高層建筑的結構設計特點及基礎結構設計（2）

張鋒

摘要：高層建筑的上部結構，基礎及地基組成了一個共同作用的體系，在高層建筑基礎設計中，要有效利用上部結構剛度，充分考慮地基條件對基礎受力的影響，合理選擇基礎形式，運用共同作用的理論設計地基和基礎，達到減少基礎內(nèi)力與沉降、降低基礎造價的目的。本文就高層結構設計的特點、設計原則以及基礎的結構設計中存在的幾個問題進行了探討。

關鍵詞：高層建筑；結構特點；基礎結構設計

0.引言

高層建筑結構設計越來越成為高層建筑設計工作的難點與重點，給工程設計人員提出了更高的要求。在高層建筑結構設計中，基礎設計極其重要，扎實、適用的基礎，是確保高層建筑質量的關鍵所在。在進行高層建筑結構設計時，要結合當?shù)厍闆r，考慮好可能存在的一系列影響因素，把基礎設計做好。本文就高層結構設計的特點、設計原則以及基礎的結構設計中存在的幾個問題進行探討。

1.高層建筑結構設計特點

1.1水平荷載成為決定因素

首先，數(shù)據(jù)顯示樓房自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值僅與樓房高度的一次方成正比，而水平荷載對結構產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎向構件中引起的軸力與樓房高度的兩次方成正比。因此，水平荷載對高層建筑穩(wěn)定性的影響作用是很大的。

1.2軸向變形不可忽視

高層建筑中，豎向載荷很大，能在柱中引起較大的軸向變形，對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大；此外還會對預測構件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整；另外對構件剪力和側移產(chǎn)生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

1.3側移成為控制指標

與低層或多層建筑不同，結構側移已成為高層結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結構的側向變形迅速增大，與建筑高度H的4次方成正比（△=qH4/8EI）。另外，高層建筑隨著高度的增加、輕質高強材料的應用、新的建筑形式和結構體系的出現(xiàn)、側向位移的迅速增大，在設計中不僅要求結構具有足夠的強度，還要求具有足夠的抗推剛度，使結構在水平荷載下產(chǎn)生的側移被控制在某一限度之內(nèi)，否則會產(chǎn)生以下情況：

（1）因側移產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，尤其是豎向構件，當側向位移增大時，偏心加劇，當產(chǎn)生的附加內(nèi)力值超過一定數(shù)值時，將會導致房屋側塌。（2）使居住人員感到不適或驚慌。（3）使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞，使機電設備管道損壞，使電梯軌道變型造成不能正常運行。（4）使主體結構構件出現(xiàn)大裂縫，甚至損壞。A，結構延性是重要設計指標。相對于較低樓房而言，高層建筑結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當?shù)拇胧瑏肀ＷC結構具有足夠的延性。B，抗震設計要求更高。有抗震設防的高層建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

2.高層建筑結構設計基本原則

高層建筑結構設計的基本原則是：注重概念設計，重視結構選型與平、立面布置的規(guī)則性，擇優(yōu)選用抗震和抗風好且經(jīng)濟的結構體系，加強構造措施。鋼筋混凝土高層建筑結構設計應與建筑、設備和施工密切配合，做到安全適用、技術先進、經(jīng)濟合理，并積極采用新技術、新工藝和新材料。在抗震設計中，應保證結構的整體性能，使整個結構具有必要的承載力、剛度和延性。結構應滿足下列基本要求：

（l）應具有必要的承載力、剛度和變形能力。（2）應避免因局部破壞而導致整個結構破壞。（3）對可能的薄弱部位要采取加強措施。（4）結構選型與布置合理，避免局部突變和扭轉效應而形成薄弱部位。

3.高層建筑結構的基礎設計基本要求

基礎是房屋結構的重要組成部分，房屋所受的各種荷載都要經(jīng)過基礎傳至地基。由于高層建筑層數(shù)多、上部結構荷載很大，導致使其基礎具有埋置深度大，材料用量多，施工周期長，工程造價高等特點。為此，高層建筑基礎設計時應滿足以下幾方面的要求：

