)定，板厚不宜小于400mm。這里需要指出的是除強(qiáng)度驗(yàn)算控制外，還要求筏板基礎(chǔ)有較強(qiáng)的整體剛度。一般經(jīng)驗(yàn)是平板式筏板的厚度可按地面上樓層數(shù)估算，每層約需板厚50～80mm，可以先取h＝n（層數(shù)）×50mm進(jìn)行試算。部分軸力較大的墻、柱下，筏板厚度可適當(dāng)加厚。JCCAD“基礎(chǔ)人機(jī)交互輸入→筏板”菜單下可以進(jìn)行單墻沖切、多墻沖切和內(nèi)筒沖切的驗(yàn)算。應(yīng)該注意的是對(duì)于角部和邊緣墻體等，筏板沖切面不規(guī)則處，應(yīng)根據(jù)《地規(guī)》8.4.7條、8.4.8條和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）6.5.1條，按照實(shí)際沖切面驗(yàn)算筏板厚度。

2 計(jì)算參數(shù)的合理選取

中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部的JCCAD，是目前國(guó)內(nèi)各設(shè)計(jì)單位應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件之一。平板式筏板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)可以通過(guò)JCCAD中，“①地質(zhì)資料輸入②基礎(chǔ)人機(jī)交互輸入③樁筏、筏板有限元計(jì)算”，3個(gè)主菜單完成。前2個(gè)菜單在很多基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中都有應(yīng)用，在此筆者僅對(duì)第3項(xiàng)菜單中，一些參數(shù)的合理選取做一簡(jiǎn)單歸納。

2.1 計(jì)算模型的選擇

一般平板式筏板基礎(chǔ)選擇“彈性地基梁板模型（樁和土按WINKLER模型）”。其基本假定是地基土邊界面上任意點(diǎn)處的沉降與該點(diǎn)所承受的壓強(qiáng)成正比，而與其它點(diǎn)上的壓力無(wú)關(guān)。在計(jì)算中將土與樁假設(shè)為獨(dú)立的彈簧，雖然簡(jiǎn)單，但受力明確，考慮上部結(jié)構(gòu)剛度時(shí)會(huì)比較符合實(shí)際情況。順便提及一下，梁板式筏基一般選擇“倒樓蓋模型（樁及土反力按剛性板假設(shè)求出）”，假定結(jié)構(gòu)上部剛度無(wú)窮大，地基反力均勻分布在基礎(chǔ)底面，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，易于手算。

2.2 考慮上部結(jié)構(gòu)影響

《地規(guī)》8.4.21條和《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》（JGJ6—2011備案號(hào)J1160—2011）6.2.15條規(guī)定，“大面積整體筏形基礎(chǔ)上有多幢高層和低層建筑時(shí)，筏基的結(jié)構(gòu)計(jì)算宜考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基的共同作用”。JCCAD通過(guò)選擇“取SATWE剛度SATFDK.SAT”，把上部結(jié)構(gòu)的剛度疊加到基礎(chǔ)筏板上，使其基礎(chǔ)平面外剛度大大增加，提高了抵抗上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的不均勻荷載的能力，減少變形差，減小內(nèi)力與配筋，使得設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理。如果想實(shí)現(xiàn)這一選項(xiàng)，要在SATWE“②結(jié)構(gòu)內(nèi)力、配筋計(jì)算”菜單下，點(diǎn)取“生成傳給基礎(chǔ)的剛度”，即可生成上部結(jié)構(gòu)剛度的文件SATFDK.SAT。

2.3 沉降計(jì)算及基床反力系數(shù)K的選取

沉降計(jì)算是筏板計(jì)算的核心步驟，其關(guān)鍵是基床反力系數(shù)K的確定。基床反力系數(shù)K取決于許多復(fù)雜的因素，單憑表征土的力學(xué)性質(zhì)很難準(zhǔn)確概括。在實(shí)際工作中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，是根據(jù)基礎(chǔ)底板下土層及附加應(yīng)力影響深度范圍內(nèi)各單一土層土質(zhì)，綜合確定代表整個(gè)工程地質(zhì)狀況的基床反力系數(shù)K來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。JCCAD在“沉降試算”菜單下，完成“K值”的確定和基礎(chǔ)沉降值計(jì)算。進(jìn)入這個(gè)菜單后，程序會(huì)按照輸入的地質(zhì)資料和上部結(jié)構(gòu)，根椐規(guī)范方法計(jì)算出沉降，再反推出來(lái)一個(gè)“板底土反力基床系數(shù)建議值”。往往這個(gè)數(shù)值與JCCAD中附錄給出的“K值”相差很多，有時(shí)甚至相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于后者來(lái)源于用于路基上枕木、軌道計(jì)算的蘇聯(lián)規(guī)范等原因。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將兩者作為參考依據(jù)，再根據(jù)當(dāng)?shù)仡愃平ㄖ某两涤^測(cè)經(jīng)驗(yàn)值Sm，用“總面荷載值（準(zhǔn)永久值）（kN/m2）”/“平均沉降Sm（m）”，從而得出實(shí)際工程計(jì)算所用的“板底土反力基床系數(shù)建議值”，同時(shí)將此基床系數(shù)賦值給板，這時(shí)即可得出平均沉降S1（mm）。用這個(gè)方法把沉降計(jì)算結(jié)果控制在合理范圍內(nèi)是非常重要的。同時(shí)還要在結(jié)果顯示中查看板沉降圖是否合理，沉降差（整體傾斜）是否滿足規(guī)范要求，否則應(yīng)調(diào)整筏板或上部結(jié)構(gòu)的布置。

