高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討

秦俊林

摘 要：近些年來(lái)，高層建筑在我國(guó)得到了快速的發(fā)展，但是由于高層建筑具有較高的高度，所以容易受到外界自然因素的影響而產(chǎn)生較強(qiáng)的傾覆力矩，對(duì)高層建筑的安全帶來(lái)很大的威脅。在這種情況下，高層建筑結(jié)構(gòu)對(duì)于樁基礎(chǔ)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高，需要其具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、較高的承載力以及擁有較好的沉降性能。樁基礎(chǔ)是整個(gè)高層建筑的核心部分，需要承受巨大的作用力，對(duì)于高層建筑的安全和質(zhì)量有很大的影響，所以需要高度重視樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。文章對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)于提高高層建筑的質(zhì)量和安全具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)；樁基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)

前言

樁基礎(chǔ)是高層建筑的重要組成部分，樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)水平直接影響到整個(gè)高層建筑的結(jié)構(gòu)安全，所以樁基礎(chǔ)要具有良好的穩(wěn)定性以及沉降性能，在承受巨大荷載的情況下，能夠保證整個(gè)建筑的穩(wěn)定性。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，高層建筑的高度以及各種因素的限制，樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案也不相同，在軟弱地基中，樁基礎(chǔ)應(yīng)用的比較廣泛，也是比較古老的基礎(chǔ)形式。在進(jìn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一定要做好施工現(xiàn)場(chǎng)的勘察檢測(cè)工作，只有在充分的了解各項(xiàng)資料之后，才能夠設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的方案，為高層建筑的安全性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的分析

1.1 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用現(xiàn)狀

樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部分，所以只有在樁基礎(chǔ)施工完成后，才能夠進(jìn)行上層建筑的施工，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不僅關(guān)乎整個(gè)工程的施工質(zhì)量、安全性，對(duì)于施工進(jìn)度還有很大的影響。目前使用比較多的是豎向荷載作用下的樁基礎(chǔ)，在豎向荷載的作用下，樁與土之間會(huì)相互作用，對(duì)于樁基的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生很大的影響。在以往的樁基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)中，試樁和靜載試驗(yàn)的結(jié)果都無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)師在對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整之后，意圖通過(guò)加密樁的方式來(lái)進(jìn)行調(diào)整，這種情況下，靜載的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很多，雖然在安全性方面可以保證，但是經(jīng)濟(jì)系數(shù)卻大大的提高。這種矛盾的現(xiàn)象需要不斷的改善，如果超過(guò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)太多就需要重新進(jìn)行試樁，但是建設(shè)的周期也相應(yīng)的延長(zhǎng)，會(huì)影響到整個(gè)工程的建設(shè)進(jìn)度。如果在靜載試驗(yàn)結(jié)果出來(lái)之后再進(jìn)行樁基的設(shè)計(jì)工作，既不利于建設(shè)周期，同時(shí)也無(wú)法滿(mǎn)足建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。所以目前急需解決的就是如何縮短靜載試驗(yàn)與試樁設(shè)計(jì)之間的差距，并且對(duì)單樁靜載試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步研究，盡量將各項(xiàng)參數(shù)預(yù)估的更加精確。

1.2 樁基礎(chǔ)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)分析

由于高層建筑龐大的工程會(huì)對(duì)基礎(chǔ)部分造成巨大的作用，所以基礎(chǔ)工程需要能夠程序較大的荷載，埋深都較大。而在現(xiàn)階段，在很多的高層建筑中，都會(huì)有人防工程或者是地下停車(chē)場(chǎng)等結(jié)構(gòu)需求，所以在進(jìn)行基礎(chǔ)工程施工時(shí)，需要耗費(fèi)大量的材料，并且施工技術(shù)比較復(fù)雜，耗費(fèi)的工期較長(zhǎng)。一般情況下，能夠直接建設(shè)在堅(jiān)硬巖石上的建筑并不多，所以大部分的基礎(chǔ)工程都會(huì)采用鋼筋混凝土片筏式基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)以及樁基礎(chǔ)。由于樁基礎(chǔ)的承載力較大，具有良好的穩(wěn)定性，并且在沉降差較小的情況能夠保持的比較均勻，這些特點(diǎn)都決定了其能夠承受較強(qiáng)的水平力以及上拔力，在動(dòng)荷載方面的性能較好，所以在基礎(chǔ)工程中應(yīng)用的比較廣泛。