（1）高層建筑的基礎設計，應綜合考慮建筑場地的地質狀況、上部結構的類型、施工條件、使用要求，確保建筑物不致發(fā)生過量沉降戒傾斜，滿足建筑物正常使用要求。還應注意與相鄰建筑的相互影響，了解鄰近地下構筑物及各項地下設施的位置和標高，確保施工安全。（2）基礎設計應根據(jù)上部結構和地質狀況進行，宜考慮地基、基礎與上部結構相互作用的影響。需要降低地下水位的，應在施工時采取有效措施，避免因基坑降水而影響鄰近建筑物、構筑物、地下設施等正常使用和安全。同時還應注意降水的時間要求，以免停止降水后，水位過早上升，使建筑物發(fā)生上浮等問題。（3）高層建筑應采用整體性好、能滿足地基的承載力和建筑物容許變形要求并能調(diào)節(jié)不均勻沉降的基礎形式。宜采用筏形基礎，必要時可采用箱形基礎。當?shù)刭|條件好、荷載較小，且能滿足地基承載力和變形要求時，也可采用交叉梁基礎或其他基礎形式；當?shù)鼗休d力或變形不能滿足設計要求時，可采用樁基或復合地基。（4）高寬比大于4的高層建筑，基礎底面不宜出現(xiàn)零應力區(qū)；高寬比不大于4的高層建筑，基礎底面與地基之間零應力區(qū)面積不應超過基礎底面面積的15%。計算時，質量偏心較大的裙樓與主樓可分開考慮。（5）在地震區(qū)，高層建筑宜避開對抗震不利的地段；當條件不允許避開不利地段時，應采取可靠措施，使建筑物在地震地不致由于地基失穩(wěn)而破壞，或者產(chǎn)生過量下沉或傾斜。

4.基礎的埋深問題

高層建筑的基礎應該要有一定的埋深，埋置深度可以從室外地坪一直算到基礎底面，對于獨立的高層建筑而言，基礎埋深比較容易確定，但當今多數(shù)高層建筑與地下車庫都是相互連接的，當?shù)叵萝噹旎A采用筏板基礎或設有防水底板的獨立基礎（防水底板不宜太薄）時，高層建筑的基礎埋深可從室外地坪算起，此時高層建筑地下室頂板及地下車庫頂板應按嵌固層要求設計，地下車庫應有足夠的側向剛度作為高層建筑的側限。假如不滿足以上條件的時候，高層建筑的基礎埋深應該要從地下車庫地面算起。高層建筑通常設地下室來滿足埋深要求，主要有以下幾點優(yōu)勢：

4.1提高地基承載力

當高層建筑采用天然地基時，地基承載力可進行修正。隨著基礎埋深的增加，修正后的地基承載力隨之增大，從而可滿足高層建筑對地基承載力的要求。

4.2有利于高層建筑上部結構的整體穩(wěn)定

高層建筑地下室外墻一般采用鋼筋鹼墻，地下室頂板厚不宜小于160mm，地下室具有較大的層間剛度，同時地下室外墻周邊土也提供了很大的側向剛度和約束。

此外在確定埋置深度時，應考慮建筑物的高度、體型、地基土質、抗震設防烈度等因素。埋置深度可從室外地坪算至基礎底面，并宜符合下列要求：（1）天然地基或復合地基，可取房屋高度的1/15；（2）樁基礎，可取房屋高度的1/18（樁長不計在內(nèi)）。當建筑物采用巖石地基或采取有效措施時，在滿足地基承載力、穩(wěn)定性要求及本規(guī)程第12.1.6條規(guī)定的前提下，基礎埋深可不受本條第1、2兩款的限制。當?shù)鼗赡墚a(chǎn)生滑移時，應采取有效的抗滑移措施。

5.結語

近些年來，我國的高層建筑發(fā)展十分迅速，建筑造型新穎獨特，建筑物的高度與規(guī)模不斷增加。在高層建筑結構設計中，地基是大樓的基礎，設計者應根據(jù)實際情況，作出合理的結構方案選擇。并能根據(jù)具體情況進行具體分析采取適當?shù)拇胧┙鉀Q實際問題。才能不斷地完善和發(fā)展高層建筑。

參考文獻：

[1]梅洪元，付本臣.中國高層建筑創(chuàng)作理論發(fā)展研究[R].高層建筑與智能建筑國際學術研討會，2012.

[2]趙西安.現(xiàn)代高層建筑結構設計[M].北京：科學出版社，2014.