2.4 地基承載力修正

在JCCAD的“②基礎(chǔ)人機(jī)交互輸入③樁筏、筏板有限元計(jì)算”菜單中，有筏板板底平均反力和最大最小反力給出，這些數(shù)值將和修正后的地基承載力比較，以判定地基承載力是否滿足規(guī)范要求。關(guān)于地基承載力的修正方法，《地規(guī)》5.2.4條已有明確說(shuō)明，這里著重介紹一下高層建筑主樓和裙樓一體時(shí)，用于主樓結(jié)構(gòu)地基承載力深度修正的基礎(chǔ)埋置深度d的計(jì)算方法。1）當(dāng)裙樓基礎(chǔ)底面以上的恒荷載q1小于建筑物四周任意一側(cè)的土重時(shí)，可用q1/土體容重，換算成等效計(jì)算深度de；2）當(dāng)裙樓基礎(chǔ)底面以上的恒荷載q1大于建筑物四周任意一側(cè)的土重時(shí)，可直接依據(jù)四周天然地面狀況及土的回填情況確定計(jì)算埋深d。特別需要指出的是，承載力是地基基礎(chǔ)穩(wěn)定的最首要保障，設(shè)計(jì)中應(yīng)給與高度重視。

3 設(shè)計(jì)中的一些常見問題

JCCAD有時(shí)會(huì)出現(xiàn)下面的情況，“②基礎(chǔ)人機(jī)交互輸入→重心校核”各工況下的筏板板底反力滿足設(shè)計(jì)要求，而“③樁筏、筏板有限元計(jì)算→結(jié)果顯示→最大反力圖”中的土最大反力出現(xiàn)超大的異常情況，這可能是以下原因：1）“①地質(zhì)資料輸入”時(shí)保存的文件夾路徑太長(zhǎng)，或工程文件中文件名字符太長(zhǎng)，或者路徑中存在斜杠字符“/”和點(diǎn)字符“.”，程序無(wú)法正確的提取到模型數(shù)據(jù)文件；2）地質(zhì)資料輸入不完整，該部分筏板下無(wú)地質(zhì)資料，此時(shí)應(yīng)增加孔點(diǎn)使輸入的地質(zhì)資料范圍擴(kuò)大至筏板所有區(qū)域；3）“③樁筏、筏板有限元計(jì)算”中，修改筏板布置后，直接進(jìn)行沉降試算，并對(duì)基床反力系數(shù)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)整，依次完成計(jì)算。此時(shí)，無(wú)論筏板的參數(shù)是否做了改變，均會(huì)造成筏板最大反力及配筋的異常。下面是一個(gè)工程實(shí)例中所出現(xiàn)的問題，圖3（a）、圖3（b）分別是未修改筏板布置時(shí)的筏板板底最大反力和配筋，圖4（a）、圖4（b）分別是修改筏板布置后（并未改變筏板的任何參數(shù)），筏板板底最大反力和配筋。為了避免上述問題的發(fā)生，必須在修改了筏板布置（修改為工程實(shí)際的筏板布置）后，先做一次“退出程序”操作，再重新進(jìn)入計(jì)算，選取“在原基礎(chǔ)上修改或計(jì)算（A）”，并依次執(zhí)行各菜單（此時(shí)不得再進(jìn)行筏板布置的操作），這樣就可以得到正確的結(jié)果。綜上所述，筏板設(shè)計(jì)時(shí)，要認(rèn)真分析每一個(gè)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于一些異常數(shù)據(jù)，要仔細(xì)分析其原因，采取正確的修改措施，避免疏漏，以保證整個(gè)設(shè)計(jì)的完整無(wú)誤。

同時(shí)，筏板的細(xì)部構(gòu)造也是不可忽視的。陽(yáng)角板底應(yīng)配置放射形構(gòu)造鋼筋，鋼筋直徑與邊跨受力鋼筋相同，外端間距不大于200mm，一般為5～7根。其長(zhǎng)度外側(cè)可以取到筏板的邊，內(nèi)側(cè)可以取與外側(cè)相同的長(zhǎng)度。還有實(shí)際工程中，筏板通常會(huì)作為地下室外墻（擋土墻）的嵌固端，此時(shí)筏板的彎矩應(yīng)與相應(yīng)墻體的底部彎矩平衡，配筋要綜合考慮。最后筏基的整體抗浮、局部抗浮、裂縫控制及沉降后澆帶、伸縮后澆帶的設(shè)置等均應(yīng)按相關(guān)規(guī)范要求嚴(yán)格執(zhí)行，這里不再詳述。

4 結(jié) 語(yǔ)

高層建筑筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)復(fù)雜而繁瑣的工作。我們必須仔細(xì)研究每個(gè)工程上部結(jié)構(gòu)和該場(chǎng)地巖土性質(zhì)的特點(diǎn)，密切結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，選擇合理的計(jì)算參數(shù)，認(rèn)真對(duì)待計(jì)算、構(gòu)造每一個(gè)環(huán)節(jié)，力求將設(shè)計(jì)做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、切實(shí)可行。

［1］ JGJ3—2010備案號(hào)J186－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.

［2］ GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ JGJ6—2011備案號(hào)J1160－2011，高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］ JCCAD S—5，中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部（2010）.