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間會(huì)相互產(chǎn)生作用力，從這個(gè)問(wèn)題來(lái)看，在傳統(tǒng)的計(jì)算中存在很多的假定，都可以利用在樁和土之間的作用力上。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)算法中有一種Winker的假定，這種假定主要是針對(duì)地基的反力系數(shù)法，其中把土體對(duì)樁造成的反力作用簡(jiǎn)化成單純的反力系數(shù)作用于樁上，這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)算法中針對(duì)于樁土作用力問(wèn)題在理論層面從沒(méi)有通過(guò)的。高層建筑中各個(gè)部分之間產(chǎn)生的作用力，應(yīng)該將樁、土以及結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行考慮。通過(guò)上述分析可知，如果利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)算計(jì)來(lái)解決現(xiàn)實(shí)中的這些問(wèn)題還具有很大的困難。而從目前的現(xiàn)狀來(lái)看，就分析的手法而定，還有有限元法的前景比較廣闊，通過(guò)有限元數(shù)值模型能夠?qū)ν馏w材料性質(zhì)的空間差異性、力學(xué)響應(yīng)的非線性，復(fù)雜的幾何邊界條件等進(jìn)行詳細(xì)的分析，并且還可以通過(guò)數(shù)值技術(shù)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，將施工過(guò)程中可能會(huì)遇到的各種耦合性因素都模擬出來(lái)，在編程以及電算方面都具有較強(qiáng)的效率，并且簡(jiǎn)化了樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的工作量，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)措施

2.1 “樁土分離模式”進(jìn)行單樁簡(jiǎn)化

在進(jìn)行單樁計(jì)算時(shí)，可以通過(guò)有限元分析來(lái)達(dá)到簡(jiǎn)化的目的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法采用的都是不同程度回避樁土結(jié)構(gòu)間的相互作用，對(duì)其不做過(guò)多的考慮。比如使用地基反力系數(shù)法把土地對(duì)樁的反作用力等復(fù)雜因素通過(guò)Winker進(jìn)行假定，認(rèn)為其僅僅為單純的反力系數(shù)作用于樁上。而有限元分析卻可以綜合考慮這些客觀存在的事實(shí)條件。它可以對(duì)力學(xué)響應(yīng)的非線性、土地材料性質(zhì)的空間差異性和比較復(fù)雜的幾何邊界條件進(jìn)行綜合分析等，不僅求解力學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)便，同時(shí)便于二次開(kāi)發(fā)，相較傳統(tǒng)的計(jì)算理論有明顯的優(yōu)勢(shì)。

因此，對(duì)單樁的簡(jiǎn)化分析采取的是將樁和土分別劃分單元的方法，要注意這兩種單元也不是固定不變的，在它們其中還可以細(xì)化設(shè)置單元。在利用有限元進(jìn)行單樁簡(jiǎn)化分析時(shí)，要特別注意單元尺寸的選取對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)的影響。其實(shí)有時(shí)候，單元數(shù)量會(huì)劃分的特別巨大，從而造成計(jì)算的困難，因此在實(shí)際操作中，可以適當(dāng)刪繁就簡(jiǎn)，抓住主要部分，以提高工作效率。

2.2 “樁土復(fù)合模式”進(jìn)行群樁簡(jiǎn)化

在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以通過(guò)有限元分析的方法來(lái)模擬樁的沉降和荷載關(guān)系，以達(dá)到簡(jiǎn)化算法的目的。在實(shí)際中，通過(guò)群樁基礎(chǔ)規(guī)范法計(jì)算出來(lái)的沉降和實(shí)際荷載作用下的沉降相比，其值要大得多。為了盡量使其值接近且簡(jiǎn)化運(yùn)算，可以采用將垂直于樁軸線的樁土共同作用的平面作為各向同性的面，把樁土三維結(jié)構(gòu)體系作為橫觀各向同性體。依據(jù)樁土各自的彈性模量和泊松比以及樁土這兩種材料復(fù)合成新的橫觀各向同性體的九個(gè)材料參數(shù)（其中只有五個(gè)材料參數(shù)是獨(dú)立的），用等效復(fù)合體模型計(jì)算樁土荷載沉降反應(yīng)分析。同時(shí)要注意群樁上面作用荷載的特點(diǎn)與單樁靜力試樁有很大的差別，這點(diǎn)不在贅述。對(duì)計(jì)算的簡(jiǎn)化，可以通過(guò)下面的方法來(lái)達(dá)到：把等效復(fù)合體模型的參數(shù)計(jì)算編成程序，修改樁、土的五個(gè)參數(shù)，在matlab軟件上運(yùn)行即可得到復(fù)合模型的九個(gè)參數(shù)。計(jì)算時(shí)需注意xoz平面是各向同性的平面。因此，在實(shí)際中可以證明，該種方法模擬的樁基沉降，比著規(guī)范上要精確許多，在工程實(shí)測(cè)中有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

基礎(chǔ)工程是建筑工程中的重要組成部分，直接影響到整個(gè)建筑的質(zhì)量和安全，尤其是對(duì)于高層建筑來(lái)講，基礎(chǔ)工程更為重要，因?yàn)槠湟惺芫薮蟮暮奢d以及各種作用力。樁基礎(chǔ)是基礎(chǔ)工程施工形式的一種，在高層建筑中應(yīng)用的比較廣泛，因?yàn)槠渚哂休^強(qiáng)的穩(wěn)定性，沉降性能好，在各種力矩的作用下，都能夠保證高層建筑的安全性，所以樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)非常重要。隨著建筑工程的不斷發(fā)展，對(duì)于樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，所以要充分的利用先進(jìn)的理念和技術(shù)，提高樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)水平，為建筑工程的長(zhǎng)久發(fā)展創(chuàng)造有利的條件。

參考文獻(xiàn)

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